CN110026826A - 一种全自动单晶硅棒切磨复合加工一体设备及其使用方法 - Google Patents

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CN110026826A CN201811166187.7A CN201811166187A CN110026826A CN 110026826 A CN110026826 A CN 110026826A CN 201811166187 A CN201811166187 A CN 201811166187A CN 110026826 A CN110026826 A CN 110026826A
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曹建伟
傅林坚
沈文杰
谢龙辉
卢嘉彬
周建灿
张晟明
陈德洋
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Zhejiang Jingsheng Mechanical and Electrical Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种全自动单晶硅棒切方磨削复合加工一体设备及其使用方法,本发明提供了一种全自动单晶硅棒切方磨削一体加工的设备,把圆棒通过切方、边角磨削和平面磨削一体加工成方棒,能够有效解决现有技术中的问题,在提高硅棒加工的效率、降低硅棒加工的成本、提升晶棒尺寸精度的同时又能减少设备的种类和数量,节省厂房面积,节约人力和物流成本。本申请可以使得切方组件和磨削组件相互独立工作互相不干涉,提高加工效率;此外,切方磨削动力头采用对称布局,同时进行双面加工,成倍提高加工效率。

Description

一种全自动单晶硅棒切磨复合加工一体设备及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种全自动单晶硅棒切方磨削复合加工一体设备及其使用方法,适用于高效率高质量低成本地完成单晶硅棒切方和磨削的自动加工,属于单晶硅棒的加工领域。
背景技术
硅单晶材料是最重要的光伏发电原材料,近年来随着光伏行业突飞猛进地扩张,硅单晶的产能持续增加。制备硅单晶的常用方法包括直拉法、区熔法等方法,采用此类方法制备的单晶硅均成圆柱型的晶棒。制备出来的整根单晶硅棒,首先需要进行截断工序,将过长的晶棒切断成一定长度方便加工的小段晶棒;接着,硅棒还需进行切方工序,将圆柱型晶棒切成方型且带有部分圆弧的方棒;方棒加工完成后,还需进一步对圆弧和方型表面进行磨削加工,生产出具有一定尺寸精度和表面粗糙度的硅棒;最后,再将加工好的硅棒送入专门的线切片机,加工出可用于电池片生产的硅片。
目前,国内外针对硅棒的切方、边角磨削和平面磨削的加工过程通常是单独的三道工序,需在三种不同的设备流转完成整个加工过程。实际操作时,通常先采用线开方机对25根单晶硅棒同时进行开方操作后,再将开方后的硅棒单独由外圆磨床进行圆角磨削,最后再送入平面磨床进行表面磨削、抛光。这样整个过程就需要三种不同功能的加工设备,硅棒需要频繁地在设备间进行人工搬运及加工前的装夹和定位操作。硅棒的搬运、夹装,即带来了定位误差又增加了物流的工作,而且三种设备的加工精度都会影响加工过程。通常操作时为保证磨削时具备足够的加工余量,在切方时设置较大正向尺寸偏差,这样既浪费硅棒材料又增加了磨削加工的工作量,使得整个加工过程效率低、耗时长。
发明内容
针对目前单体设备加工存在的诸多问题,本发明提供了一种全自动单晶硅棒切方磨削一体加工的设备,把圆棒(硅棒为圆柱形)通过切方、边角磨削和平面磨削一体加工成方棒)能够有效解决现有技术中的问题,在提高硅棒加工的效率、降低硅棒加工的成本、提升晶棒尺寸精度的同时又能减少设备的种类和数量,节省厂房面积,节约人力和物流成本。
本发明所采用的技术方案是:
一种全自动单晶硅棒切磨复合加工一体设备,包括底架,安装在底架上的机械手组件、切方工作台、磨削工作台,切方工作台和磨削工作台相互独立,可以同时进行单晶硅棒的切方和磨削复合加工;机械手组件包括专用于切方工作台和磨削工作台上晶棒的上料、中转及下料操作的部分。
还包括上下料储料台、晶向检测单元、机械手组件、切方进刀组件、排线机构、边皮取料机构、前后粗磨动力头、前后精磨动力头、尺寸检测单元、阀箱、控制柜;
所述的切方进刀组件,包括切方龙门架、晶棒顶紧组件、切割导轮进刀组件、换向导轮组件,晶棒顶紧组件和切割导轮进刀组件分别上下安装在龙门架上的导轨滑块上,在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下能上下移动;
所述的切方工作台包括气缸、浮动头、边皮托架和万向夹头波纹管,切方工作台安装于大底架上,与切方进刀组件上的晶棒顶紧组件保持0.025的同心度;
