CN108262869B - 一种硅晶加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种硅晶加工装置，包括底座、机架、开方装夹机构、硅晶截断装夹机构和线锯切割机；所述开方装夹机构用于夹持待进行开方的籽晶棒，所述硅晶截断装夹机构用于夹持待截断的单晶硅棒或者多晶硅块，所述线锯切割机用于籽晶棒的开方以及单晶硅棒、多晶硅块截断。本发明硅晶加工装置集硅晶的开方与截断功能于一体，既能实现籽晶棒的开方，又能实现单晶硅棒和多晶硅块的截断或者切片，结构简单紧凑，降低厂家的生产使用成本，提高设备利用率。

Description

一种硅晶加工装置

技术领域

本发明涉及硬脆材料切割技术领域，尤其涉及一种硅晶加工装置。

背景技术

在光伏产业中对于硅晶的使用非常广泛。为了满足硅晶棒的质量参数和下一道工序的外形、尺寸而对硅棒进行的初步加工，它是光伏太阳能电池片前期工序中不可缺少的步骤。首先需要加工出籽晶，对籽晶进行开方加工，再通过籽晶拉制出单晶硅棒，或者浇铸出多晶硅块，然后再对单晶硅棒、多晶硅块进行截断、切片加工等，从切割工艺上来看，无论是长线金刚线还是环形金刚石线锯，对于籽晶、圆柱状单晶硅棒、立方体多晶硅块的截断工艺参数要求都差不多，因此设备的切割运行机构(切割机)并不需要进行特别设计，但是对籽晶、圆柱状单晶硅棒、立方体多晶硅块的夹持，其夹持工装有着不同工作要求。

使用现有加工技术以及设备在对硅晶棒截断过程中，硅棒通常通过人工塞垫或人力扳动卡具来固定，但由于人工方法的不确定性，不能将硅棒完全固定牢固，使得其截断的硅棒具有缺陷，经常会因为细微的位移出现“波浪面，面不平”和“崩边”的问题。此外无论是籽晶棒的开方、单晶硅棒以及多晶硅块的截断需要使用的夹持机构的要求均不相同，现有的设备大都是通过专用的硅晶加工机械，分别执行上述三种工作，使用这些功能单一的截断机或者开方机不仅使用切换复杂，而且使用成本高昂。此外，比如因为单晶硅片成本较高，在某一时间段导致单晶硅片需求量下降，那么单晶截断机久出现大量的闲置和长期待机现象，使得设备利用率低，而且闲置维护的费用也较高。

发明内容

为此，需要提供一种硅晶加工装置，来解决现有的硅晶加工装置应用功能单一，设备利用率低，生产使用成本高昂的问题。

为实现上述目的，发明人提供了一种硅晶加工装置，所述加工装置包括底座、机架、开方装夹机构、硅晶截断装夹机构和线锯切割机；

所述机架设置于底座上；

所述开方装夹机构包括旋转台、夹持件和旋转动力机构，所述旋转台位于底座上，所述夹持件固定于旋转台上，夹持件的上端面开设有凹止口，所述凹止口用于固定待开方硅晶，夹持件由止口面向下设置有纵横交错的让位通槽，所述旋转动力机构用于驱动旋转台发生转动；

所述硅晶截断装夹机构包括工作台架、滚轮支撑架、滚轮机构和限位楔块；所述工作台架可拆卸固定于底座上，工作台架位于开方装夹机构上方，所述滚轮支撑架包括工作平台以及固定于工作平台两侧的夹板，所述工作平台固定于工作台架上，所述滚轮机构包括多组滚轴以及连接于滚轴一端的滚轮，所述滚轴的另一端固定于夹板上，所述滚轮机构为两组，分别位于工作平台两侧的夹板上，所述滚轮机构中所有滚轮的外圆面均处于同一高度构成一V型斜面，所述限位楔块位于待截断硅晶与滚轮支撑架之间，用于限位夹紧待截断硅晶；

