自動傳輸機構設計

朱旺平

(北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司，北京100015)

自動傳輸機構是為了解決太陽能電池生產(chǎn)線上擴散爐和PECVD 人工登高搬運舟（石英舟、石墨舟）問題而設計，搬運的石英制品或石墨舟片盒硅片，稍有差錯會造成嚴重損失，工作時環(huán)境溫度較高，為了提高工作人員安全性，創(chuàng)造良好的工作環(huán)境及配合設備研發(fā)了該項技術。

由于國內(nèi)此類設備技術相對落后，長期以來進口設備占據(jù)了國內(nèi)太陽電池大生產(chǎn)線絕大部分市場。為改變這一被動局面。針對太陽能電池片提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，對制造工藝和裝備的強烈需求，研究開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權和市場競爭力的自動化設備，具備提供同國際先進技術同步、國內(nèi)領先水平的太陽能電池生產(chǎn)成套設備和工藝能力，替代進口。

1 主要技術指標和性能指標

1.1 主要技術指標

自動上下舟機構：

最大承載質(zhì)量：30 kg

豎直方向移動速度：100～500 mm/s(可調(diào))

豎直方向移動距離：2 800 mm（根據(jù)需求可延長）

水平方向移動速度：10～100 mm/s(可調(diào))

上層主導軌位移：520 mm

下層導軌位移：460 mm

最大運輸基片：156 mm×156 mm×0.2 mm，240 片（石墨舟）

水平自動傳輸舟機構：

最大承載重量：30 kg

水平方向移動速度：130～230 mm/s(可調(diào))

水平方向移動距離：2 800 mm（根據(jù)需求可延長）

最大運輸基片：156 mm×156 mm×0.2 mm，240 片（石墨舟）

1.2 結構特點

該系統(tǒng)由伺服驅(qū)動、豎直方向電動導軌、水平伸展方向微電機與同步帶、導軌、機械手、存儲位及底部水平方向帶傳輸機構組成。如圖1 所示。

圖1 圖名？

該機構與擴散爐和Pecvd 設備配套使用，具體工藝流程：

舟（石墨舟、石英舟）從外圍水平方向傳輸?shù)皆撛O備后，沿水平方向經(jīng)帶傳輸?shù)截Q直方向上下料位置，通過豎直方向移動，抓取舟運送到相對應的推拉舟工位，輸入到爐體內(nèi)，進行工藝生產(chǎn)，工藝結束后由推拉舟退回到原始位置，機械手抓取放置于存儲位冷卻，待到時間，由機械手放置于水平傳輸帶運出，進行下一工藝，完成一個循環(huán)。工藝生產(chǎn)過程中交叉進行舟傳輸。

1.2.1 自動上下舟機構

該機構主要由豎直方向上升下降往復運動，水平方向前后往復運動組成懸臂結構，最大限度滿足工藝需求。豎直方向采用伺服驅(qū)動同步齒形帶式電動導軌；水平方向采用雙層伸縮滑動導軌機構，目的為了節(jié)省空間，與整機設備協(xié)調(diào)一致，采用Maxon 空心杯直流電機，具有轉動慣量低，輸出扭矩大，效率高，力學性能指標高，工作環(huán)境溫度為-50～200 ℃、散熱好，體積小節(jié)省空間等特點，微型減速器具有小巧緊湊，可以提高超高轉矩。

電動導軌是由Festo 公司模組。主要有鋁型材、直線導軌副、同步齒形帶、帶輪、滾動軸承、傳動軸等構成；驅(qū)動系統(tǒng)由帶制動的伺服電機，減速器、聯(lián)軸器等組成；實現(xiàn)舟上下往復運行，保證運行安全流暢。

水平伸展方向由Maxon 空心杯直流電機、微型減速器、編碼器、連接軸、溜板、同步齒形帶，直線導軌副、滾動軸承、聯(lián)軸器、位移傳感器等機構；實現(xiàn)舟往復運動的精確定位。

取舟機械手由舟托板、轉動支撐板、轉軸、緩沖板、減震板、傳感器、U 型開關架、緩沖彈簧碰珠、盒體等；具有防撞保護功能。存儲位由鋁合金型材組成中轉機構，用于舟的冷卻、定位、存儲等。