所述粗精磨动力头安装于底架的滑台上,包括变频电机、支撑框架、砂轮安装座和杯型砂轮,磨削动力头安装于底架的滑台上,该滑台由竖直方向的直线导轨、滚珠丝杆、伺服电机以及水平方向上的直线导轨、滚珠丝杆、伺服电机等支撑及驱动;
所述的机械手组件包括由伺服电机和滚珠丝杆驱动的水平进给组件、由伺服电机和滚珠丝杆驱动的竖直进给组件、由伺服电机和行星减速机驱动的旋转组件、机械气爪;
所属的上下料储料台包括上料储料台和下料储料台,它们都由储料台面、晶棒长度检测气缸、翻转气缸和连杆机构组成,储料台面在气缸和连杆的作用下能实现90°旋转;
所述的排线机构包括收放线轮组件、排线单元、中主轴和张力臂组件、排线大背板,收放线轮组件由伺服电机驱动,实现旋转运动,排线单元上的排线导轮组件由伺服电机和滚珠丝杆驱动,能实现上下移动;
所述的晶向检测单元包括中转工作台、晶向检测上底座、晶向检测下底座、晶棒棱检测组件、伺服电机、同步带轮、直线运动单元,晶向检测上底座在伺服电机和直线运动单元的驱动下能实现上下移动,晶向检测下底座在伺服电机和同步带轮的驱动下能实现旋转运动;
所述的边皮取料机构包括电机、晶棒夹持机构、真空吸盘、无杆气缸;所述的尺寸检测单元包括接触传感器、直线运动单元、伺服电机。
所述的阀箱和控制柜是指安装于底架上,将上述所有气路元件和电气元件安装在内的密闭钣金件,阀箱和电控柜还配备有吸气管道。
切方进刀组件上的切割导轮上安装的是金刚线,金刚线上镶嵌有金刚石颗粒。
粗精磨动力头上安装的是杯型砂轮,粗磨砂轮的颗粒度为300目,精磨砂轮的目数为600目。
磨削动力头两侧安装有高精度的对刀传感器,在磨削加工之前需进行对刀操作。
还包括边皮取料机构,切方完成后,边皮取料机构通过真空吸盘将边皮取下,并放到边皮收集箱内。
上下料侧边配备有晶向检测单元,通过晶棒棱检测传感器进行接触检测确定晶棒棱线的位置。
磨削动力头侧配备有两个自动测量半径的单元,通过高精度的接触传感器测量晶棒尺寸。
另外,本申请还提供了全自动单晶硅棒切磨复合加工一体设备的使用方法,包括如下步骤:首先,通过机械手组件将晶棒快速搬运到切方平台进行切割,完成切方加工;然后机械手组件使晶棒从竖直状态变成水平状态,并以平面定位来完成晶棒从切方工作台转移到磨削工作台;最后,磨削工作台对晶棒进行外圆磨、平面粗、精磨。
优选的,具体的包括如下步骤:
1)将直径为6寸~8寸的单晶晶棒20,截断后得到长度为200mm~800mm的圆棒,放置于上下料储料台10中的上料台上,并用酒精对晶棒20表面进行擦拭保证表面洁净;
2)储料台10上的测量气缸测量晶棒的长度,并在气缸的作用一下,晶棒翻转90°;
3)机械手组件8快速回归至零点位置,即晶棒20在储料台翻转90°情况下的位置,机械气爪14在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下水平移动到晶棒20中心,机械气爪14工作,夹紧晶棒20,并将晶棒20搬送到晶向检测单元2;
4)晶向检测单元2上的晶向检测上底座在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下压紧晶棒20,同时晶向检测单元2上的浮动头具有自动调心功能,能保证晶棒20的正确位姿,晶向检测下底座在伺服电机和同步带轮的驱动下,带动晶棒20一起旋转,在晶棒20旋转时晶棒棱检测组件上的探头接触到晶棒表面,通过对晶棒20表面直径的检测确定晶棱的位置,并测量出晶棒20的直径;
5)机械手组件8快速水平移至晶向检测单元2处;机械气爪14再以快速水平移动至晶棒20中心处,并夹紧晶棒20;机械手组件8快速将晶棒20搬运到切方工作台3的晶棒托盘18的中心处;
6)晶棒顶紧组件17在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下沿龙门架15上的导轨向下运动,顶紧晶棒20,晶棒顶紧组件17上的浮动头晶棒托盘18均具有自动调心功能,对于面斜的晶棒能矫正晶棒的位姿,使晶棒20始终保持垂直状态,同时晶棒顶紧组件17上的四个边皮顶紧气缸工作,顶紧晶棒20的4块边皮;
7)切割导轮进刀组件16在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下对晶棒20进行切割,排线机构5中的中主轴和张力臂通过控制程序准确地控制金刚线的切割速度和张力,保证晶棒切割的速度,伺服电机控制切割导轮的进刀速度保持在20mm/min。
8)完成晶棒20的切方,金刚线进入晶棒托盘18的槽口中,切方工作台3中的边皮托盘在气缸的驱动下打开,将边皮掰开,切割导轮进刀组件16在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下上移,金刚线退刀,回到初始位置;
9)边皮取料机构9开始工作,夹持机构在无杆气缸的驱动下运动到晶棒20中心位置,夹持手爪在气缸驱动下夹紧4块边皮,真空吸盘工作,吸住边皮,边皮取料机构9回到初始位置,将4块边皮放到边皮收集箱内;