所述线锯切割机位于硅晶截断装夹机构的上方，线锯切割机经由升降机构固定在所述机架上，所述升降机构的抬升或下降带动线锯切割机对待加工硅晶进行截断或者开方。

作为本发明的一种优选结构，所述滚轮支撑架为两段式结构，两段滚轮支撑架之间留有预设间隙，所述预设间隙位于线锯切割机下降进行截断工作行走的路径上，供线锯切割机通过。

作为本发明的一种优选结构，所述限位楔块为三棱柱楔块，所述三棱柱楔块为多个，多个三棱柱楔块均匀分布抵靠于工作平台两侧的夹板上。

作为本发明的一种优选结构，所述限位楔块为四棱柱楔块，所述四棱柱楔块的截面为直角梯形，所述四棱柱楔块为多个，多个四棱柱楔块均匀分布设置在工作平台一侧。

作为本发明的一种优选结构，所述加工装置还包括移动进给机构，所述移动进给机构包括驱动机构和移动底盘，所述旋转台设置于移动底盘上，所述移动底盘下方设置有直线导轨，所述驱动机构带动移动底盘沿直线导轨进行直线往复运动。

作为本发明的一种优选结构，所述驱动机构包括伺服电机、减速机和滚珠丝杆，所述减速机与伺服电机输出轴连接，所述滚珠丝杆连接减速电机的输出端移动底盘连接，以驱动移动底盘进行直线往复运动。

作为本发明的一种优选结构，所述驱动机构还包括风琴护罩，所述风琴护罩设置于底座上，风琴护罩的一端与移动底盘的侧边连接，风琴护罩、移动度盘以及底座之间形成容置空腔，所述直线导轨与滚珠丝杆均位于容置空腔内。

作为本发明的一种优选结构，所述旋转动力机构包括旋转电机和涡轮蜗杆机构，所述旋转电机位于旋转台的侧边上，旋转电机驱动涡轮蜗杆机构转动，以带动旋转台发生转动。

作为本发明的一种优选结构，所述滚轮支撑架的工作平台以及固定于工作平台两侧的夹板上均设置有塑胶垫片。

作为本发明的一种优选结构，所述旋转动力机构直线往复装置和齿条，所述旋转台上侧壁上设置有环状齿槽，所述环状齿槽与齿条相啮合，所述直线往复装置与齿条传动连接。

作为本发明的一种优选结构，所述限位楔块和滚轮均为塑胶材质。

区别于现有技术，上述技术方案具有如下优点：本发明硅晶加工装置集硅晶的开方与截断功能于一体，既能实现籽晶棒的开方，又能实现单晶硅棒和多晶硅块的截断或者切片，结构简单紧凑，设置的硅晶截断装夹机构通过改变限位楔块的形状使其既能够对单晶硅棒也能够对多晶硅块进行稳定固定，切换简单、装夹效率高，此外硅晶截断装夹机构与底座采用可拆卸连接，能够很方便的拆卸掉硅晶截断装夹机构，使用开方装夹机构对籽晶进行开方加工，降低厂家的生产使用成本，提高设备利用率。

