基于机械手的硅片搬运浸泡应用研究

王静 修利强 任沁

摘 要：本课题针对清洗生产线的硅片搬运提供了机器人解决方案，工业机器人替代人工搬运方式，将整个搬运过程做成一个相对封闭的单元空间。采用机械手抓举提升放置系统为全自动控制，全自动控制为人为设定好程序，设备全自动运行，实时监测各工件位置，夹取、翻转、码放、排列均為自动运行，是安全生产和工艺要求的保证，避免造成人员、设备和产品的损坏，减轻劳动力劳动强度、提高生产效率。

关键词：机械手；全自动控制；夹取；码放

中图分类号：TN305 文献标志码：A

0 前言

目前清洗车间硅片搬运有一段采用人工搬运，占用人力，清洗液容易遗撒在设备外，由人工把装片完成的篮筐移动到清洗机的水槽中，并码放。电池片表面是有水的，所以在搬运过程中沿途会留下水印，随着搬运次数的增加积水面积也会增加，给现场造成一定的安全隐患。因此机器人全自动抓举提升放置硅片支架来解决此问题。

机器人、装片生产线和清洗机之间通过传感器实现对接，从装片机上抓取篮筐为夹取点，放置篮筐到清洗机为放置点，而夹取点和放置点的传感器反馈可以很好地掌握机器人和生产线的生产节拍，由于生产线上每个篮筐的装片时间大致为25s～30s时间不固定，这种方式可以使机器人在感应到指令信号后再运动，精准掌握抓取时间，同样放置时也会通过传感器感应确定清洗机当前是否为待命状态，有效地避免重复填装和填装位置偏移。

1 系统组成介绍

本方案包括：Staubli RX160L机械臂、机械臂搭载架、控制系统CS8C、晶筐专用夹具、外围电控系统及相关安防和土建设施。

1.1 Staubli RX160L机械臂

RX160L机器人系统为整个晶体抓举工艺流程的核心，依据控制系统和搭载夹具，实现整筐晶体的空间位置转移，机械手具体参数如下：负载/kg：额定负载14kg，最大负载28kg；空间半径/mm：2010mm；位置精度/mm：±0.05mm；防护等级：IP65 （手腕IP67）。

1.2 限位开关和驱动电机

限位开关：各轴限位开关采用日本IKO霍尔元件，质量和性能稳定。

驱动电机：驱动电机采用伺服电机，定位准确，恒力矩输出不会出现爬行和堵转，性能可靠，每分钟3000转的转速为系统提供了更快的生产效率。

1.3 传动方式介绍

系统中各个运动轴是整台设备的关键所在，决定了行程、承载、稳定性、适用环境及外形尺寸等主要技术指标，以下分别从各轴的传动方式、支撑方式、驱动方式、限位防护方式和精度保证措施等方面进行说明。

（1）传动丝杠

三维平动台质量和性能的关键在于传动方式的选择以及机体材质、加工和装调质量。

本系统使用的传动方式是高精密齿轮齿条和滚珠丝杠，滚珠丝杠与螺母之间通过钢珠形成滚动摩擦，运动平稳，传动效率高，易实现高速运行，并且可以通过控制丝杠直径与导程来实现高精度和高分辨率的要求。齿轮齿条传动适合在大行程中使用。

（2）导轨

导轨直接影响着三维平动台的位移精度、行程、承载、稳定性等主要技术指标，目前常用的导轨形式主要有燕尾导轨 、交叉滚柱导轨、滚珠导轨和滑块导轨等。

燕尾导轨的接触面积大，摩擦力大，具有刚性高、承载大、行程长等特点，但对加工面要求较高，定位精度偏低。适用于重型机械和一般精度设计。

交叉滚柱导轨具有交替正交排列的精密滚子，可提供有刚性且灵活的直线运动，其具有摩擦力低、刚性高、承载大、定位精度高等特点，但不能提供大的行程，适合高精度小行程的应用。