10)完成切方加工,机械手组件8快速水平移动到切方进刀组件4的中心处,机械气爪14再以快速水平移动至晶棒20中心处,机械气爪14夹紧晶棒20,并将切方完成的晶棒从晶棒托盘18取下,机械气爪14在伺服电机和行星减速器驱动下旋转90°,使晶棒20从竖直状态变成水平状态,并以平面定位来完成晶棒20从切方工作台3转移到磨削工作台6的工作;
11)准备开始对晶棒20进行磨前姿态检测,将磨削工作台6移动至磨削测量传感器对刀位置;磨削测量传感器由伺服电机驱动,触碰磨削测量基准块22后退回,获得磨削测量传感器的中心距离;再将磨削工作台6快速移动至晶棒20一端对晶棒20外圆拾取棱线上1个点,再快速移动到晶棒20另一端再拾取1个点,晶棒转90°又拾取1个点,如此拾取晶棒棱线上8个点,数据自动输入PLC控制系统进行计算,得出晶棒20的最高位置;
12)先将晶棒20旋转45°,再将磨削工作台6快速移动至晶棒20一端平面上拾取1个点,再快速移动到晶棒20另一端再拾取1个点,晶棒转90°又拾取1个点,如此拾取晶棒平面上8个点,数据自动输入PLC控制系统进行计算,得出晶棒20的中心位置;
13)磨削工作台6快速移动至磨削对刀传感器21处,前后粗磨动力头11由伺服电机驱动向内移动粗磨砂轮,触碰磨削对刀传感器21后退回,磨削工作台6快速移出粗磨砂轮的磨削安全位置;根据计算得出的晶棒20外圆最高和中心位置,自动对前后粗磨削动力头11向内移动相应距离,直至两粗磨砂轮的间距符合加工要求;
14)进入磨削工作状态,首先进行外圆粗磨和外圆精磨,外圆磨时前后粗、精磨动力头11,12的砂轮位置处于一高一低状态,砂轮工作,旋转速度达到3000r/min,磨削工作台6在伺服电机的驱动下带动晶棒旋转,同时在伺服电机和滚珠丝杠的驱动下晶棒20来回移动,完成外圆粗磨和精磨的工作。
15)完成外圆粗磨和精磨以后,晶棒旋转45°,此时、前后粗、精磨动力头11,12的砂轮回到同一水平位置,砂轮工作,旋转速度达到3000r/min,晶棒20在伺服电机和滚珠丝杠的驱动下来回移动,完成对晶棒20的平面粗、精磨。
16)完成晶棒20的外圆磨和平面磨以后,对晶棒进行清洗,并对磨后的晶棒20尺寸进行检测,完成后,机械手组件8快速(速度4000~5000mm/min)水平移至磨削工作台位置,机械气爪14夹紧磨削完成的晶棒20,将其搬运到上下料储料台10中的下料台上。
本申请设计一种全自动单晶硅棒切方磨削一体加工的设备,包括底架、上下料储料台、晶向检测单元、机械手组件、切方进刀组件、切方工作台、排线机构、边皮取料机构、粗磨动力头、精磨动力头、尺寸检测单元、阀箱、控制柜。
该设备切方工作和磨削工作零件均安装于大底架上,磨削零件(前、后粗磨动力头和前、后精磨动力头)对称布置于大底架上。设备的切方区域(切方进刀组件所在区域)和磨削区域(磨削工作头所在区域)中间安装有上下料储料台,上料储料台和下料储料台在结构上相同,储料台的结构形状也被设计成可以安放圆棒和方棒两种形式,上面设有整排的滑轮下面设有可以测量晶棒长度的特殊气缸,同时储料台还安装有气缸和连杆机构,在气缸的驱动下,储料台能将晶棒90°翻转。
上下料储料台的一侧安装有晶向检测单元,晶向检测单元由中转工作台、晶向检测上底座、晶向检测下底座、晶棒棱检测组件、伺服电机、同步带轮、直线运动单元,晶棒在放到晶向检测单元时,晶向检测上底座在伺服电机和直线运动单元的驱动下能移动,从而压紧晶棒,晶向检测下底座在伺服电机和同步带轮的驱动下使晶棒能做旋转运动,在晶棒旋转时,晶棒棱检测组件接触晶棒表面确定晶棱的位置。
机械手组件安装在大底架另一侧的导轨滑块上,整个机械手组件在伺服电机和齿轮齿条的驱动下,能在导轨上来回移动,在切方区域和磨削区域之间搬运晶棒;此外,机械手组件包括由伺服电机和滚珠丝杆驱动的水平进给组件、由伺服电机和滚珠丝杆驱动的竖直进给组件、由伺服电机和行星减速机驱动的旋转组件和机械气爪,气爪的定位精度达0.005mm,保证了晶棒搬运过程中的位置精度。
上下料储料台的另一侧安装有切方进刀组件由切方龙门架、晶棒顶紧组件、切割导轮进刀组件、换向导轮组件组成,晶棒顶紧组件和切割导轮进刀组件分别上下安装在龙门架上的导轨滑块上,在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下能上下移动,晶棒被放到切方工作台后,晶棒顶紧组件下移,顶紧晶棒,与晶棒接触的浮动头能自动调心,从而保证了晶棒的正确姿态;切割导轮进刀组件主要由8个切割导轮和3个换向导轮组成,相对的4个切割导轮一组分两层布置,上下距离为30mm,保证了绕在导轮上的金刚线不发生干涉,金刚线开方时的布线方式呈井字形,进刀一次完成对一根晶棒的一次切方。
晶棒顶紧组件的正下方安装有切方工作台,切方工作台由气缸、浮动头、边皮托架和万向夹头波纹管组成,切方浮动头和晶棒顶紧组件上的浮动头保持0.025的同心度;晶棒完成切方时,边皮托架在气缸的驱动下能自动打开,边皮随托架被掰开,金刚线能顺利退刀。
