CN105583958A - 一种单晶硅立式单棒开方机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单晶硅立式单棒开方机，包括切割室、布线室、上下料装置、电气室，切割室包括用于切割单个硅棒的切割头，切割室还包括用于支撑硅棒下端的硅棒支撑座和用于对硅棒上端进行压紧固定的硅棒压紧机构，硅棒压紧机构包括压紧支架、固定在压紧支架上的伸长杆、固定在伸长杆上的用于与硅棒连接的压紧座，伸长杆上设有供切割头的线网穿过的开槽。本发明达到了立式切割、不粘胶、不剪线网、自动对晶线及自动上下料、四面同时切割的高效加工效果，并且工艺简单、操作方便、加工成本低，易于实现自动化，符合用户对设备的需求。

Description

一种单晶硅立式单棒开方机

技术领域

本发明涉及晶硅切割技术领域，具体涉及一种单晶硅立式单棒开方机。

背景技术

单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅也称硅单晶，是电子信息材料和光伏行业中最基础性材料，属半导体材料类。单晶硅已渗透到国民经济和国防科技中各个领域。

传统开方机采用立式开方，首先将棒料用胶粘接在晶托上，然后利用电磁技术将晶托吸在托盘上，然后切割机头从上至下进行切割。每次切割16根或25根棒料，需要使用若干根切割线，穿线比较复杂，硅棒的粘接及下料占用大量人工及时间，切割完成后机头无法直接退回，需要将线网剪断才能将托盘拉出进行下料，下料时还要对棒料进行脱胶处理，切割时间长，线网剪掉后不可重复利用，造成了耗材的浪费，下次切割需要重新穿线。总体来说，传统单晶硅开方机工艺复杂，辅助时间长，人工成本高，生产效率低，线耗较高，穿线困难，操作不便。

现在，国家极度重视新能源的开发及应用，并投入大量资金对光伏行业进行扶持，国内单晶硅的需求不断增加，国外先进的设备制造厂商已经提出了制造单晶硅的自动化生产线，而开方机在生产线中占有非常重要的一个环节，它承担着将截断的圆棒加工成方棒的任务，以便于下道工序进行磨削，每次切割时需要对硅棒进行粘接和脱胶，给自动化实现带来了困难。同时在开方工序前后的截断工序、磨削工序，加工时棒料都是卧式摆放，而传统的设备是立式摆放，也是实现自动化生产线的一大阻碍。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种立式切割、不粘胶、不剪线网、自动对晶线、自动上下料、四面同时切割、效率高的单晶硅立式单棒开方机。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种单晶硅立式单棒开方机，包括切割室、布线室、上下料装置、电气室，所述切割室包括用于切割单个硅棒的切割头、用于支撑硅棒下端的硅棒支撑座和用于对硅棒上端进行压紧固定的硅棒压紧机构，所述硅棒压紧机构包括压紧支架、固定在压紧支架上的伸长杆、固定在伸长杆上的用于与硅棒连接的压紧座，所述伸长杆上设有供所述切割头的线网穿过的开槽。硅棒支撑座安装在切割室底部，支撑硅棒下端，压紧座压紧硅棒的顶端，实现了单晶硅棒的立式装夹，无须对硅棒进行粘接和脱胶，解决了粘胶费时费力的问题。线网从下往上运动实现对硅棒的切割，线网运动到伸长杆处，继续向上，到达开槽，将硅棒的位置让开，方便硅棒下料，有利于自动化的实现。同时，采用立式切割，切割完后边皮会自动掉落，不会造成崩边。

如上所述的单晶硅立式单棒开方机，所述切割头包括线网安装架和安装于线网安装架上的被动切割轮组件、主动切割轮组件、换向轮组件，切割线经过主动切割轮组件、换向轮组件和被动切割轮组件走线形成井字形线网，所述切割头通过切割头驱动机构驱动实现切割头的上下往复运动。将切割线在切割轮上形成井字形线网，井字形布置，从下往上进行切割，可同时切割四个面，一次切割就可完成开方，实现了单晶硅棒的高效切割，并且不需剪线网。在切割室下方设置接料盒，当一次切割完成后，边皮受重力作用会自动掉落到接料盒中。

