摘要
針對脫膠后的硅片在進行清洗前的分裝、搬運、上料到清洗機設備的整個過程都需要人工作業,為避免對硅片造成2次污染和損傷。為確保清洗前能順利分片整個過程都是在水質環境中進行, 常年操作員的手浸泡損傷較大。單體硅片載體治具重量約20Kg，每隔8分鐘做次上下料動作，勞動強度較大。本文介紹了硅片在脫膠后分裝到硅片載體治具中,從輸送線系統自動上料到清洗機設備，空載體治具自動下料到治具回流輸送線體的過程。本案的實施有效地解決了上訴問題。
如今社會中資源消耗情況十分嚴重，可再生資源有限，資源供需不足也成為全球化問題。太陽能等可再生能源越來越受到關注，隨著光伏行業自身競爭和發展，硅片生產制造商的產能大幅度提升。很多關鍵制造環節基本上由設備完成。在硅片脫膠后的清洗工序過程中硅片分裝、搬運、分配、上料等環節依然需要靠人力完成。在此過程中硅片都在水質環境，避免硅片脫離水質后粘接不能分離。硅片的物流，自動上料機械手裝置便是銜接脫膠和清洗兩個工序的紐帶。通過對客戶現場應用環境和布局調研，著手工藝過程、物流形式、節拍測算、原有設備和現場布局的測繪等前期工作。完成該上料機械手的設計、安裝、調試、投產。有效解決繁重人力和環境管理工作。減少物料周轉和避免上料錯誤率，提升設備利用率和提高產能。該案例的實施具有推廣意義。
01
設 計 思 路
設計輸入前置條件 硅片每一刀料是一個料號含有物料的型號身份信息，一刀料約3200片， 4個載體治具進行承載。特定型號硅片需在對應清洗機設備中進行清洗。設備動作流程：上料機械手將清洗機空載體治具抓取放置在空治具回流線體。滿載硅片治具通過輸送線體（帶水輸送線）輸送到清洗機臺擋停，識別。機械手到輸送位抓取，再次判定確認載體治具的硅片滿足清洗型號設定條件。上料機械手優先放置在清洗機空置的上料位（為雙上料工位）。若清洗機上料工位有料，放置緩存料箱。整個流程確保清洗機不停機待料。 設計思路及措施 硅片載體治具和上下料機械手兩部分裝置作用和貫穿于輸送、緩存、清洗分片、空治具回流輸送等系統，為重要設計要素。 硅片治具載體設計，從硅片分裝、信息記錄、輸送、機械手抓取、清洗機分片、空治具回流作為載體。設計中首先確保清洗分片的定位，傾角功能。治具承載能力滿足一刀料約800片的容量和負載。設計安裝RFID芯片記錄刀號信息，設計符合輸送截停阻擋功能接口。設計治具載體有上下料機械手夾爪抓取位置。 機械手設計，從硅片滿載治具的輸送、緩存、清洗分片位的上料、空治具回流等實現承上啟下的轉序功能。機械手設計橫移行程覆蓋各功能模塊區域，垂直提升、降滿足各高度要求。機械手設計滿載治具承載力20Kg，結構穩定、可靠。垂直提升選用帶抱閘伺服電機。橫移行程覆蓋空治具回流線，滿載輸送線，緩存線、清洗分片上料位區域，機械手運行平穩，無爬坡，抖動現象。橫移采用型材鋼加工安裝導軌，伺服電機帶減速機驅動，皮帶輪傳動。抓取中保證治具不變形，不能對產品造成2次損傷。在抓取過程判定確認物料信息是否滿足清洗的目標要求。滿載治具的輸送線體, 治具緩存裝置,空治具回流輸送線體設計高度統一，方便編程和調試。 02 機 構 設 計 上下料機械手作用和貫穿于輸送、緩存、清洗分片、空治具回流輸送等系統，完成各個功能模塊的硅片治具的上下料轉序。俯視圖如圖一所示：
硅片載體治具設計
