充氮型高速料箱庫關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

文 / 張丹 周先贊

近年來，全球芯片短缺現(xiàn)象嚴(yán)重，在國家產(chǎn)業(yè)政策、下游終端應(yīng)用市場發(fā)展的驅(qū)動(dòng)下，中國半導(dǎo)體行業(yè)迅速擴(kuò)張，芯片國產(chǎn)化已是大趨勢。在半導(dǎo)體行業(yè)領(lǐng)域，潮濕環(huán)境對電子元器件品質(zhì)會(huì)產(chǎn)生影響，如何科學(xué)有效地管理，從而保證電子元器件在干燥條件下作業(yè)和存放，是目前眾多電子企業(yè)必須解決的問題。

2020年，中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所（簡稱“中電二所”）研制的充氮型高速料箱庫，利用氮?dú)庥行Ы档凸駜?nèi)的氧含量及濕度值，達(dá)到防潮防氧化目的，以確保電子元器件的安全存儲(chǔ)。該設(shè)備不但可根據(jù)客戶要求控制庫內(nèi)環(huán)境濕度和氧氣濃度，實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)智能存儲(chǔ)，相較傳統(tǒng)的充氮柜和貨架還能節(jié)約超過60%的存儲(chǔ)空間，超高的運(yùn)行速度將平均取貨時(shí)間控制在20秒以內(nèi)，存儲(chǔ)效率是其他自動(dòng)貨柜的2倍以上。在國外，卡迪斯、維世多等廠家雖然有高速料箱庫，但都是標(biāo)準(zhǔn)型，基本不具備充氮除濕功能。而國內(nèi)電子元器件的充氮除濕存儲(chǔ)，絕大部分使用傳統(tǒng)的充氮除濕柜，個(gè)別貨柜生產(chǎn)廠家使用回轉(zhuǎn)庫密封充氮除濕，不僅存儲(chǔ)效率低下，再加上回轉(zhuǎn)庫空間狹小，內(nèi)部基本被料斗充滿，充氮除濕不均勻，效果不是太好。充氮型高速料箱庫作為一種新型的智能倉儲(chǔ)設(shè)備，其內(nèi)部均使用防靜電材料和涂層，完全為電子元件存儲(chǔ)量身定做，可廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體微電子行業(yè)。

一、充氮型高速料箱庫的工作原理及結(jié)構(gòu)

1.充氮型高速料箱庫的工作原理

充氮型高速料箱庫是一種新型的智能倉儲(chǔ)設(shè)備，主要用于半導(dǎo)體微電子行業(yè)領(lǐng)域，存儲(chǔ)對環(huán)境濕度要求較高的電子元器件，通過對柜內(nèi)氮?dú)鉂舛鹊目刂?，達(dá)到電子元器件存儲(chǔ)的防潮防氧化存儲(chǔ)要求。充氮型高速料箱庫以防靜電物料盒為存儲(chǔ)單元，采用伺服控制技術(shù)，主要由提升伺服電機(jī)通過帶動(dòng)提取車，并由提取車上的伺服電機(jī)帶動(dòng)貨叉機(jī)構(gòu)做水平運(yùn)動(dòng)，貨叉機(jī)構(gòu)上的伺服電機(jī)帶動(dòng)貨叉做伸縮運(yùn)動(dòng)。入貨時(shí)，內(nèi)置門開啟，由入貨口機(jī)構(gòu)的輸送伺服電機(jī)將料盒送到入貨口指定位置，再由貨叉機(jī)構(gòu)取走，同時(shí)內(nèi)置門關(guān)閉；取貨時(shí)，則由貨叉機(jī)構(gòu)將指定料盒送到出貨口指定位置，內(nèi)置門開啟，再由出貨機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)將料盒送出，同時(shí)內(nèi)置門關(guān)閉。所有伺服電機(jī)采用絕對值編碼器定位，采用總線控制方式，控制系統(tǒng)配備防潮除濕系統(tǒng)、氣動(dòng)單元、條碼識(shí)別系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)，通過工控機(jī)與客戶MES系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)物料管理。

充氮型高速料箱庫外形為長方體，基本結(jié)構(gòu)主要由骨架、提取車、貨叉單元、進(jìn)出貨口、外罩面板、維修門、電氣控制系統(tǒng)、軟件管理系統(tǒng)等部分組成。

2.充氮型高速料箱庫的結(jié)構(gòu)