附图说明

图1为本实施例硅晶加工装置截断单晶硅棒的主视结构示意图；

图2为本实施例硅晶截断装夹机构夹持单晶硅棒的俯视结构示意图；

图3为本实施例硅晶加工装置截断多晶硅块的主视结构示意图；

图4为本实施例硅晶截断装夹机构夹持多晶硅块的俯视结构示意图；

图5为本实施例硅晶加工装置对籽晶棒开方的主视结构示意图；

图6为本实施例开方装夹机构夹持籽晶棒的俯视结构示意图；

图7为本实施例旋转动力机构一实施例的斜视结构示意图。

附图标记说明：

1、底座；

2、机架；

3、开方装夹机构；

31、旋转台；311、环状齿槽；

32、夹持件；321、凹止口；322、让位通槽；

33、旋转动力机构；

331、直线往复装置；332、齿条；

4、硅晶截断装夹机构；

41、工作台架；

42、滚轮支撑架；421、工作平台；422、夹板；

43、滚轮机构；

44、限位楔块；

45、间隙；

5、线锯切割机；

6、升降机构

711、伺服电机；712、减速电机；713、滚珠丝杆；714、风琴护罩；

72、移动底盘；

73、直线导轨；

8、塑胶垫片；

9、单晶硅棒；

10、多晶硅块；

11、籽晶棒。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1至图6，本发明提供了一种硅晶加工装置，所述加工装置包括底座1、机架2、开方装夹机构3、硅晶截断装夹机构4和线锯切割机5；所述机架2设置于底座1上；所述底座1以及固定于底座1上的支架作为本发明硅晶加工装置的主体结构用于承载、固定其它部件，如：开方装夹机构3、线锯切割机5等。

所述开方装夹机构3用于装载固定待进行开方的籽晶棒。其具体结构为：所述开方装夹机构3包括旋转台31、夹持件32和旋转动力机构33。所述旋转台31位于底座1上，所述夹持件32固定于旋转台31上，夹持件32的上端面开设有凹止口321，所述凹止口321用于固定待开方的籽晶棒，防止籽晶棒在切割开方过程中以及旋转台31转动过程中出现晃动或者偏移出预设位置，导致籽晶棒开方面出现波浪面或者崩边的情况发生。夹持件32由止口面向下设置有纵横交错的让位通槽322，让位通槽322的作用是线锯切割机5的安全运行，防止线锯切割机在进行线切割的过程中，切割到夹持件32上，让位通槽322便于切割线对籽晶棒进行完全切割，防止开方面未完全切断，也便于切割线的脱出，让位通槽322之间的凸台则作为籽晶棒完成开方切割后的籽晶支撑平台，防止切割过程出现位移。所述旋转动力机构33用于驱动旋转台31发生转动，籽晶棒一般需要进行多个面的开方，在不改变线锯切割机5切割运行路径的情况下，转动旋转台31以改变籽晶棒的开方面，开方工作更为简单，工作效率更高，且为适配此种开方方式，夹持件32由止口面向下设置纵横交错的让位通槽322。

所述硅晶截断装夹机构4用于装载固定单晶硅棒或者多晶硅块。其具体结构为：所述硅晶截断装夹机构4包括工作台架41、滚轮支撑架42、滚轮机构43和限位楔块44。所述工作台架41是整个硅晶截断装夹机构4的支撑架，用于承载固定滚轮支撑架42、滚轮机构43等，在本实施例中所述工作台架41可拆卸固定于底座1上，工作台架41位于开方装夹机构3上方，开方装夹机构3和硅晶截断装夹机构4采用这种上下结构设置，能够最大程度的减小整个硅晶加工装置的体积，结构设置的更加的紧凑，而且也更加方便硅晶棒截断或者开方的校刀过程，在该实施例中，在需要进行籽晶棒开方时，使用者只需拆除掉硅晶截断装夹机构4即可很方便的进行应用功能的切换。所述可拆卸连接方式包括螺栓螺母连接、榫卯连接等等。

所述滚轮支撑架42包括工作平台421以及固定于工作平台421两侧的夹板422，所述的滚轮支撑架42主要用于硅晶棒的支撑固定机构，所述工作平台421固定于工作台架41上，所述滚轮机构43包括多组滚轴以及连接于滚轴一端的滚轮，所述滚轴的另一端固定于夹板422上，具体的，所述滚轮机构43具体包括滚轮、轴承、卡环、滚轴，轴承内圈套入滚轴的一端，通过装入滚轴端部卡环槽中的卡环定位，塑料滚轮套入轴承外圈，通过装入塑滚轮端部卡环槽的卡环定位。所述夹板面上开设有轴孔定位，滚轴通过锁紧止动螺钉完成固定。所述滚轮机构43为两组，分别位于工作平台421两侧的夹板422上，所述滚轮机构43中所有滚轮的外圆面均处于同一高度构成一V型斜面，V型斜面作为硅晶棒直接的接触固定面，所述限位楔块44可抵靠于夹板422上，其位于待截断硅晶与滚轮支撑架42之间，用于限位夹紧待截断硅晶，硅晶棒在其自身重力的作用下陷入V型斜面，由V型斜面卡合限位固定，然后在待截断硅晶棒与滚轮支撑架42之间楔入限位楔块44以进一步固定待加工的硅晶棒，根据待加工硅晶棒的形状选择相适配的限位楔块44，使其非常简单的实现单晶硅棒与多晶硅块装夹的切换，防止不能将硅晶棒完全固定牢固，使得其截断的硅晶棒具有缺陷，经常会因为细微的位移出现“波浪面，面不平”和“崩边”的问题。本发明采用滚轮支撑而成V型斜面也更加方便硅晶棒的移动进给，硅晶棒的截断更加简单，实质上，使用者通过改变硅晶棒的进给量也可以实现硅晶棒的切片功能。

