機械手在硅片清洗機中的應用

韓蕾++張金星

摘 要：硅片清洗機是太陽能行業中硅片制造環節的一種重要的自動化設備，它的主要作用是將多線切割機生產出來的多晶硅或者單晶硅片清洗干凈并進行烘干，以達到進行最終硅片包裝的目的。根據硅片清洗機的工藝流程和控制要求，分析了清洗機的機械手存在的缺陷，提出采用編碼器代替限位開關的改造方案，并采用PLC、變頻器完成了機械手的控制。

關鍵詞：機械手 編碼器 PLC

中圖分類號：TN3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（a）-0091-02

硅片清洗機是太陽能行業中硅片制造環節的一種重要的自動化設備，它的主要作用是將多線切割機生產出來的多晶硅或者單晶硅片清洗干凈并進行烘干，以達到進行最終硅片包裝的目的。

硅片清洗機一般由清洗槽、機械手、人機界面和電控柜等幾部分組成。工藝流程如圖1所示，先將插在載片盒中的硅片手動放在訂制的提籃中，設備通過傳送裝置并通過設備的機械手將提籃依次放在每個清洗槽中進行清洗，最后進入烘干爐進行烘干而得到干燥且干凈的硅片，從而進入下一道工序進行包裝。

在硅片清洗機整個的生產運行過程中，裝載著載片盒的提籃在不同水槽內的運動需要靠機械手來完成。機械手的運動有兩個方向，一個是按照設備縱向軸線水平移動，每個水槽作為一個工位，自動狀態下機械手會停在相應的工位；另一個方向是沿著機械手自身的與地面垂直的方向上下運動，目的是對提籃進行升降操作。機械手水平運動的機械結構是齒輪齒條式的，由伺服電機帶動齒輪，通過齒輪齒條副的嚙合實現行走，垂直運動的機械結構是滾珠絲杠式，由直線導軌支撐的。因此，機械手對于此設備的作用非常重要，其運行的準確性和穩定性都必須有可靠的保證才能使整個設備可靠地運行。

1 系統存在問題分析及改進方案

1.1 存在問題分析

在水平運動中，機械手需要不斷地停在每個清洗槽進行提籃的吊起和放置的工作，而且每個槽內的硅片清洗的時間是有工藝要求的，按照預先設定好的時間完成清洗后，機械手就需要負責將這個提籃從這個槽內吊起，并放入下一個槽內繼續進行清洗。為了實現以上的工作，需要在每個清洗槽的后面也就是齒條軌道上安裝光電式的限位開關。

依靠光電開關定位機械手啟停槽位是此種工況較常用的解決方案，制造成本相對較低，但是機械手的運行精度較低，啟停位置完全取決于光電開關的位置和其感應的靈敏度。如果光電開關的支架在長時間使用過程中出現松動的問題，感應頭和擋片之間的縫隙會變大，從而會影響的感應效果，會造成感應位置不準確，機械手行走不到位，甚至造成機械手錯過目的槽位的情況，造成不必要的生產事故。

1.2 改進方案

鑒于以上情況，還有一種比較好的工程解決方案，就是采用電機加裝編碼器，它可以直接將距離轉化成轉角，通過脈沖信號輸出。增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出3組方波脈沖A、B、Z相，A、B兩組脈沖相位差90°，C、Z為每轉一個脈沖，用于基準點定位，增量式編碼器構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，特點是需要對脈沖進行計數[1]。歐姆龍型號為E6B2-CWZ6C編碼器相應頻率能達到100 kHz，分辨率最高3600脈沖/轉，有A、B、Z三路信號，采用TTL電平，A脈沖在前，B脈沖在后，A、B脈沖相差90°，每圈發出一個Z脈沖，可作為參考機械零位。