切方进刀组件的一侧安装有排线大背板,排线单元、中主轴和张力臂组件安装在排线大背板上,收放线轮组件直接安装在大底架上,中主轴在电机的驱动下能拖动金刚线,使金刚线能高速运动的情况下收放线轮能顺利收放金刚线,张力臂采用气缸驱动的方式,能准确控制金刚线的张力,排线单元上的排线导轮在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下能上下移动,将金刚线均匀地绕在收放线轮的线筒上,收放线轮在伺服电机的驱动下旋转,起到收放金刚线的作用。
切方工作台下部安装有边皮取料机构,用于将切割下的单晶硅边料通过真空吸盘的吸附送到边皮收集箱内,边皮取料机构由电机、晶棒夹持机构、真空吸盘、无杆气缸组成,晶棒切方完成后,晶棒夹持机构在无杆气缸的驱动下运动到晶棒位置,边皮夹持机构夹紧晶棒,真空吸盘吸住边皮,将边皮取下,整个机构在电机的驱动下运动,将边皮放到边皮收集箱内。
设备右侧包括有两个连接粗磨砂轮的粗磨动力头,粗磨砂轮周围布有软性喷水装置,可以调节喷水位置和喷水大小,动力头腔体内通有0.1‐0.3Mpa的正压气体用于零部间的防尘防水等问题,粗磨动力头由丝杆螺母结构驱动实现水平和竖直方向的进给。
粗磨动力头右侧还安装有两个连接精磨砂轮的精磨动力头,精磨砂轮周围也布有软性喷水装置,可以调节喷水位置和喷水大小,动力头腔体内通有0.1‐0.3Mpa的正压气体用于零部间的防尘防水等问题,精磨动力头同样由丝杆螺母驱动实现水平和竖直方向的进给。
机架中间设有两根大丝杆,丝杆两侧分别平行分布两条导轨,导轨上设有磨削工作台,在规定范围内通过大丝杆驱动丝杆螺母进行左右移动。导轨上方有柔性护罩罩住,可以随着两工作台的移动自由伸缩。切方工作台和磨削工作台从结构上看一模一样,工作台上方设两平行的小导轨,导轨的上方设有可以左右移动的尾座和固定不动的头座,尾座的移动通过头座下面设的气缸进行驱动,晶棒夹紧时,气缸缩回;晶棒松开时,气缸伸出;头座两侧设有对刀传感器和基准块,用于晶棒加工前作为测量基准,为使对刀传感器和基准块能保持表面清洁,在其旁边设有水气两用喷水装置。头座和尾座的回转中心位于同一高度,晶棒夹紧时,以头座为主动件,尾座为从动件,并通过气动或液压实现任意角度的控制。
在磨削动力头的安装座一侧分别设有尺寸检测单元,其接触传感器的触头上方设清洁用的喷水装置和通入腔内的防尘用吹气装置(气压0.1‐03Mpa)。尺寸检测单元通过直线运动单元和高精度的接触传感器检测晶棒的尺寸参数,用于晶棒磨削前的最高位置和通过平面上的取点系统算出晶棒中心位,从而判断晶棒夹紧的平行度。
整个设备的所有部件均置于一个整体的钣金罩壳内,可有效将切磨削产生的粉尘和冷却用水气隔离在外罩内,使设备外围整洁干净。为了维修方便,外罩在六个动力头处都开有门窗,其中机械手处中间移门通过气缸驱动可以实现自动开关。外罩顶部设有通风管道,出口与车间吸尘管道连接,可以吸走部分粉尘和水气。外罩内部设有加工和维修时用的防水灯具和晶棒清洗用的喷水装置。
钣金罩壳后方分别设有阀箱,电器控制箱。阀箱内集中了所有水路气路的控制和测量器件。
另外本发明还提供了一种全自动单晶硅棒切磨复合加工一体设备的使用方法,具体的包括如下步骤:
1)将直径为6寸~8寸的单晶晶棒,截断后得到长度为200mm~800mm的圆棒,放置于上下料储料台10中的上料台上,并用酒精对晶棒表面进行擦拭保证表面洁净;
2)储料台上的测量气缸测量晶棒的长度,并在气缸的作用一下,晶棒翻转90°;
3)机械手组件快速回归至零点位置,即晶棒在储料台翻转90°情况下的位置,机械气爪在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下水平移动到晶棒中心,机械气爪工作,夹紧晶棒,并将晶棒搬送到晶向检测单元;
4)晶向检测单元上的晶向检测上底座在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下压紧晶棒,同时晶向检测单元上的浮动头具有自动调心功能,能保证晶棒的正确位姿,晶向检测下底座在伺服电机和同步带轮的驱动下,带动晶棒一起旋转,在晶棒旋转时晶棒棱检测组件上的探头接触到晶棒表面,通过对晶棒表面直径的检测确定晶棱的位置,并测量出晶棒的直径;
5)机械手组件快速水平移至晶向检测单元处;机械气爪再以快速水平移动至晶棒中心处,并夹紧晶棒;机械手组件快速将晶棒搬运到切方工作台的晶棒托盘的中心处;
6)晶棒顶紧组件在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下沿龙门架上的导轨向下运动,顶紧晶棒,晶棒顶紧组件上的浮动头晶棒托盘均具有自动调心功能,对于面斜的晶棒能矫正晶棒的位姿,使晶棒始终保持垂直状态,同时晶棒顶紧组件上的四个边皮顶紧气缸工作,顶紧晶棒的4块边皮;
7)切割导轮进刀组件在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下对晶棒进行切割,排线机构中的中主轴和张力臂通过控制程序准确地控制金刚线的切割速度和张力,保证晶棒切割的速度,伺服电机控制切割导轮的进刀速度保持在20mm/min。