如上所述的单晶硅立式单棒开方机，所述压紧支架固定在第一滑块上，所述第一滑块与竖直安装的第一直线导轨滑动连接。压紧支架可上下移动来适应不同长度的棒料。

如上所述的单晶硅立式单棒开方机，所述硅棒支撑座上设有用来压紧硅棒边皮的多个夹紧气缸。优选的夹紧气缸为四个，均匀分布在硅棒的周围，夹紧气缸的缸体固定在硅棒支撑座上，夹紧气缸的活塞杆上固定挡块，活塞杆垂直设置，活塞杆驱动挡块向上运动对边皮进行压紧。硅棒支撑座安装在切割室底部，支撑硅棒下端，装有四个夹紧气缸来压紧边皮，形成五点支撑，适应硅棒截面不平整的情况。

如上所述的单晶硅立式单棒开方机，所述上下料装置包括支承架、运输至少一根硅棒的上下料小车装置、安装在支承架上的机械手行走装置、及安装在机械手行走装置上的机械手和带动机械手上下运动的升降装置，所述机械手行走装置包括横向行走装置和纵向行走装置，所述机械手包括用于夹紧硅棒的夹紧机构和用于带动夹紧机构俯仰动作的俯仰机构。升降装置安装在机械手行走装置上，机械手安装在该升降装置上，机械手行走装置带动升降装置动作实现机械手的横向移动和纵向移动，升降装置实现机械手的上下移动。机械手又包括了夹紧机构和俯仰机构，实现了对棒料的夹紧和俯仰，实现棒料的夹紧、放开，以及棒料的90°旋转。通过上下料装置实现上下料的自动化，节省了切割准备时间和人力成本，切割前后利用机械手将棒料旋转90°，使棒料在上下料时卧式摆放，适应了自动化生产线的需求。

如上所述的单晶硅立式单棒开方机，所述支承架上设有检测有无硅棒的至少一个传感器，传感器的安装位置与上下料小车装置上的各硅棒位置一一对应。

如上所述的单晶硅立式单棒开方机，为了形成井字形线网，所述布线室包括主体框架和安装于主体框架上的对称设置的两套布线装置，每套布线装置包括绕线总成、排线装置、张力机构。采用两组布线装置同时布线，一组供应一根切割线，两根切割线在切割头处走线形成井字形线网，穿线简单。

如上所述的单晶硅立式单棒开方机，所述绕线总成包括绕线支座、安装于绕线支座上的收放线线筒、与收放线线筒连接的收放线筒驱动机构、安装在收放线筒下方的用于制动收放线筒的制动装置。所述排线装置包括线性模组、通过排线滑座安装在线性模组滑块上的排线轮、与线性模组连接且用于驱动排线轮运动的排线轮驱动机构、用于切割线导向的小滑轮组件。利用线性模组代替以往的直线滚珠丝杠和直线导轨分开固定的结构，减少了对直线导轨于直线滚珠丝杠平行度的要求，同时，线性模组操作简单，将直线滚珠丝杠和直线导轨固定在一起，排线精度较高，且使用的寿命也相对较长。

如上所述的单晶硅立式单棒开方机，还包括用于检测硅棒晶线位置的晶线检测装置，所述晶线检测装置包括用于固定硅棒的装夹工位、用于带动硅棒沿硅棒轴线旋转的硅棒旋转机构和用于检测晶线的检测元件。由于以往的开方机采用人工上下料，它们都是采用人工检测晶线的方法，效率低。采用本晶线检测装置，装夹工位将硅棒固定，硅棒旋转机构带动硅棒旋转360°，检测元件采用机械接触式检测元件，硅棒旋转过程中，检测元件测得四条晶线在一个截面内的位置，通过数学模型分析计算，把硅棒旋转到均匀对齐的状态上。并且可与棒料切割同时进行，待上一棒料切割完成下料后，此棒料即可就位进行切割，同时下一棒料就可以开始对晶线，实现了高效切割。

