機器人在光伏太陽能行業PECVD工序的應用

摘 要：光伏行業PECVD工序一直面臨著產能過低、碎片率高、二次污染的種種難題，通過介紹我們自主研發的全自動石墨舟上下料設備，闡述PECVD工序使用機器人技術的優勢和技術難點。

關鍵詞：機器人；抓取；定位精度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.054

在以往的PECVD工序，采用人工向石墨舟插取硅片的操作模式，一直面臨著產能過低、碎片率高、二次污染的種種難題。為此，我們采用了機器人，自主研發出全自動石墨舟硅片上下料機，并成功應用于生產。

整機主要功能部件有硅片傳輸定位組件、石墨舟傳輸定位組件、機器人抓取組件三大部分。用于將刻蝕工序后的硅片經上料傳輸機構傳送至變節距花籃，由機器人抓取后放入石墨舟內，進行PECVD工藝；PECVD工藝完成后，機器人再將硅片抓取后，放入下料變節距花籃，經傳輸機構裝入100片空花籃中。如圖1所示。

1 硅片傳輸定位組件

1.1 動作流程

人工將刻蝕工序后的滿花籃放置于上料花籃傳輸組件，硅片傳送至變節距花籃，變節距花籃存滿22片后，定位到抓取位置，通過氣缸夾緊，等待機器人的抓取；人工將空花籃放置于下料花籃傳輸組件，機器人將PECVD工藝后的硅片抓取后放置于下料變節距花籃中，硅片傳送至空花籃中。存滿100片后，更換新的空花籃。

1.2 關鍵技術

機器人同時抓取22片硅片，硅片的一致性是決定機器人抓取效果的重要因素。如果一致性差，將導致插取后，硅片遠離某一卡點，嚴重的可導致片子一角脫落在石墨舟外，造成PECVD工藝打火。

我們采取氣缸推片、夾片雙向定位，以確保機器人抓取的精度。當上料變節距花籃存滿22片硅片，通過伺服定位到機器人抓取位，推硅片氣缸將硅片推齊，夾硅片氣缸再將硅片兩側夾緊，使22片硅片的三個面很好的貼合在機械結構上，保證了機器人抓取的精度。

2 石墨舟傳輸定位組件

2.1 動作流程

人工將石墨舟放置于小車上或輸送線上，石墨舟提取機械手移動至小車位置或輸送線位置，將石墨舟提取之后放置到傳輸組件上，同步帶+雙導軌的機械結構在伺服電機的帶動下穩步傳輸，將石墨舟傳送至機器人插取位，到位后通過氣缸夾緊定位。

2.2 關鍵技術

石墨舟的定位精度是影響機器人抓取效果的另一大重要因素，我們在機器人的插取位設計一根彈簧銷釘，石墨舟托盤傳送至插取位的過程中，以一定的快速移動，檢測到傳感器信號之后，轉變為慢速向彈簧銷釘靠近。伺服電機采用扭矩控制方式，托盤和彈簧銷釘接觸后，當扭矩達到設定值時，伺服電機停止，當前位置即為機器人插取位。再采用X、Y方向的夾緊氣缸進行雙向定位，以確保石墨舟定位精度。

3 機器人抓取組件

3.1 動作流程

從石墨舟取片—向花籃放片—從花籃取片—向石墨舟放片。

3.2 關鍵技術

機器人帶動吸盤組件，進行高速的重復抓取動作，如何做到機器人速度與加減速的完美匹配，使抓取動作穩定的同時速度更快；如何做到機器人運動軌跡半徑最小最節省時間；如何避免運動過程中的奇異點，這些問題都是影響設備穩定性、產能、碎片率至關重要的因素。

我們在設計軟件中建立三維模型，模擬出所有的抓取點和運動軌跡中的奇異點；再使用機器人示教器在設備上慢速實際運行，確認所有軌跡平滑準確無誤；然后將機器人在自動模式下運行，通過反復修改速度、加減速、角速度、線速度等參數找出最佳的設置；最后記錄機器人手臂執行軌跡=關節位置+電機扭矩，4毫秒的周期記錄60秒左右，生成records文件，分析所有運行軌跡不會對機器人本體造成影響，提早檢測機器人過早退化的風險。

3.3 良好的適應性

不同的制造商使用的PECVD爐子尺寸不盡相同，與之配套使用的石墨舟也大小各異。常見的石墨舟主要有以下幾種：156-16片*6槽石墨舟，載片數量192片、156-16片*8槽石墨舟，載片數量252片、156-22片*7槽石墨舟，載片數量308片、156-26片*8槽石墨舟，載片數量416片。差異如此之大，機器人該如何做到更好的適應。

實際上，在機器人工作負載和最大動作半徑范圍內，可以通過設計不同真空吸盤組件，例如16片、22片、26片，就能更好的滿足制造商這方面的不同需求。目前，我們采用的機器人工作負載為13kg、最大動作半徑1388mm。16片和22片吸盤組件，負載重量分別為4kg和6kg，只需要做到吸盤機械安裝夾具統一即可。

4 總結

PECVD工序使用機器人，可以實現較高速度的重復性抓取操作，工作節拍遠高于人工節拍，大幅提高了生產效率；可以實現一人同時看多臺設備，減少了用工量，從而帶來人工成本、管理成本的降低；可以實現精準的定位和重復精度，有效地降低了碎片率；可以減少人工帶來的二次污染，提高產品質量；同時，因為具有維修維護方便、24小時不間斷工作等特性，都使得機器人在光伏太陽能行業取得了非常好的應用。伴隨著光伏產業的不斷升溫，機器人的應用勢必將取得突飛猛進的發展。

參考文獻：

[1]張賀超，劉彩鳳，李旭.機器人技術在光伏組件生產中的應用淺析[J].中國機械，2013（11）：222.

[2]岳軍.石墨舟上下料機的研制[J].電子工藝技術，2015（06）：361-363.

[3]李慎言.工業機器人技術發展現狀和展望[J].維普資訊，2008（05）.

作者簡介：康冬妮（1983-），女，吉林公主嶺人，本科，工程師，研究方向：光伏太陽能行業電氣設計與研發。