8)完成晶棒的切方,金刚线进入晶棒托盘的槽口中,切方工作台中的边皮托盘在气缸的驱动下打开,将边皮掰开,切割导轮进刀组件在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下上移,金刚线退刀,回到初始位置;
9)边皮取料机构开始工作,夹持机构在无杆气缸的驱动下运动到晶棒中心位置,夹持手爪在气缸驱动下夹紧4块边皮,真空吸盘工作,吸住边皮,边皮取料机构回到初始位置,将4块边皮放到边皮收集箱内;
10)完成切方加工,机械手组件快速水平移动到切方进刀组件的中心处,机械气爪再以快速水平移动至晶棒中心处,机械气爪夹紧晶棒,并将切方完成的晶棒从晶棒托盘取下,机械气爪在伺服电机和行星减速器驱动下旋转90°,使晶棒从竖直状态变成水平状态,并以平面定位来完成晶棒从切方工作台转移到磨削工作台的工作;
11)准备开始对晶棒进行磨前姿态检测,将磨削工作台移动至磨削测量传感器对刀位置;磨削测量传感器由伺服电机驱动,触碰磨削测量基准块后退回,获得磨削测量传感器的中心距离;再将磨削工作台快速移动至晶棒一端对晶棒外圆拾取棱线上1个点,再快速移动到晶棒另一端再拾取1个点,晶棒转90°又拾取1个点,如此拾取晶棒棱线上8个点,数据自动输入PLC控制系统(计算机)进行计算,得出晶棒的最高位置;
12)先将晶棒20旋转45°,再将磨削工作台6快速移动至晶棒20一端平面上拾取1个点,再快速移动到晶棒20另一端再拾取1个点,晶棒转90°又拾取1个点,如此拾取晶棒平面上8个点,数据自动输入PLC控制系统进行计算,得出晶棒20的中心位置;
13)磨削工作台6快速移动至磨削对刀传感器21处,前后粗磨动力头11由伺服电机驱动向内移动粗磨砂轮,触碰磨削对刀传感器21后退回,磨削工作台6快速移出粗磨砂轮的磨削安全位置;根据计算得出的晶棒20外圆最高和中心位置,自动对前后粗磨削动力头11向内移动相应距离,直至两粗磨砂轮的间距符合加工要求;
14)进入磨削工作状态,首先进行外圆粗磨和外圆精磨,外圆磨时前后粗、精磨动力头11,12的砂轮位置处于一高一低状态,砂轮工作,旋转速度达到3000r/min,磨削工作台6在伺服电机的驱动下带动晶棒旋转,同时在伺服电机和滚珠丝杠的驱动下晶棒20来回移动,完成外圆粗磨和精磨的工作。
15)完成外圆粗磨和精磨以后,晶棒旋转45°,此时、前后粗、精磨动力头11,12的砂轮回到同一水平位置,砂轮工作,旋转速度达到3000r/min,晶棒20在伺服电机和滚珠丝杠的驱动下来回移动,完成对晶棒20的平面粗、精磨。
16)完成晶棒20的外圆磨和平面磨以后,对晶棒进行清洗,并对磨后的晶棒20尺寸进行检测,完成后,机械手组件8快速(速度4000~5000mm/min)水平移至磨削工作台位置,机械气爪14夹紧磨削完成的晶棒20,将其搬运到上下料储料台10中的下料台上。
本发明的有益效果在于:
1.晶棒的切方磨削加工在一台设备中全自动进行(上料至储料台后就无需人为干涉,其过程的晶棒翻转和晶棒移动都由设备中的专门的组件完成),无需在不同设备间转运,可有效缩短晶棒流转的流程;同时,切方磨削工作相互独立,可同时进行加工,节约加工耗时(晶棒在完成切方工序后由机械气爪14移动到磨削组件处进行磨削加工,同时空置的切方组件可以给下一个晶棒做切方加工。这样就可以使得切方组件和磨削组件相互独立工作互相不干涉,提高加工效率);此外,切方磨削动力头采用对称布局,同时进行双面加工,成倍提高加工效率。
2.晶棒上下料及中转搬运均由机械手自动完成,即有效减少了人工操作,又能充分保证装夹的一致精度,可合理配置各加工工序的加工余量,减少加工工作量。
3.晶棒加工动力头的水平竖直进给,工作台的移动等均由伺服电机驱动,并由高精度的滚珠丝杆传动,可保证足够的加工精度,同时大底架、动力头安装座均采用高刚度的部件,能保证设备长久及稳定的高精度运行。
4.设备加工时除消耗水、电、气外,加工辅料仅为盘铣刀及砂轮,相比单体加工设备无需砂浆、钢线等,不产生有机物排放,废弃物也更少。
5.设备生产过程中,密闭的罩壳即可将硅粉通过吸气管道排出,又将加工产生的噪音显著降低,有效减少了生产加工对车间环境的影响。
附图说明
图1为本发明专利的主视图
图2为本发明专利的俯视图
图3为本发明专利的机械手组件示意图
图4为本发明专利的切方组件示意图
图5为本发明专利的磨削工作台示意图
图6为本发明专利的加工工艺流程
附图标记:1大底架,2晶向检测单元,3切方工作台,4切方进刀组件,5排线机构,6磨削工作台,7控制柜,8机械手组件,9边皮取料机构,10上下料储料台,11前、后粗磨动力头,12前、后精磨动力头,13尺寸检测单元,14机械气爪,15龙门架,16切割导轮进刀组件,17晶棒顶紧组件,18晶棒托盘,19磨削工作台尾座,20晶棒,21磨削对刀传感器,22磨削测量基准块,23磨削工作台气缸,24磨削工作台头座