滚珠导轨通过滚珠在与轴相连的槽道中的滚动，可实现比使用直线轴套时更大的容许负荷，且可以在进行直线运动的同时传递扭矩。滚珠导轨的摩擦力小，刚性、承载、定位精度和行程方面一般，不适合高精度的要求。

滑块导轨的摩擦力较低，具有刚性高、承载大、定位精度高等特点，并能提供较大行程。

（3）本方案传动方式的选择

根据上面的分析，X轴行程2.2m，Y轴0.8m，Z轴0.7m，行程较大，所以选择滑块导轨，在保证了系统精度的同时也保证了系统的高稳定性。

由于X轴行程2.2m较大，所以适合使用的传动方式是齿轮齿条，丝杠在超过1.5m行程时会产生自然弯曲，不适合大行程。Y轴和Z轴行程不超过1.5m，所以使用滚珠丝杠传动。

2 工作原理及流程

搬运对象：整筐晶片（带方形塑料筐200mm×200mm

×250mm），5kg，易碎。

搬运目的地：从皮带输送机上把已装好的整筐晶片，通过一系列的动作搬运至水箱中并浸泡。

2.1 搬运的流程

（1）首先，由传送带将浸泡的整筐晶片输送到机械手的工作半径内（此时机械手位于该传送带的正上方，以确保整个机械手的工作过程所用时间最短）。

（2）视觉识别：由视觉系统对整筐晶片的位置进行识别，将位置检测信号反馈给控制系统。

（3）机械手根据控制系统指定的命令完成以下执行任务：

下降（staubli机械臂下降到指定位置）；抓取（由机械臂第六轴和夹持装置共同完成）；旋转并上升（由机械臂第六轴和夹持装置共同完成，将整筐晶片提升至传送带上方）；下降（由机械臂第六轴和夹持装置共同完成，将整筐晶片送至水箱）；放下晶片筐（由机械臂第六轴和夹持装置共同完成）；上升并旋转（由机械臂第六轴和夹持装置共同完成，机械手臂还原至初始位置）。

上述流程仅为一个工作流程机械手所需完成的动作，本设计要对多个晶片筐进行搬运，并码放到水槽中相应的位置（预先已将水槽规划设计为多个晶片筐放置点），控制系统多次重复上述流程，将多个晶片筐按照程序规划自动搬运并放置在水槽中，直至水槽放满。

（4）对整筐晶片进行浸泡。

2.2 机械手设备动作流程

（1）设备启动，XYZRA归零（注意靠近START，并注意防止机械干涉）。

（2）层片叠堆动作，XYZRA动作至适当位置，准备START。

Z轴下降→A轴气夹夹紧花篮→Z轴携带篮筐提升至超过R轴高度→XY运动到R轴上空→Z轴下降→A轴气夹打开，将篮筐放置于R轴上→Z轴提升→R轴旋转90°→Z轴下降→ A轴气夹夹紧篮筐→Z轴上升→XY运动到清洗机中水槽上空相应位置→Z轴下降，使篮筐浸于水中→A轴气夹打开，将篮筐放置于水槽中（注意码放整齐，和Z轴高度有关）→Z轴上升使A轴气夹超过R轴高度→XY轴运动到START或者附近位置进行下一次抓取循环。

结语

现在机械手臂系统技术指标如下：（1）行程范围 空间半径：≤2000mm；（2）载重能力：3000kg 工业型材支架： 结构主体：焊接 ；安装方式：螺纹连接 ；安装位置：地面；夹持装置：夹持装置采用金属材料加工而成； 采用锲口式夹持； 夹持机械手与垂直轴钢性连接；工作效率：单个晶体从抓举、搬运到码放至水箱，时间控制20s以内，也可以根据工艺需要进行调整。

采用机械手臂自动清洗系统，可以满足硅片清洁线的自动化需要，避免人工操作的繁复性和故障率，提高工作效率，避免了清洗液溅射。

参考文献

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[2]杨斌，苏剑波.仿人机器人的分布式控制系统设计[J].控制工程，2010（1）：28.