充氮型高速料箱庫外形為長方體（見圖1），基本結(jié)構(gòu)主要由骨架、提取車、貨叉單元、進(jìn)出貨口、外罩面板、維修門、電氣控制系統(tǒng)、軟件管理系統(tǒng)等部分組成。（見圖2）。

圖1 充氮型高速料箱庫的外形實(shí)物圖

圖2 充氮型高速料箱庫的結(jié)構(gòu)

（1）骨架主體均采用鋁型材（內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3），在確保貨架強(qiáng)度和承載的同時(shí)，既能滿足安裝精度要求，又能達(dá)到減輕設(shè)備重量的目的。整個(gè)框架組件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)貨架分成三個(gè)模塊：左框架模塊、右框架模塊和標(biāo)準(zhǔn)框架模塊。物料存放層格為鋼板制作，鋼板采用激光切割和鈑金折彎加工，并進(jìn)行防靜電表面處理，具有良好的尺寸一致性，能保證安裝精度，滿足防靜電要求。

圖3 充氮型高速料箱庫的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

（2）提取車主要由小車框架、升降電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、滑塊導(dǎo)軌等部件組成（見圖4）。提取車行走軌道采用潔凈度較高的鋁型材專用軌道，鋁型材軌道采用6063T5材質(zhì)擠壓成型，軌道表面經(jīng)過陽極氧化處理，杜絕了軌道與其他成分發(fā)生氧化的可能性，保證潔凈室中的使用。行走輪選用鋼制包膠輪，行走輪內(nèi)芯材質(zhì)采用45#鋼，表面進(jìn)行鍍鉻處理，包膠輪面采用具有高耐磨性的聚氨酯樹脂，包膠材質(zhì)硬度達(dá)到邵氏硬度92A。

圖4 提取車示意圖

（3）貨叉單元主要由貨叉、貨叉底座、伺服電機(jī)、傳感器等組成（見圖5、圖6）。貨叉位于貨叉底座上，由提取車上的水平伺服電機(jī)控制貨叉底座沿提取車直線導(dǎo)軌左右移動(dòng)，使貨叉做水平運(yùn)動(dòng)；貨叉上的伺服電機(jī)控制貨叉伸出與縮回動(dòng)作。

圖5 貨叉單元示意圖

圖6 貨叉單元實(shí)物圖

（4）電氣控制系統(tǒng)：充氮型高速料箱庫電氣控制系統(tǒng)由可編程控制器（PLC）、IO模塊、通訊模塊、人機(jī)界面（工控機(jī)）、傳感器、條碼識(shí)別系統(tǒng)、防潮除濕單元、監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等部分組成（見圖7）

圖7 電氣控制系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)示意圖

三、充氮型高速料箱庫的主要技術(shù)參數(shù)

1.外 形 尺 寸：5000mm（長）×2220mm（深）×4300mm（高）；

2.物料盒外尺寸：600mm（長）×400mm（寬）×148mm（高），內(nèi)部可選配分割；

3.單個(gè)物料盒承載重量：≤50kg；

4.單臺(tái)配置料箱數(shù)量：220個(gè)；

5.提取車升降速度：滿載時(shí)為1.0m/s，空載時(shí)為1.5m/s，速度可調(diào)；

6.貨叉水平速度：2.0m/s，速度可調(diào)；

7.貨叉伸縮速度：滿載時(shí)為0.5 m/s ，空載時(shí)為0.8m/s，速度可調(diào)；

8.設(shè)備工作噪聲：≤65dB；

9.控制方式：手動(dòng)、單機(jī)自動(dòng)、聯(lián)機(jī)自動(dòng)；

10.管理系統(tǒng)：1套；

11.出貨口：2個(gè)（根據(jù)需求配置）；

12.庫內(nèi)濕度控制范圍：10%至30%（根據(jù)客戶要求）。

四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

充氮型高速料箱庫關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，包括伺服控制技術(shù)、充氮除濕單元的控制和應(yīng)用、存儲(chǔ)管理系統(tǒng)（見圖8）。

圖8 電氣控制系統(tǒng)框圖

1.伺服控制技術(shù)