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明
一种全自动单晶硅棒切磨复合加工一体设备,还包括上下料储料台、晶向检测单元、机械手组件、切方进刀组件、排线机构、边皮取料机构、粗磨动力头、精磨动力头、尺寸检测单元、阀箱、控制柜;
所述的切方进刀组件,包括切方龙门架、晶棒顶紧组件、切割导轮进刀组件、换向导轮组件,晶棒顶紧组件和切割导轮进刀组件分别上下安装在龙门架上的导轨滑块上,在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下能上下移动;
所述的切方工作台包括气缸、浮动头、边皮托架和万向夹头波纹管,切方工作台安装于大底架上,与切方进刀组件上的晶棒顶紧组件保持0.025的同心度;
所述粗精磨动力头安装于底架的滑台上,包括变频电机、支撑框架、砂轮安装座和杯型砂轮,磨削动力头安装于底架的滑台上,该滑台由竖直方向的直线导轨、滚珠丝杆、伺服电机以及水平方向上的直线导轨、滚珠丝杆、伺服电机等支撑及驱动;
所述的机械手组件包括由伺服电机和滚珠丝杆驱动的水平进给组件、由伺服电机和滚珠丝杆驱动的竖直进给组件、由伺服电机和行星减速机驱动的旋转组件、机械气爪;
所属的上下料储料台包括上料储料台和下料储料台,它们都由储料台面、晶棒长度检测气缸、翻转气缸和连杆机构组成,储料台面在气缸和连杆的作用下能实现90°旋转;
所述的排线机构包括收放线轮组件、排线单元、中主轴和张力臂组件、排线大背板,收放线轮组件由伺服电机驱动,实现旋转运动,排线单元上的排线导轮组件由伺服电机和滚珠丝杆驱动,能实现上下移动;
所述的晶向检测单元包括中转工作台、晶向检测上底座、晶向检测下底座、晶棒棱检测组件、伺服电机、同步带轮、直线运动单元,晶向检测上底座在伺服电机和直线运动单元的驱动下能实现上下移动,晶向检测下底座在伺服电机和同步带轮的驱动下能实现旋转运动;
所述的边皮取料机构包括电机、晶棒夹持机构、真空吸盘、无杆气缸;所述的尺寸检测单元包括接触传感器、直线运动单元、伺服电机。
所述的阀箱和控制柜是指安装于底架上,将上述所有气路元件和电气元件安装在内的密闭钣金件,阀箱和电控柜还配备有吸气管道。
其中,切方进刀组件上的切割导轮上安装的是金刚线,金刚线上镶嵌有金刚石颗粒。
粗精磨动力头上安装的是杯型砂轮,粗磨砂轮的颗粒度为300目,精磨砂轮的目数为600目。
磨削动力头两侧安装有高精度的对刀传感器,在磨削加工之前需进行对刀操作。
还包括专门的边皮取料机构,切方完成后,边皮取料机构通过真空吸盘将边皮取下,并放到边皮收集箱内。
上下料侧边配备有晶向检测单元,通过晶棒棱检测传感器进行接触检测确定晶棒棱线的位置。
磨削动力头侧配备有两个自动测量半径的单元,通过高精度的接触传感器测量晶棒尺寸。
具体使用方法如下:
1)将直径为6寸~8寸的单晶晶棒20,截断后得到长度为200mm~800mm的圆棒,放置于上下料储料台10中的上料台上,并用酒精对晶棒20表面进行擦拭保证表面洁净。
2)储料台10上的测量气缸测量晶棒的长度,并在气缸的作用一下,晶棒翻转90°。
3)机械手组件8快速(速度4000~5000mm/min)回归至零点位置,即晶棒20在储料台翻转90°情况下的位置,机械气爪14在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下水平移动到晶棒20中心,机械气爪14工作,夹紧晶棒20,并将晶棒20搬送到晶向检测单元2。
4)晶向检测单元2上的晶向检测上底座在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下压紧晶棒20,同时晶向检测单元2上的浮动头具有自动调心功能,能保证晶棒20的正确位姿,晶向检测下底座在伺服电机和同步带轮的驱动下,带动晶棒20一起旋转,在晶棒20旋转时晶棒棱检测组件上的探头接触到晶棒表面,通过对晶棒20表面直径的检测确定晶棱的位置,并测量出晶棒20的直径。
5)机械手组件8快速(速度4000~5000mm/min)水平移至晶向检测单元2处;机械气爪14再以快速(速度2000~5000mm/min)水平移动至晶棒20中心处,并夹紧晶棒20;机械手组件8快速(速度1000~2000mm/min)将晶棒20搬运到切方工作台3的晶棒托盘18的中心处。
6)晶棒顶紧组件17在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下沿龙门架15上的导轨向下运动,顶紧晶棒20,晶棒顶紧组件17上的浮动头晶棒托盘18均具有自动调心功能,对于面斜的晶棒能矫正晶棒的位姿,使晶棒20始终保持垂直状态,同时晶棒顶紧组件17上的四个边皮顶紧气缸工作,顶紧晶棒20的4块边皮。
7)切割导轮进刀组件16在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下对晶棒20进行切割,排线机构5中的中主轴和张力臂通过控制程序准确地控制金刚线的切割速度和张力,保证晶棒切割的速度,伺服电机控制切割导轮的进刀速度保持在20mm/min。