在設備調試階段需要手動將電機編碼器與定義好的水槽的位置進行識別，確認好此位置對于機械手到位后機械臂裝、卸籃的升降有無障礙，完全調試好后，即可進行全自動狀態的運行。此種方式機械手的定位完全是數字式的，可以精確到1%，這取決于編碼器的分辨率。而且不用安裝光電開關，避免了光電開關精度不高容易松動需要經常維護的問題。因此，對于設備穩定性要求更加可靠，設備運行精度要求較高的工況下，可以選用此種編碼器控制的方式。

2 控制系統設計

2.1 硬件設計及連線

機械手水平移動系統采用閉環控制， 觸摸屏為人機操作界面，西門子S7-300為控制器、MM440變頻器為執行機構、旋轉編碼器為反饋裝置、水平方向電機為控制對象，硬件接線圖如圖2所示，控制核心為西門子S7-300系列PLC，它是模塊化的中小型PLC，為了完成輸入輸出點的連接，還需配置電源模塊PS307、數字量輸入模塊SM321和數字量輸出模塊SM322和通信模塊等。變頻器采用西門子MM440，它能夠把矢量的控制達到一個很高的性能，輸出是低速度、高轉矩還有非常優秀的動態性能，而且擁有非常強力的過載性能。由于控制系統有高速和低速運行需要，因此采用多段變頻控制的方式。先恢復變頻器參數為出廠設置，再設置變頻器參數。

PLC根據程序運行的結果給變頻器發出向左（向右）和高速（低速）運行的指令，變頻器啟動電機旋轉，通過齒輪齒天機構拖動水平方向運動，同時編碼器檢測到電機的旋轉信號并將其轉化成脈沖信號反饋給PLC的輸入單元，通過PLC的程序執行，將結果存入PLC的輸出單元，控制變頻器。

2.2 PLC控制程序的設計

2.2.1 槽位位置的確定

通過與水平機構電機同軸安裝的編碼器，在機械手水平左右移動時輸出與電機轉速及水平位移成比例的脈沖數，引入到PLC的計數器的輸入端進行脈沖計數。設每個清洗槽的距離為L，按照公式（1）轉化成脈沖數[2]：

（1）

式中，I為脈沖數，L為槽間距，S為計數精度，S由公式（2）計算：

（2）

式中：D為曳引輪節圓直徑，i1為曳引減速箱減速比（傳動比），i2為曳引比，P為電動機每轉脈沖數。

當計數器的數值與設定值一致時發出中斷信號，根據當前距離與目標距離的差值，向變頻器發出相應的升或降信號，以控制水平電機的加速、保持、減速和停車。

2.2.2 槽位位置程序設計

編程軟件STEP7是用于SIMATIC的plc s7-300創建程序的標準軟件，程序可以使用梯形圖邏輯（LD）、順序功能圖（SFC）和功能模塊（FBD）進行編程操作。

機械手需要在多個清洗槽之間完成動作，由于在每個清洗槽位置上完成的動作相同，因此就以超聲清洗為例，說明機械手的控制要求及程序。機械手在每個工位需要完成以下動作。

（1）機械手水平機構前伸；（2）機械手垂直機構下降；（3）手爪張開，放下硅片；（4）清洗完成后，手爪夾緊；（5）機械手垂直機構上升。

每個工步之間轉換的條件是編碼器計數和限位開關。文章主要改進的是水平方向的運動，因此只列舉了水平方向的PLC梯形圖程序，如圖3所示，將編碼器采集的信號給PLC內部的計數器，并將結果存在輔助寄存器M2.0中，再將這個數值轉化為每分鐘的轉數，進行升速和減速的判斷，結果給變頻器的多段變頻控制，實現速度和位置的判斷。

3 結語

通過對機械手水平方向的改進，采用PLC、變頻器和編碼器控制的機械手，有效提高了系統的控制精度，滿足了控制要求，同時PLC控制系統具有較大的靈活性，可以根據不同的工況進行系統的升級改造。

參考文獻

[1] 羅平，羅志勇，豈興明，等.西門子S7-300/400工程實例講解[M].北京：人民郵電出版社，2012：91.

[2] 孫后環，白崇哲.基于PLC脈沖選層的電梯控制系統[J].電氣傳動，2003（1）：36-39.