所述线锯切割机5位于硅晶截断装夹机构4的上方，线锯切割机5经由升降机构6固定在所述机架上2，所述升降机构6的抬升或下降带动线锯切割机5对待加工硅晶进行截断或者开方。所述线锯切割机5作为本发明硅晶加工装置的切割机构，主要通过切割线的转动完成硅晶棒的截断、切片乃至开方工作。所述升降机构6可以为直线电机、气缸等。，线锯切割机5为环形线锯切割机，本发明硅晶加工装置集硅晶的开方与截断功能于一体，既能实现籽晶棒的开方，又能实现单晶硅棒和多晶硅块的截断或者切片，结构简单紧凑，设置的硅晶截断装夹机构通过改变限位楔块的形状使其既能够对单晶硅棒也能够对多晶硅块进行稳定固定，切换简单、装夹效率高，此外硅晶截断装夹机构与底座采用可拆卸连接，能够很方便的拆卸掉硅晶截断装夹机构，使用开方装夹机构对籽晶进行开方加工，降低厂家的生产使用成本，提高设备利用率。

请参阅图2，作为本发明的一种优选结构，所述滚轮支撑架42为两段式结构，两段滚轮支撑架42之间留有预设间隙，所述预设间隙位于线锯切割机5下降进行截断工作行走的路径上，供线锯切割机5通过。将滚轮支撑架42设置成此种结构，更加方便线锯切割机5对完全截断并提高截断效率，若滚轮支架为一段式结构那么便不好把握待截断硅晶棒是否完全截断，而且在截断过程中还不能切割到滚轮支撑架42的工作平台421上，精确度较难把握，若采用精确控制机构严格控制线锯切割机5的下降高度，实现精确化控制无疑增加了本发明的制造成本。

请参阅图1和图2，。单晶硅棒大都为圆柱状，三棱柱楔块的楔入不会改变滚轮支撑架42与滚轮机构43形成的V形斜面。单晶硅棒从V形斜面的上开口放置后，单晶硅棒的外圆面与V形斜面相切，从而限制了单晶硅棒的自由度，完成了单晶硅棒的定位。优选的，所述三棱柱楔块的斜面朝向单晶硅棒，最优的，所述三棱柱楔块为直三棱柱。其中滚轮的长度实质上就是硅晶棒的支撑面的长度，只要保证足够的滚轮长度，就可以装夹从6英寸到18英寸等多种规格的单晶硅棒。线锯切割机5在对单晶硅棒进行对刀位置确定完成后，在单晶硅棒和滚轮支撑架42之间楔入若干个三棱柱楔块进一步固定单晶硅棒，在单晶硅棒自重产生的摩擦力以及三棱柱楔块楔入力的作用下完成夹紧工作。

如图3和图4所示的实施例中，在该实施例中滚轮支撑架42两侧的夹板422之间增设，使得V形斜面的其中一个夹面由斜面变成平面，从而可以固定截面为矩形的多晶硅块，实现了单晶硅棒与多晶硅块的装夹切换，而且形状简单，生产成本低，容易实现。线锯切割机5在对多晶硅块进行对刀位置确定完成后，在多晶硅块和滚轮支撑架42之间楔入若干个，在楔紧力以及多晶硅块自身重力的作用下完成夹紧工作。