1.2.2 水平方向自動傳輸舟機構

該機構主要運輸舟往復運動，由鋁型材、直流電機、減速器、平帶、傳動軸、聯(lián)軸器、限位塊等組成。平穩(wěn)可靠，安全系數(shù)高。

2 關鍵技術

2.1 高位傳輸功能

由于舟跨度較大。長度超過1 m，運輸高度到達3 m 以上，懸臂結構傳動過程不得有半點失誤，一旦失誤造成后果非常嚴重，為此設計時增加位置傳感器，及限位裝置，這對控制系統(tǒng)提出更高的要求，采用成熟模塊電動滑軌，提高了產(chǎn)品的可靠性，控制系統(tǒng)采用PLC 可編程控制器，解決伺服電機的驅(qū)動與控制，長距離抗干擾問題，驅(qū)動器與電機的匹配問題等。

2.2 雙層滑軌運動機構

受到空間限制，水平伸展機構采用雙層滑動結構，最大限度滿足在狹小空間傳送，懸臂結構節(jié)省空間但對結構的剛度要求更高，設計時充分考慮各方面因素，對導軌滑塊選擇，承載能力，剛度選擇至關重要，確定后進行校核計算驗證，符合要求確定選型。溜板設計決定設計成敗關鍵，對材料選擇，剛度等進行模擬化分析驗證。如圖2 所示。

圖2 圖名？

2.3 精確位移與定位系統(tǒng)

為滿足傳輸過程位置精確，對驅(qū)動系統(tǒng)選擇非常注意，確保精確、安全、可靠、可控性，選用Maxon 微型直流電機、微型減速器、數(shù)字增量式編碼器，電機控制器；可有效消除在信號長距離傳輸過程中受到的干擾。位移傳感器、限位開關確保位移準確，機械方面增加預緊，消隙裝置，保證重復定位精度。

3 控制系統(tǒng)安全保護

自動上下舟互鎖約束條件：機械手上有舟禁止搜原點，禁止自動操作執(zhí)行；目標位置上有舟禁止自動操作執(zhí)行。

自動搜原點過程中有驅(qū)動器報警或PLC 異常報警，自動搜索原點動作結束；自動操作執(zhí)行過程中有驅(qū)動器報警或PLC 異常報警或遇到各軸正負方向限位開關，自動操作結束。

只有在中間位置或配置頁空間數(shù)據(jù)限制的區(qū)間內(nèi)豎直軸才能上下運動；在未搜索原點的情況下，各軸可以用速度控制自由運動。

搜索原點正常結束后，在水平軸下處于中間位置且豎直軸處于配置頁空間數(shù)據(jù)限制的區(qū)間內(nèi)，水平軸上才能前后運動，且不能超過水平軸上最大值。

速度或位置控制時遇到各軸正負方向限位，對應軸動作停止；啟動自動操作上下料裝置功能并且取舟，放舟操作針對某一槳位，在運動過程中，禁止手動操作。

啟動自動操作上下料裝置功能并且取舟，放舟操作針對某一槳位，在運輸過程中，禁止相應爐管啟動工藝；反之，相應爐管在工藝中時，禁止自動操作上下舟裝置到此爐管取物。

4 可靠性試驗

設計之初，經(jīng)過調(diào)研，了解國際上最先進德國Centrotherm 公司，進行前期調(diào)研，確定設計方案，確立符合自己主導的傳動機構，驗證設計合理性。采用成熟模塊Festo 公司電動滑軌，提高產(chǎn)品的可靠性，控制系統(tǒng)采用安川公司PLC 可編程控制器，解決伺服電機驅(qū)動。調(diào)試過程中解決許多意想不到問題，裝配過程中累積誤差問題，還有設計中考慮不周到問題，通過調(diào)試這些問題得到圓滿解決，調(diào)試過程中做了大量的模擬實驗，制作簡易舟進行運送試驗，增加負載實驗，檢驗設計指標，對相關問題進行摸索和探討，通過調(diào)試實驗該機構運行平穩(wěn)，滿足設計技術指標。使用正常。經(jīng)過三個多月負載反復運行，未出現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象，設備運行狀態(tài)良好，安全可靠。

各項指標均符合設計要求，高重復定位精度、高穩(wěn)定性。可以滿足工藝要求。

5 結束語

自動傳輸舟系統(tǒng)已在我公司研發(fā)擴散爐、PECVD 設備上使用，解決高位送料問題，具有良好市場前景，為研制全自動生產(chǎn)線提供借鑒。設備可靠性及工藝穩(wěn)定性得到驗證，達到國際先進水平、國內(nèi)領先。正式批量供應市場。整機各項性能完全可以與進口設備相媲美，具有較大的價格優(yōu)勢，為太陽能生產(chǎn)線廠商的設備投資節(jié)省成本，增強國內(nèi)企業(yè)的市場競爭能力。