基于機械手的硅片搬運浸泡應用研究

王靜 修利強 任沁

摘 要：本課題針對清洗生產(chǎn)線的硅片搬運提供了機器人解決方案，工業(yè)機器人替代人工搬運方式，將整個搬運過程做成一個相對封閉的單元空間。采用機械手抓舉提升放置系統(tǒng)為全自動控制，全自動控制為人為設定好程序，設備全自動運行，實時監(jiān)測各工件位置，夾取、翻轉(zhuǎn)、碼放、排列均為自動運行，是安全生產(chǎn)和工藝要求的保證，避免造成人員、設備和產(chǎn)品的損壞，減輕勞動力勞動強度、提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：機械手；全自動控制；夾?。淮a放

中圖分類號：TN305 文獻標志碼：A

0 前言

目前清洗車間硅片搬運有一段采用人工搬運，占用人力，清洗液容易遺撒在設備外，由人工把裝片完成的籃筐移動到清洗機的水槽中，并碼放。電池片表面是有水的，所以在搬運過程中沿途會留下水印，隨著搬運次數(shù)的增加積水面積也會增加，給現(xiàn)場造成一定的安全隱患。因此機器人全自動抓舉提升放置硅片支架來解決此問題。

機器人、裝片生產(chǎn)線和清洗機之間通過傳感器實現(xiàn)對接，從裝片機上抓取籃筐為夾取點，放置籃筐到清洗機為放置點，而夾取點和放置點的傳感器反饋可以很好地掌握機器人和生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍，由于生產(chǎn)線上每個籃筐的裝片時間大致為25s～30s時間不固定，這種方式可以使機器人在感應到指令信號后再運動，精準掌握抓取時間，同樣放置時也會通過傳感器感應確定清洗機當前是否為待命狀態(tài)，有效地避免重復填裝和填裝位置偏移。

1 系統(tǒng)組成介紹

本方案包括：Staubli RX160L機械臂、機械臂搭載架、控制系統(tǒng)CS8C、晶筐專用夾具、外圍電控系統(tǒng)及相關(guān)安防和土建設施。

1.1 Staubli RX160L機械臂

RX160L機器人系統(tǒng)為整個晶體抓舉工藝流程的核心，依據(jù)控制系統(tǒng)和搭載夾具，實現(xiàn)整筐晶體的空間位置轉(zhuǎn)移，機械手具體參數(shù)如下：負載/kg：額定負載14kg，最大負載28kg；空間半徑/mm：2010mm；位置精度/mm：±0.05mm；防護等級：IP65 （手腕IP67）。

1.2 限位開關(guān)和驅(qū)動電機

限位開關(guān)：各軸限位開關(guān)采用日本IKO霍爾元件，質(zhì)量和性能穩(wěn)定。

驅(qū)動電機：驅(qū)動電機采用伺服電機，定位準確，恒力矩輸出不會出現(xiàn)爬行和堵轉(zhuǎn)，性能可靠，每分鐘3000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為系統(tǒng)提供了更快的生產(chǎn)效率。

1.3 傳動方式介紹

系統(tǒng)中各個運動軸是整臺設備的關(guān)鍵所在，決定了行程、承載、穩(wěn)定性、適用環(huán)境及外形尺寸等主要技術(shù)指標，以下分別從各軸的傳動方式、支撐方式、驅(qū)動方式、限位防護方式和精度保證措施等方面進行說明。

（1）傳動絲杠

三維平動臺質(zhì)量和性能的關(guān)鍵在于傳動方式的選擇以及機體材質(zhì)、加工和裝調(diào)質(zhì)量。

本系統(tǒng)使用的傳動方式是高精密齒輪齒條和滾珠絲杠，滾珠絲杠與螺母之間通過鋼珠形成滾動摩擦，運動平穩(wěn)，傳動效率高，易實現(xiàn)高速運行，并且可以通過控制絲杠直徑與導程來實現(xiàn)高精度和高分辨率的要求。齒輪齒條傳動適合在大行程中使用。

（2）導軌

導軌直接影響著三維平動臺的位移精度、行程、承載、穩(wěn)定性等主要技術(shù)指標，目前常用的導軌形式主要有燕尾導軌 、交叉滾柱導軌、滾珠導軌和滑塊導軌等。

燕尾導軌的接觸面積大，摩擦力大，具有剛性高、承載大、行程長等特點，但對加工面要求較高，定位精度偏低。適用于重型機械和一般精度設計。

交叉滾柱導軌具有交替正交排列的精密滾子，可提供有剛性且靈活的直線運動，其具有摩擦力低、剛性高、承載大、定位精度高等特點，但不能提供大的行程，適合高精度小行程的應用。