如上所述的单晶硅立式单棒开方机，优选的，为了硅棒的立式装夹更加牢固，切割室内的硅棒一端固定一端浮动，所述伸长杆与压紧座通过多个夹头浮动连接，夹头的一端通过弹簧与伸长杆连接，夹头的另一端与压紧座固定并穿出压紧座表面，夹头在压紧座表面形成多个凸起，这些凸起在压紧座表面分散布置，可以与单晶硅硅棒的圆锥形顶端形成多点固定，固定更加牢固，实现棒料上端的浮动压紧。

本发明的技术效果为：本发明棒料竖直放置，通过硅棒支撑座和硅棒压紧机构夹紧硅棒，解决了粘胶费时费力的问题，降低人工成本；线网井字形布置，从下往上进行切割，并且同时切割四个面，切割效率高，线耗低不必剪线网，加工成本低；采用立式切割，切割完后边皮会自动掉落，不会造成崩边；通过机械接触式检测元件，在棒旋转360°的过程中，测得四条晶线在一个截面内的位置，通过数学模型进行析计算，把硅棒旋转到均匀对齐的状态，可实现自动对晶线，并且可与棒料切割同时进行，待上一棒料切割完成下料后，此棒料即可就位进行切割，同时下一棒料就可以开始对晶线，实现了高效切割；通过上下料装置实现上下料的自动化，节省了切割准备时间和人力成本，切割前后利用机械手将棒料旋转90°，使棒料在上下料时卧式摆放，并且适应了目前自动化生产线的需求。总体来说，本发明提供的单晶硅立式单棒开方机，达到了立式切割、不粘胶、不剪线网、自动对晶线及自动上下料、四面同时切割的高效加工效果，并且工艺简单、操作方便、加工成本低，易于实现自动化，符合用户对设备的需求。

附图说明

图1为本实施例中单晶硅立式单棒开方机的俯视图；

图2为本实施例中单晶硅立式单棒开方机的立体结构示意图；

图3为本实施例中切割室的结构示意图；

图4为本实施例中硅棒支撑座的结构示意图；

图5为本实施例中硅棒压紧机构的结构示意图；

图6为本实施例中切割头的结构示意图；

图7为本实施例中被动切割轮组件的结构示意图；

图8为本实施例中主动切割轮组件的结构示意图；

图9为本实施例中换向轮组件的结构示意图；

图10为本实施例中左布线装置的结构示意图；

图11为本实施例中右排线装置的结构示意图；

图12为本实施例中上下料装置的结构示意图；

图13为本实施例中上下料装置中机械手的结构示意图；

图14为晶线检测装置的结构示意图。

图15为本实施例中伸长杆的结构示意图；

其中：1、电气室；2、布线室；3、切割室；4、晶线检测装置；5、上下料装置；6、硅棒；

201、主体框架；202、绕线总成；203、排线装置；204、张力机构；2021、绕线支座；2022、收放线筒；2023、收放线筒驱动机构；2031、线性模组；2032、排线滑座；2033、排线轮；2034、小滑轮组件；

301、硅棒支撑座；302、硅棒压紧机构；303、切割头；304、夹紧气缸；3021、伸长杆；3022、压紧座；3023、压紧支架；3024、开槽；3025、第一滑块；3026、夹头；3027、弹簧；3028、第一直线导轨；

401、装夹工位；402、硅棒旋转机构；403、检测元件；

501、支承架；502、上下料小车装置；503、机械手行走装置；504、机械手；505、升降装置；5041、夹紧机构；5042、俯仰机构；

601、被动切割轮；602、被动切割轮轴承套；603、第一双列深沟球轴承；604、被动切割轮轴；605、被动切割轮轴承端盖；

701、切割轮驱动电机；702、主动切割轮轴；703、主动切割轮；704、主动切割轮轴端盖；705、切割轮垫片；706、主动切割轮轴承箱；707、主动切割轮轴承端盖；708、第二双列深沟球轴承；709、主动切割轮隔圈；710、锁紧螺母；