充氮型高速料箱庫運(yùn)動(dòng)控制采用總線控制技術(shù)，運(yùn)動(dòng)控制器為安川MP2300S，該運(yùn)動(dòng)控制器與IO模塊及各伺服驅(qū)動(dòng)采用MECHATROLINKⅡ總線方式進(jìn)行通訊。運(yùn)動(dòng)控制器將伺服驅(qū)動(dòng)器與交流伺服電機(jī)連接組成一個(gè)伺服電機(jī)系統(tǒng)，通過與上位機(jī)的組合控制，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的高速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)充氮型料箱庫的精確定位和高速、高效存儲(chǔ)。

2.充氮除濕單元

充氮型高速料箱庫是通過充入氮?dú)鈦磉_(dá)到防潮控濕的效果。充入氮?dú)庵脫Q原有空氣中的氧氣和水分子，使?jié)穸群脱鹾靠焖傧陆担_(dá)到除濕抗氧化的目的。相比吸濕模塊方式除濕，充入氮?dú)獾某凉袼俣雀?，成本更低，空間利用率更高，防氧化效果良好。

除濕單元由通訊模塊、濕度傳感器、四路控制箱、氣體探測器和電磁閥等部分組成。首先在上位機(jī)根據(jù)電子元器件存儲(chǔ)要求設(shè)置合適的濕度和氧濃度值，最大程度上保護(hù)好電子元器件。運(yùn)動(dòng)控制器通過RS485模塊與濕度傳感器和氣體探測器相互通訊，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備內(nèi)的濕度與氧濃度；當(dāng)濕度或者氧濃度超過設(shè)定值，則打開電磁閥，充入氮?dú)?；濕度和氧濃度均低于設(shè)定值，關(guān)閉電磁閥，停止充入氮?dú)?。如此循環(huán)往復(fù)，保障柜內(nèi)濕度與氧濃度值永遠(yuǎn)處于電子元器件最佳存儲(chǔ)環(huán)境。

（1）充氮除濕單元的硬件設(shè)計(jì)

為達(dá)到系統(tǒng)智能調(diào)節(jié)濕度與氧濃度的目的，此設(shè)計(jì)使用傳感器檢測技術(shù)，用濕度傳感器檢測柜內(nèi)濕度，四個(gè)氧濃度傳感器檢測柜內(nèi)氧濃度，將收集的參數(shù)傳輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)控制器中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，便于系統(tǒng)進(jìn)行智能調(diào)控。此設(shè)計(jì)采用的傳感器均支持485通訊，而MP2300自帶沒有485通訊功能，故增加擴(kuò)展模塊2171F與5個(gè)傳感器通過RS485串口線連接，進(jìn)行異步串行傳輸數(shù)據(jù)。圖9為串口通訊拓?fù)鋱D。利用串口進(jìn)行通信具有傳送距離長且成本低，有足夠的帶寬，易實(shí)現(xiàn)自定義的協(xié)議，并且數(shù)據(jù)傳輸可靠、線路簡單、使用靈活、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖9 通訊模塊參數(shù)設(shè)定和串口通訊拓?fù)鋱D

安川運(yùn)動(dòng)控制器中提供了MSGSND函數(shù)和MSG-RCV函數(shù)，這兩個(gè)函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)安川MP2000系列機(jī)器串口數(shù)據(jù)通信。為了用該函數(shù)實(shí)現(xiàn)命令響應(yīng)，必須編制用戶程序，使其一邊切換數(shù)據(jù)的發(fā)送（MSG-SND函數(shù)）和接收（MSG-RCV函數(shù)），一邊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

（2）基本通訊參數(shù)設(shè)定

首先，要配置好運(yùn)動(dòng)控制器的幾個(gè)基本參數(shù)：通信波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位。同時(shí)，傳感器上也設(shè)置相同的通信參數(shù)，這樣雙方才能正常通信。此外5個(gè)傳感器的默認(rèn)設(shè)備地址均為1，需進(jìn)行更改。具體設(shè)置如下：溫濕度表設(shè)備地址為1，氣體探測器1至4的設(shè)備地址為2至5（見圖9、圖10）。

圖10 傳感器通訊地址設(shè)置示意圖

（3）數(shù)據(jù)傳輸程序

濕度傳感器與氧氣探測器的通過運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)部問詢幀指令，將問詢幀數(shù)據(jù)基于Modbus 協(xié)議計(jì)算整合為一整個(gè)數(shù)據(jù)，發(fā)送（MSG-SND）函數(shù)和接收（MSG-RCV）函數(shù)設(shè)置，運(yùn)動(dòng)控制器間隔30s依次觸發(fā)讀取5個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的命令，將相應(yīng)的問詢幀數(shù)據(jù)放入ML00100和ML00102中（如圖11）。