滾珠導軌通過滾珠在與軸相連的槽道中的滾動，可實現(xiàn)比使用直線軸套時更大的容許負荷，且可以在進行直線運動的同時傳遞扭矩。滾珠導軌的摩擦力小，剛性、承載、定位精度和行程方面一般，不適合高精度的要求。

滑塊導軌的摩擦力較低，具有剛性高、承載大、定位精度高等特點，并能提供較大行程。

（3）本方案傳動方式的選擇

根據(jù)上面的分析，X軸行程2.2m，Y軸0.8m，Z軸0.7m，行程較大，所以選擇滑塊導軌，在保證了系統(tǒng)精度的同時也保證了系統(tǒng)的高穩(wěn)定性。

由于X軸行程2.2m較大，所以適合使用的傳動方式是齒輪齒條，絲杠在超過1.5m行程時會產(chǎn)生自然彎曲，不適合大行程。Y軸和Z軸行程不超過1.5m，所以使用滾珠絲杠傳動。

2 工作原理及流程

搬運對象：整筐晶片（帶方形塑料筐200mm×200mm

×250mm），5kg，易碎。

搬運目的地：從皮帶輸送機上把已裝好的整筐晶片，通過一系列的動作搬運至水箱中并浸泡。

2.1 搬運的流程

（1）首先，由傳送帶將浸泡的整筐晶片輸送到機械手的工作半徑內(nèi)（此時機械手位于該傳送帶的正上方，以確保整個機械手的工作過程所用時間最短）。

（2）視覺識別：由視覺系統(tǒng)對整筐晶片的位置進行識別，將位置檢測信號反饋給控制系統(tǒng)。

（3）機械手根據(jù)控制系統(tǒng)指定的命令完成以下執(zhí)行任務：

下降（staubli機械臂下降到指定位置）；抓?。ㄓ蓹C械臂第六軸和夾持裝置共同完成）；旋轉(zhuǎn)并上升（由機械臂第六軸和夾持裝置共同完成，將整筐晶片提升至傳送帶上方）；下降（由機械臂第六軸和夾持裝置共同完成，將整筐晶片送至水箱）；放下晶片筐（由機械臂第六軸和夾持裝置共同完成）；上升并旋轉(zhuǎn)（由機械臂第六軸和夾持裝置共同完成，機械手臂還原至初始位置）。

上述流程僅為一個工作流程機械手所需完成的動作，本設計要對多個晶片筐進行搬運，并碼放到水槽中相應的位置（預先已將水槽規(guī)劃設計為多個晶片筐放置點），控制系統(tǒng)多次重復上述流程，將多個晶片筐按照程序規(guī)劃自動搬運并放置在水槽中，直至水槽放滿。

（4）對整筐晶片進行浸泡。

2.2 機械手設備動作流程

（1）設備啟動，XYZRA歸零（注意靠近START，并注意防止機械干涉）。

（2）層片疊堆動作，XYZRA動作至適當位置，準備START。

Z軸下降→A軸氣夾夾緊花籃→Z軸攜帶籃筐提升至超過R軸高度→XY運動到R軸上空→Z軸下降→A軸氣夾打開，將籃筐放置于R軸上→Z軸提升→R軸旋轉(zhuǎn)90°→Z軸下降→ A軸氣夾夾緊籃筐→Z軸上升→XY運動到清洗機中水槽上空相應位置→Z軸下降，使籃筐浸于水中→A軸氣夾打開，將籃筐放置于水槽中（注意碼放整齊，和Z軸高度有關(guān)）→Z軸上升使A軸氣夾超過R軸高度→XY軸運動到START或者附近位置進行下一次抓取循環(huán)。

結(jié)語

現(xiàn)在機械手臂系統(tǒng)技術(shù)指標如下：（1）行程范圍 空間半徑：≤2000mm；（2）載重能力：3000kg 工業(yè)型材支架： 結(jié)構(gòu)主體：焊接 ；安裝方式：螺紋連接 ；安裝位置：地面；夾持裝置：夾持裝置采用金屬材料加工而成； 采用鍥口式夾持； 夾持機械手與垂直軸鋼性連接；工作效率：單個晶體從抓舉、搬運到碼放至水箱，時間控制20s以內(nèi)，也可以根據(jù)工藝需要進行調(diào)整。

采用機械手臂自動清洗系統(tǒng)，可以滿足硅片清潔線的自動化需要，避免人工操作的繁復性和故障率，提高工作效率，避免了清洗液濺射。

參考文獻

[1]李琳.淺談現(xiàn)代地毯的應用與發(fā)展[J].輕紡工業(yè)與技術(shù)，2011（2）：10-14.

[2]楊斌，蘇劍波.仿人機器人的分布式控制系統(tǒng)設計[J].控制工程，2010（1）：28.