8)完成晶棒20的切方,金刚线进入晶棒托盘18的槽口中,切方工作台3中的边皮托盘在气缸的驱动下打开,将边皮掰开,切割导轮进刀组件16在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下上移,金刚线退刀,回到初始位置。
9)边皮取料机构9开始工作,夹持机构在无杆气缸的驱动下运动到晶棒20中心位置,夹持手爪(夹持手爪为边皮取料机构中的手爪用于夹持切方工序中切下来的晶棒边皮。)在气缸驱动下夹紧4块边皮,真空吸盘工作,吸住边皮,边皮取料机构9回到初始位置,将4块边皮放到边皮收集箱内。
10)完成切方加工,机械手组件8快速(速度4000~5000mm/min)水平移动到切方进刀组件4的中心处,机械气爪14再以快速(速度2000~5000mm/min)水平移动至晶棒20中心处,机械气爪14夹紧晶棒20,并将切方完成的晶棒从晶棒托盘18取下,机械气爪14在伺服电机和行星减速器驱动下旋转90°,使晶棒20从竖直状态变成水平状态,并以平面定位来完成晶棒20从切方工作台3转移到磨削工作台6的工作。
11)准备开始对晶棒20进行磨前姿态检测,将磨削工作台6移动至磨削测量传感器对刀位置。磨削测量传感器由伺服电机驱动,触碰磨削测量基准块22后退回,获得磨削测量传感器的中心距离。再将磨削工作台6快速移动至晶棒20一端对晶棒20外圆拾取棱线上1个点,再快速移动到晶棒20另一端再拾取1个点,晶棒转90°又拾取1个点,如此拾取晶棒棱线上8个点,数据自动输入PLC控制系统(计算机)进行计算,得出晶棒20的最高位置。
12)先将晶棒20旋转45°,再将磨削工作台6快速移动至晶棒20一端平面上拾取1个点,再快速移动到晶棒20另一端再拾取1个点,晶棒转90°又拾取1个点,如此拾取晶棒平面上8个点,数据自动输入PLC控制系统进行计算,得出晶棒20的中心位置。
13)磨削工作台6快速移动至磨削对刀传感器21处,前后粗磨动力头11由伺服电机驱动向内移动粗磨砂轮,触碰磨削对刀传感器21后退回,磨削工作台6快速移出粗磨砂轮的磨削安全位置。根据计算得出的晶棒20外圆最高和中心位置,自动对前后粗磨削动力头11向内移动相应距离,直至两粗磨砂轮的间距符合加工要求。
14)进入磨削工作状态,首先进行外圆粗磨和外圆精磨,外圆磨时前后粗、精磨动力头11,12的砂轮位置处于一高一低状态,砂轮工作,旋转速度达到3000r/min,磨削工作台6在伺服电机的驱动下带动晶棒旋转,同时在伺服电机和滚珠丝杠的驱动下晶棒20来回移动,完成外圆粗磨和精磨的工作。
15)完成外圆粗磨和精磨以后,晶棒旋转45°,此时、前后粗、精磨动力头11,12的砂轮回到同一水平位置,砂轮工作,旋转速度达到3000r/min,晶棒20在伺服电机和滚珠丝杠的驱动下来回移动,完成对晶棒20的平面粗、精磨。
16)完成晶棒20的外圆磨和平面磨以后,对晶棒进行清洗,并对磨后的晶棒20尺寸进行检测,完成后,机械手组件8快速(速度4000~5000mm/min)水平移至磨削工作台位置,机械气爪14夹紧磨削完成的晶棒20,将其搬运到上下料储料台10中的下料台上。

Claims (10)

1.一种全自动单晶硅棒切磨复合加工一体设备,包括底架,安装在底架上的机械手组件、切方工作台、磨削工作台,其特征在于:切方工作台和磨削工作台相互独立,可以同时进行单晶硅棒的切方和磨削复合加工;机械手组件包括专用于切方工作台和磨削工作台上晶棒的上料、中转及下料操作的部分。
2.根据权利要求1所述的全自动单晶硅棒切磨复合加工一体设备,其特征在于:还包括上下料储料台、晶向检测单元、机械手组件、切方进刀组件、排线机构、边皮取料机构、前后粗磨动力头、前后精磨动力头、尺寸检测单元、阀箱、控制柜;
所述的切方进刀组件,包括切方龙门架、晶棒顶紧组件、切割导轮进刀组件、换向导轮组件,晶棒顶紧组件和切割导轮进刀组件分别上下安装在龙门架上的导轨滑块上,在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下能上下移动;
所述的切方工作台包括气缸、浮动头、边皮托架和万向夹头波纹管,切方工作台安装于大底架上,与切方进刀组件上的晶棒顶紧组件保持0.025的同心度;
所述粗精磨动力头安装于底架的滑台上,包括变频电机、支撑框架、砂轮安装座和杯型砂轮,磨削动力头安装于底架的滑台上,该滑台由竖直方向的直线导轨、滚珠丝杆、伺服电机以及水平方向上的直线导轨、滚珠丝杆、伺服电机等支撑及驱动;
所述的机械手组件包括由伺服电机和滚珠丝杆驱动的水平进给组件、由伺服电机和滚珠丝杆驱动的竖直进给组件、由伺服电机和行星减速机驱动的旋转组件、机械气爪;
所属的上下料储料台包括上料储料台和下料储料台,它们都由储料台面、晶棒长度检测气缸、翻转气缸和连杆机构组成,储料台面在气缸和连杆的作用下能实现90°旋转;