801、换向轮轴承套；802、换向导轮；803、第三双列深沟球轴承；804、换向轮轴；805、换向轮轴承端盖；806、压板。

具体实施方式

下面结合附图1～15对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本实施例公开了一种单晶硅立式单棒开方机，如图1-2所示，包括切割室3、电气室1、安装在切割室3一侧的布线室2、及安装在切割室1另一侧的晶线检测装置4和上下料装置5。

切割室1，如图3～5、15所示，包括用于切割单个硅棒6的切割头303、用于支撑硅棒6下端的硅棒支撑座301和用于对硅棒6上端进行压紧固定的硅棒压紧机构302。硅棒支撑座301安装在切割室1底部，支撑硅棒下端，硅棒支撑座301上设有用来压紧硅棒6边皮的四个夹紧气缸304，形成五点支撑，适应硅棒截面不平整的情况。硅棒压紧机构包括压紧支架3023、固定在压紧支架3023上的伸长杆3021、固定在伸长杆3021上的用于与硅棒6连接的压紧座3022，伸长杆3021上设有供所述切割头303的线网穿过的开槽3024，线网从下往上运动实现对硅棒6的切割，过程中线网运动到伸长杆3021处，继续向上，到达开槽3024，将硅棒的位置让开。压紧支架3023固定在第一滑块3025上，第一滑块3025与竖直安装的第一直线导轨3028滑动连接。本实施例中，采用优选的方式，将硅棒6的一端固定一端浮动，如图15所示，伸长杆3021与压紧座3022分别通过六个夹头3026浮动连接，各夹头3026的一端通过弹簧3027与伸长杆3021连接，夹头3026的另一端与压紧座3222固定并穿出压紧座3022与硅棒接触的表面，实现棒料上端的浮动压紧。

切割头303，如图6～9所示，包括线网安装架3031和安装于线网安装架3031上的被动切割轮组件3032、主动切割轮组件3033、换向轮组件3034。其中，被动切割轮组件503包括用于切割丝走线的被动切割轮601、与被动切割轮内孔配合的被动切割轮轴承套602、安装在被动切割轮轴承套602内部的第一双列深沟球轴承603、被动切割轮轴604、设置于被动切割轮轴承套602一端的被动切割轮轴承端盖605。被动切割轮601外圈采用聚氨酯材料，涂覆后加工切割线槽，具有一定硬度，不损伤切割线。主动切割轮组件3033包括切割轮驱动电机701、主动切割轮轴702、安装在主动切割轮轴702上的主动切割轮703、安装在主动切割轮轴702端头的主动切割轮轴端盖704、安装在主动切割轮703右端的切割轮垫片705、安装在切割轮驱动电机701输出侧的主动切割轮轴承箱706、安装在主动切割轮轴承箱706右侧的主动切割轮轴承端盖707、安装在主动切割轮轴702上的第二双列深沟球轴承708、安装在主动切割轮轴702上的顶紧轴承的主动切割轮隔圈709以及顶紧隔圈的锁紧螺母710。主动切割轮703外圈采用聚氨酯材料，涂覆后加工线槽，具有一定硬度，不损伤切割线，当切割磨损后可通过减少切割轮垫片705来更换线槽使用位置。换向轮组件3034包括换向轮轴承套801、安装在换向轮轴承套801上的换向导轮802、安装在换向轮轴承套801内部的第三双列深沟球轴承803、安装在第三双列深沟球轴承803中心的换向轮轴804、安装在换向轮轴承套801一侧的换向轮轴承端盖805，还包括用来定位轴承的压板806。压板806用螺钉固定在换向轮轴804上。换向轮802外圈采用聚氨酯材料，涂覆后加工线槽，具有一定硬度，不损伤切割线。本实施例中，切割头3采用两组主动切割轮组件3033、六组被动切割轮组件3032，每组主动切割轮组件3033带动三组切割轮组件3032，通过六组换向轮组件3034，在各切割轮上形成井字形线网，一次切割就可完成开方。在切割室下方设置接料盒，当一次切割完成后，边皮受重力作用会自动掉落到接料盒中。切割头303通过切割头驱动机构驱动实现切割头303的上下往复运动，切割头驱动机构包括第二滑块、竖直安装的第二直线导轨及驱动第二滑块沿第二直线导轨上下移动的相应的动力装置。