请参阅图6，作为本发明的一种优选结构，所述加工装置还包括移动进给机构，所述移动进给机构包括驱动机构和移动底盘72，所述旋转台31设置于移动底盘72上，所述移动底盘72下方设置有直线导轨73，所述驱动机构带动移动底盘72沿直线导轨73进行直线往复运动。所述移动进给装置用于在旋转台31上固定装载籽晶棒后，将其移动到预设位置，使用线锯切割机5进行开方工作。所述驱动机构驱动移动底盘72沿所述直线导轨73移动，实现直线往复运动，进而进行籽晶棒的安装与更换。

如图5和图6所述的，在具体的实施例中，所述驱动机构包括伺服电机711、减速机和滚珠丝杆713，所述减速机与伺服电机711输出轴连接，所述滚珠丝杆713连接减速电机712的输出端移动底盘72连接，以驱动移动底盘72进行直线往复运动。滚珠丝杆713是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。在本实施例中伺服电机711的高转速在经过减速机的减速后，通过滚珠丝杆713将减速电机712输出端的旋转运动转化为直线运动，以驱动移动底盘72进行直线往复运动，进而带动旋转台31做直线运动，更加方便籽晶棒的拆装。在其他的实施例中，所述的驱动机构还可以为气缸、液压缸或者直线电机。

请参阅图6，作为本发明的一种优选实施例，所述驱动机构还包括风琴护罩714，所述风琴护罩714设置于底座1上，风琴护罩714的一端与移动底盘的侧边连接，风琴护罩714、移动底盘以及底座1之间形成容置空腔，所述直线导轨73与滚珠丝杆713均位于容置空腔内。风琴护罩714的设置起到防尘、防水的保护作用。

如图5和图6所述的实施例中，所述旋转动力机构33包括旋转电机和涡轮蜗杆机构，所述旋转电机位于旋转台31的侧边上，旋转电机驱动涡轮蜗杆机构转动，以带动旋转台31发生转动。蜗轮蜗杆机构常用来传递两交错轴之间的运动和动力。蜗轮与蜗杆在其中间平面内相当于齿轮与齿条，蜗杆又与螺杆形状相似。旋转电机驱动蜗杆转动，蜗杆带动与其啮合的涡轮做旋转运动，进而带动旋转台31发生旋转运动，优选的，旋转台31每次旋转的角度为90°。当然，其他驱动机构只要能够驱使旋转台31做旋转运动均可。

请参阅图7，作为本发明的另一种优选结构，所述旋转动力机构直线往复装置331和齿条332，所述旋转台上侧壁上设置有环状齿槽311，所述环状齿槽311与齿条332相啮合，所述直线往复装置与齿条传动连接。在本实施例中，所述直线往复装置331可以为气缸、液压缸或者直线电机，直线往复装置的伸缩活塞杆与齿条的一端固定连接，伸缩活塞杆运动带动所述齿条332进行直线运动，然后经由与旋转台上与齿条相啮合的环状齿槽传动，将齿条的直线运动转化为旋转台31的旋转运动，以实现旋转台绕其中部的枢转轴做旋转运动。优选的实施例中，所述的旋转动力机构设置于移动进给机构的移动底盘的上方，使得旋转力机构随同移动进给机构运动。

如图1至图6所示，作为本发明的另一种优选的实施例，所述滚轮支撑架42的工作平台421以及固定于工作平台421两侧的夹板422上均设置有塑胶垫片。所述塑胶垫片8的作用在于防止滚轮支撑件对硅晶材料造成的的品质造成影响，因为硅晶和铁质材料直接接触，铁质材料极有可能带有含有导磁性物质，导致硅片磁场边缘效应的复杂化，从而影响电池的品质，而且还能够防止硅晶材料表面被刮花。进一步的，工作平台421上设置的塑胶垫片8各区域具有同一水平高度。优选的，所述限位楔块44和滚轮均为塑胶材质。以上部件均设置为塑胶材质，也能够省去在硅晶棒与各夹持机构之间加装水晶垫的操作，制造更加的简单。