硅片單片很薄、堅硬、脆，考慮工況水質浸泡的環境治具要變形小。治具材料采用硬PVC材料阻燃，硬度高，韌性好，吸濕小。按8寸硅片尺寸設計內框限位，單邊放4mm間隙。承載量為800片硅片設計治具高度和承載力，安裝板螺紋底孔內嵌螺紋鋼套。底板設計清洗分片機的定位孔，入口孔帶倒角方便引導。底板四角設計內圓弧角，用于前后治具跟進時的隔斷。左右側板設計機械手抓取前的限位導向，當機械手下降時自動導正治具后到位抓取。斜度板設計角度符合清洗分片的角度。抓板設計同時滿足人工和機械手搬運。后板設計要挖空，方便人工放置硅片操作。后板并設計有RFID芯片安裝位。 圖二硅片載體治具示意圖 1.底板 2.側板3.斜度板4.抓板5.后板 機械手設計 機械手系統由氣動控制組件、接線盒、三色燈報警器、LED顯示器、機架框架、機械手桁架組件、觸摸屏控制組件、保護罩殼、控制電箱、治具緩存水箱組成。如圖三所示。氣動控制組件和接線盒方便于能源接入。三色燈報警器時時動態顯示設備狀態，便于維護。LED顯示器主要顯示設備的料號信息。機架框架設計滿足機械手桁架組件和治具緩存水箱的安裝和承載。框架支承高度兼顧滿載治具輸送、治具緩存水箱、清洗分片位、空治具回流輸送功能需求。機械手桁架組件設計滿足硅片滿載治具的輸送、緩存、清洗分片位的上料、空治具回的流橫移和上下料的承載、行程。觸摸屏控制組件設計有自動和手動模式，方便調試、維護、管理。保護罩殼將機械運動機構做安全防護，防止意外。治具緩存水箱設計防止一刀料全部到齊，造成輸送線體堵車作為緩存。緩存位物料少于2件時啟動叫料考慮中間環節備料時間。 圖三機械手系統示意圖 1.氣動控制組件2.接線盒3.三色燈報警器4.LED顯示器5.機架框架6.機械手桁架組件7.觸摸屏控制組件8.保護罩殼9.控制電箱10治具緩存水箱 （1）桁架機械手組件設計 桁架機械手由橫移移栽模組、垂直移栽模組、機械手組件、拖鏈組件、接線盒組成。如圖四所示。橫移移栽模組行程滿足現場布局，移栽橫移位涉及滿載治具輸送、治具緩存水箱、清洗分片位、空治具回流輸送的精確位置，采用伺服電機驅動。移載行程范圍內設計零點、左右兩邊的極限位、中間設置加減速感應位。橫梁采用型材鋼結構，導軌安裝為T型安裝方式，安裝面貼板焊接加工保持平行度和垂直度。移栽極限位設計機械硬限位。牽引方式采用皮帶。 圖四桁架機械手示意圖 1.橫移移栽模組2.垂直移栽模組3.機械手組件4.拖鏈組件5.接線盒 垂直移栽模組高度行程涉及滿載治具輸送、治具緩存水箱、清洗分片上料位、空治具回流輸送系統。設計時除清洗分片上料位高度外，其余高度設計一致。高度的行程以最低點容許富余量50mm。由于高度不同垂直提升采用抱閘伺服電機驅動。提升機構設計為導軌滑塊和滾珠絲桿方式。移載行程范圍內設計零點、上下兩邊的極限位、中間設置加減速感應位。 （2）治具緩存水箱設計 治具緩存水箱放置在機械手橫移框架內并固定。如圖五所示。緩存水箱的線體中心位置與機械手移載中心位置重合。機械手將輸送線體的滿載治具緩存在水箱中。治具緩存水箱由水箱本體、水下輸送線體、物料檢測、截停機構組成。 圖五緩存水箱安裝位示意圖 水箱材料采用不銹鋼鈑金，拼接焊接而成密封不能漏水。水箱設計有進水口和排水口方便水定時更換且設有液位傳感器。水箱外有與框架固定的安裝板。水箱內安裝有輸送線體，用于輸送治具。水箱上料位設計有料感應，感應有料啟動輸送。水箱內可以緩存4個治具位置加1個放料位滿足5個治具位置尺寸空間。每處位置都有有料感應，防止滿料放料或疊料。輸送前端設計有截停機構，當治具到上料抓取位時截停機構啟動阻斷緊跟后面的治具，防止抓取提升帶起。 圖六緩存水箱結構示意圖 1.水箱本體2.水下輸送線體3.治具4.輸送驅動5.物料檢測6.截停機構治具 03 推 廣 前 景 和 結 論 本文設計的一款硅片載體治具自動上料機械手，在整體車間13條清洗線實施后，硅片脫膠和清洗前的分裝、搬運、分配、上料環節中實現了僅在硅片脫膠后往治具分裝硅片需人工作業，大大減輕了勞動強度。不同型號的硅片清洗對應的不同清洗設備可以在產線中實現自動分線混洗。清洗分片缺料前實現提前預警，準備備料避免設備停機提高產能。在批量生產的光伏產業現狀下，自動化生產是必然趨勢。清洗機上下料機械手改善員工作業環境，提高產品合格率、提升生產率。在原有設備運行的基礎上又在新上清洗機設備前加裝了20套該上料機械手，所以在上訴環節具有行業推廣意義。