布线室2，如图10、11所示，包括主体框架201和安装于主体框架201上的对称设置的两套布线装置，分别为左布线装置和右布线装置，每套布线装置包括绕线总成202、排线装置203、张力机构204。绕线总成202包括绕线支座2021、安装于绕线支座2021上的收放线线筒2022、与收放线线筒2022连接的收放线筒驱动机构2023、安装在收放线筒2022下方的用于制动收放线筒的制动装置2024，所述收放线筒驱动机构2023采用伺服电机和联轴器。排线装置203包括线性模组2031、通过排线滑座2032安装在线性模组2031滑块上的排线轮2033、与线性模组2031连接且用于驱动排线轮2033运动的排线轮驱动机构、用于切割线导向的小滑轮组件2034，排线轮驱动机构采用伺服电机。排线装置203用于控制设备运转时切割丝的收线和放线，并按一定螺距进行排线，在设备一侧的绕线总成202中的收放线筒2022上均匀的绕好切割线，由绕线总成202中的伺服电机控制，带动收放线线筒高速往返转动，使在线筒上布满的切割线参与到切割循环机构中。排线装置203由驱动排线轮2033运动的排线轮驱动机构控制，通过线性模组2031、排线滑座2032和小滑轮组件2034等使切割丝在高速运行中能够均匀有序的排列在收放线线筒2022上。考虑到设备不运转时，收放线线筒2022可能会发生转动，造成设备中切割线的松动，因此在收放线线筒2022的下方装有制动装置2024保证不工作时收放线线筒2022的制动。在切割丝走丝、排线的过程中，容易出现松动的情况，通过张力机构204给走丝系统中的切割丝施加张力，使切割丝在收放线线筒上排线时不至于松动，补偿切割丝在往返循环走丝时的延伸度、防止断丝影响精度。

上下料装置5，如图2、12、13所示，包括支承架501、运输至少一根硅棒6的上下料小车装置502、安装在支承架501上的机械手行走装置503、及安装在机械手行走装置503上的机械手504和带动机械手504上下运动的升降装置505。机械手行走装置503包括横向行走装置和纵向行走装置，升降装置505安装在机械手行走装置503上，机械手504安装在该升降装置505上，实现了机械手504的横向移动、纵向移动、上下移动。机械手504包括用于夹紧硅棒的夹紧机构5041和用于带动夹紧机构5041俯仰动作的俯仰机构5042，实现了对棒料的夹紧和俯仰，具体为实现棒料的夹紧、放开，以及棒料的90°旋转。通过上下料装置实现上下料的自动化，节省了切割准备时间和人力成本，切割前后利用机械手将棒料旋转90°，使棒料在上下料时卧式摆放，适应了自动化生产线的需求。支承架501上设有用于上下料小车装置移动的导轨，并设有检测有无硅棒的至少一个传感器，传感器的安装位置与上下料小车装置502上的各硅棒6位置一一对应。本实施例中，上下料小车装置上的硅棒放置位设置为三个，检测有无硅棒的传感器也为3个。机械手行走装置503、升降装置505、夹紧机构5041、俯仰机构5042均可采用本领域技术人员熟知的传动方式。本实施例中，机械手行走装置503的横向行走装置和纵向行走装置分别由伺服电机、减速机、齿轮齿条传动传动实现水平移动动作，可实现大行程精确定位。升降装置505由伺服电机、减速机、精密滚珠丝杠传动实现升降动作。夹紧机构5041包括钳臂、安装在钳臂上的两钳爪、驱动钳爪夹紧动作的气缸。俯仰机构5042采用气缸驱动夹紧机构中的钳臂俯仰实现硅棒的90°旋转动作。硅棒6放置完成后，将上下料小车装置502推至上下料工位处，支承架501上的导轨将其导向指定位置。机械手行走装置503带动机械手504及其升降装置505沿齿条长向移动，可移动至各工位。机械手504将指定硅棒夹紧后，升降装置505提升至指定位置。机械手504将棒料旋转90°，机械手行走装置503带动移到晶线检测装置4处。对晶线完成后机械手504再将此棒料旋转90°，送至切割室进行切割。切割完成后机械手504再将开完方的棒料运送回上下料小车装置502。