圖11濕度傳感器與氧氣探測器的問詢幀指令示意圖

通過MSG-SND函數(shù)發(fā)送給各個(gè)傳感器，再通過MSG-RCV函數(shù)返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在MW00122和MW00121中，這兩個(gè)字中的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得出當(dāng)前柜內(nèi)濕度與氧濃度值（見圖12、圖13）。將濕度、氧濃度與數(shù)據(jù)庫中客戶設(shè)定值對比，當(dāng)柜內(nèi)濕度或者氧濃度超出設(shè)定值，則打開電磁閥，往柜內(nèi)充入氮?dú)?；?dāng)濕度或者氧濃度等于或者低于設(shè)定值，則關(guān)閉電磁閥，停止充氣。此外，設(shè)備氮?dú)舛帱c(diǎn)供氣，根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)切斷和打開供應(yīng)氮?dú)?，能夠快速除濕降低氧濃度，防止電子元器件氧化?/p>

圖12 多個(gè)能控制箱數(shù)據(jù)顯示

圖13 管理軟件監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示

設(shè)備需要維修或人員要進(jìn)入充氮型高速料箱庫內(nèi)部時(shí)，需關(guān)閉充氮除濕單元，打開空氣閥，待庫內(nèi)氧氣濃度達(dá)到19%后，維修門鎖緊氣缸將自動(dòng)打開，方可用鑰匙打開維修門進(jìn)入內(nèi)部；為保證人員安全，內(nèi)部氧氣濃度低于19%時(shí)，鎖緊氣缸是不會(huì)動(dòng)作的，用鑰匙也打不開維修門。

（4）充氮除濕單元工作流程圖（如圖14）

圖14 充氮除濕流程圖

存儲(chǔ)管理系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)界面直觀、簡單易用，主要負(fù)責(zé)充氮型高速料箱庫的物資出入庫管理、物資查詢、系統(tǒng)維護(hù)等。

3.存儲(chǔ)管理系統(tǒng)

存儲(chǔ)管理軟件采用C#語言開發(fā)，以數(shù)據(jù)庫SQL SERVER2015作為平臺(tái)，可方便嵌入企業(yè)ERP系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的管理。存儲(chǔ)管理系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)界面直觀、簡單易用，主要負(fù)責(zé)充氮型高速料箱庫的物資出入庫管理、物資查詢、系統(tǒng)維護(hù)等（見圖15）。

圖15 存儲(chǔ)管理系統(tǒng)功能框圖

（1）充氮型高速料箱庫入庫流程（如圖16）

圖16 充氮型高速料箱庫入庫流程圖

（2）充氮型高速料箱庫入庫流程（如圖17）

圖17 充氮型高速料箱庫出庫流程圖

五、結(jié)束語

經(jīng)過現(xiàn)場設(shè)備測試與運(yùn)行，在數(shù)據(jù)采集、信息交互、動(dòng)作控制及智能化方面，基于MP2300S的高速料箱庫的控制系統(tǒng)均表現(xiàn)良好。充氮型高速料箱庫的智能控制系統(tǒng)可將柜內(nèi)濕度與氧濃度控制在±3%以內(nèi)，達(dá)到防潮防氧化目的，以確保電子元器件的安全存儲(chǔ)，加上該設(shè)備占地面積小、容量大，可比普通貨架節(jié)約超過60%的存儲(chǔ)空間，平均存取時(shí)間在20秒以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)物資的高效存儲(chǔ)。

目前，充氮型高速料箱庫在中國電子科技集團(tuán)內(nèi)部很多半導(dǎo)體微電子領(lǐng)域的兄弟院所使用，效果非常明顯，并且航空航天領(lǐng)域也有不少院所在使用。從目前市場的需求信息分析，充氮型高速料箱庫同樣適用于其他智能生產(chǎn)線和特殊物流配送線，如芯片廠和新能源行業(yè)，該設(shè)備還能與機(jī)器人、AGV智能搬運(yùn)車相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)不同物品的揀選和存放。

總之，隨著三代半導(dǎo)體行業(yè)的迅速發(fā)展，芯片和電子元器件存儲(chǔ)要求也越來越高，充氮型高速料箱庫將逐漸在各行各業(yè)普及應(yīng)用。