需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硅晶加工装置，其特征在于，所述加工装置包括底座、机架、开方装夹机构、硅晶截断装夹机构和线锯切割机；

所述机架设置于底座上；

所述开方装夹机构包括旋转台、夹持件和旋转动力机构，所述旋转台位于底座上，所述夹持件固定于旋转台上，夹持件的上端面开设有凹止口，所述凹止口用于固定待开方硅晶，夹持件由止口面向下设置有纵横交错的让位通槽，所述旋转动力机构用于驱动旋转台发生转动；

所述硅晶截断装夹机构包括工作台架、滚轮支撑架、滚轮机构和限位楔块；所述工作台架可拆卸固定于底座上，工作台架位于开方装夹机构上方，所述滚轮支撑架包括工作平台以及固定于工作平台两侧的夹板，所述工作平台固定于工作台架上，所述滚轮机构包括多组滚轴以及连接于滚轴一端的滚轮，所述滚轴的另一端固定于夹板上，所述滚轮机构为两组，分别位于工作平台两侧的夹板上，所述滚轮机构中所有滚轮的外圆面均处于同一高度构成一V型斜面，所述限位楔块位于待截断硅晶与滚轮支撑架之间，用于夹紧待截断硅晶；

所述线锯切割机位于硅晶截断装夹机构的上方，线锯切割机经由升降机构固定在所述机架上，所述升降机构的抬升或下降带动线锯切割机对待加工硅晶进行截断或者开方。

2.根据权利要求1所述的硅晶加工装置，其特征在于，所述滚轮支撑架为两段式结构，两段滚轮支撑架之间留有预设间隙，所述预设间隙位于线锯切割机下降进行截断工作行走的路径上，供线锯切割机通过。

3.根据权利要求2所述的硅晶加工装置，其特征在于，所述限位楔块为三棱柱楔块，所述三棱柱楔块为多个，多个三棱柱楔块均匀分布抵靠于工作平台两侧的夹板上。

4.根据权利要求2所述的硅晶加工装置，其特征在于，所述限位楔块为四棱柱楔块，所述四棱柱楔块的截面为直角梯形，所述四棱柱楔块为多个，多个四棱柱楔块均匀分布设置在工作平台一侧。

5.根据权利要求1所述的硅晶加工装置，其特征在于，所述加工装置还包括移动进给机构，所述移动进给机构包括驱动机构和移动底盘，所述旋转台设置于移动底盘上，所述移动底盘下方设置有直线导轨，所述驱动机构带动移动底盘沿直线导轨进行直线往复运动。

6.根据权利要求5所述的硅晶加工装置，其特征在于，所述驱动机构包括伺服电机、减速机和滚珠丝杆，所述减速机与伺服电机输出轴连接，所述滚珠丝杆连接减速电机的输出端移动底盘连接，以驱动移动底盘进行直线往复运动。

7.根据权利要求6所述的硅晶加工装置，其特征在于，所述驱动机构还包括风琴护罩，所述风琴护罩设置于底座上，风琴护罩的一端与移动底盘的侧边连接，风琴护罩、移动底盘以及底座之间形成容置空腔，所述直线导轨与滚珠丝杆均位于容置空腔内。

8.根据权利要求1所述的硅晶加工装置，其特征在于，所述旋转动力机构包括旋转电机和涡轮蜗杆机构，所述旋转电机位于旋转台的侧边上，旋转电机驱动涡轮蜗杆机构转动，以带动旋转台发生转动。

9.根据权利要求1所述的硅晶加工装置，其特征在于，所述旋转动力机构包括直线往复装置和齿条，所述旋转台上侧壁上设置有环状齿槽，所述环状齿槽与齿条相啮合，所述直线往复装置与齿条传动连接。

10.根据权利要求1所述的硅晶加工装置，其特征在于，所述滚轮支撑架的工作平台以及固定于工作平台两侧的夹板上均设置有塑胶垫片。