晶线检测装置4，如图14所示，包括用于固定硅棒6的装夹工位401、用于带动硅棒6沿硅棒轴线旋转的硅棒旋转机构402和用于检测晶线的检测元件403。利用硅棒旋转机构402将硅棒6旋转360°，利用机械接触式检测元件403，测得四条晶线在一个截面内的位置，通过数学模型进行析计算，把硅棒旋转到均匀对齐的状态上。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种单晶硅立式单棒开方机，包括切割室、布线室、上下料装置、电气室，所述切割室包括用于切割单个硅棒的切割头，其特征在于：所述切割室还包括用于支撑硅棒下端的硅棒支撑座和用于对硅棒上端进行压紧固定的硅棒压紧机构，所述硅棒压紧机构包括压紧支架、固定在压紧支架上的伸长杆、固定在伸长杆上的用于与硅棒连接的压紧座，所述伸长杆上设有供所述切割头的线网穿过的开槽。

2.根据权利要求1所述的单晶硅立式单棒开方机，其特征在于：所述切割头包括线网安装架和安装于线网安装架上的被动切割轮组件、主动切割轮组件、换向轮组件，切割线经过主动切割轮组件、换向轮组件和被动切割轮组件走线形成井字形线网，所述切割头通过切割头驱动机构驱动实现切割头的上下往复运动。

3.根据权利要求1所述的单晶硅立式单棒开方机，其特征在于：所述压紧支架固定在第一滑块上，所述第一滑块与竖直安装的第一直线导轨滑动连接。

4.根据权利要求1所述的单晶硅立式单棒开方机，其特征在于：所述硅棒支撑座上设有用来压紧硅棒边皮的多个夹紧气缸。

5.根据权利要求1所述的单晶硅立式单棒开方机，其特征在于：所述上下料装置包括支承架、运输至少一根硅棒的上下料小车装置、安装在支承架上的机械手行走装置、及安装在机械手行走装置上的机械手和带动机械手上下运动的升降装置，所述机械手行走装置包括横向行走装置和纵向行走装置，所述机械手包括用于夹紧硅棒的夹紧机构和用于带动夹紧机构俯仰动作的俯仰机构。

6.根据权利要求5所述的单晶硅立式单棒开方机，其特征在于：所述支承架上设有检测有无硅棒的至少一个传感器，传感器的安装位置与上下料小车装置上的各硅棒位置一一对应。

7.根据权利要求1所述的单晶硅立式单棒开方机，其特征在于：所述布线室包括主体框架和安装于主体框架上的对称设置的两套布线装置，每套布线装置包括绕线总成、排线装置、张力机构。

8.根据权利要求7所述的单晶硅立式单棒开方机，其特征在于：所述绕线总成包括绕线支座、安装于绕线支座上的收放线线筒、与收放线线筒连接的收放线筒驱动机构、安装在收放线筒下方的用于制动收放线筒的制动装置；所述排线装置包括线性模组、通过排线滑座安装在线性模组滑块上的排线轮、与线性模组连接且用于驱动排线轮运动的排线轮驱动机构、用于切割线导向的小滑轮组件。

9.根据权利要求1或5所述的单晶硅立式单棒开方机，其特征在于：还包括用于检测硅棒晶线位置的晶线检测装置，所述晶线检测装置包括用于固定硅棒的装夹工位、用于带动硅棒沿硅棒轴线旋转的硅棒旋转机构和用于检测晶线的检测元件。

10.根据权利要求1所述的单晶硅立式单棒开方机，其特征在于：所述伸长杆与压紧座通过多个夹头浮动连接，夹头的一端通过弹簧与伸长杆连接，夹头的另一端与压紧座固定并穿出压紧座表面。