所述的排线机构包括收放线轮组件、排线单元、中主轴和张力臂组件、排线大背板,收放线轮组件由伺服电机驱动,实现旋转运动,排线单元上的排线导轮组件由伺服电机和滚珠丝杆驱动,能实现上下移动;
所述的晶向检测单元包括中转工作台、晶向检测上底座、晶向检测下底座、晶棒棱检测组件、伺服电机、同步带轮、直线运动单元,晶向检测上底座在伺服电机和直线运动单元的驱动下能实现上下移动,晶向检测下底座在伺服电机和同步带轮的驱动下能实现旋转运动;
所述的边皮取料机构包括电机、晶棒夹持机构、真空吸盘、无杆气缸;所述的尺寸检测单元包括接触传感器、直线运动单元、伺服电机。
所述的阀箱和控制柜是指安装于底架上,将上述所有气路元件和电气元件安装在内的密闭钣金件,阀箱和电控柜还配备有吸气管道。
3.根据权利要求2所述的一种全自动单晶硅棒切磨复合加工一体设备,其特征在于:切方进刀组件上的切割导轮上安装的是金刚线,金刚线上镶嵌有金刚石颗粒。
4.根据权利要求2所述的一种全自动单晶硅棒切磨复合加工一体设备,其特征在于:粗精磨动力头上安装的是杯型砂轮,粗磨砂轮的颗粒度为300目,精磨砂轮的目数为600目。
5.根据权利要求2所述的一种全自动单晶硅棒切磨复合加工一体设备,其特征在于:磨削动力头两侧安装有高精度的对刀传感器,在磨削加工之前需进行对刀操作。
6.根据权利要求2所述的一种全自动单晶硅棒切磨复合加工一体设备,其特征在于:还包括边皮取料机构,切方完成后,边皮取料机构通过真空吸盘将边皮取下,并放到边皮收集箱内。
7.根据权利要求2所述的一种全自动单晶硅棒切磨复合加工一体设备,其特征在于:上下料侧边配备有晶向检测单元,通过晶棒棱检测传感器进行接触检测确定晶棒棱线的位置。
8.根据权利要求2所述的一种全自动单晶硅棒切磨复合加工一体设备,其特征在于:磨削动力头侧配备有两个自动测量半径的单元,通过高精度的接触传感器测量晶棒尺寸。
9.权利要求1‐8任一所述全自动单晶硅棒切磨复合加工一体设备的使用方法:首先,通过机械手组件将晶棒快速搬运到切方平台进行切割,完成切方加工;然后机械手组件使晶棒从竖直状态变成水平状态,并以平面定位来完成晶棒从切方工作台转移到磨削工作台;最后,磨削工作台对晶棒进行外圆磨、平面粗、精磨。
10.根据权利要求9所述全自动单晶硅棒切磨复合加工一体设备的使用方法,其特征在于:具体的包括如下步骤:
1)将直径为6寸~8寸的单晶晶棒20,截断后得到长度为200mm~800mm的圆棒,放置于上下料储料台10中的上料台上,并用酒精对晶棒20表面进行擦拭保证表面洁净;
2)储料台10上的测量气缸测量晶棒的长度,并在气缸的作用一下,晶棒翻转90°;
3)机械手组件8快速回归至零点位置,即晶棒20在储料台翻转90°情况下的位置,机械气爪14在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下水平移动到晶棒20中心,机械气爪14工作,夹紧晶棒20,并将晶棒20搬送到晶向检测单元2;
4)晶向检测单元2上的晶向检测上底座在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下压紧晶棒20,同时晶向检测单元2上的浮动头具有自动调心功能,能保证晶棒20的正确位姿,晶向检测下底座在伺服电机和同步带轮的驱动下,带动晶棒20一起旋转,在晶棒20旋转时晶棒棱检测组件上的探头接触到晶棒表面,通过对晶棒20表面直径的检测确定晶棱的位置,并测量出晶棒20的直径;
5)机械手组件8快速水平移至晶向检测单元2处;机械气爪14再以快速水平移动至晶棒20中心处,并夹紧晶棒20;机械手组件8快速将晶棒20搬运到切方工作台3的晶棒托盘18的中心处;
6)晶棒顶紧组件17在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下沿龙门架15上的导轨向下运动,顶紧晶棒20,晶棒顶紧组件17上的浮动头晶棒托盘18均具有自动调心功能,对于面斜的晶棒能矫正晶棒的位姿,使晶棒20始终保持垂直状态,同时晶棒顶紧组件17上的四个边皮顶紧气缸工作,顶紧晶棒20的4块边皮;
7)切割导轮进刀组件16在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下对晶棒20进行切割,排线机构5中的中主轴和张力臂通过控制程序准确地控制金刚线的切割速度和张力,保证晶棒切割的速度,伺服电机控制切割导轮的进刀速度保持在20mm/min。
8)完成晶棒20的切方,金刚线进入晶棒托盘18的槽口中,切方工作台3中的边皮托盘在气缸的驱动下打开,将边皮掰开,切割导轮进刀组件16在伺服电机和滚珠丝杆的驱动下上移,金刚线退刀,回到初始位置;
9)边皮取料机构9开始工作,夹持机构在无杆气缸的驱动下运动到晶棒20中心位置,夹持手爪在气缸驱动下夹紧4块边皮,真空吸盘工作,吸住边皮,边皮取料机构9回到初始位置,将4块边皮放到边皮收集箱内;
10)完成切方加工,机械手组件8快速水平移动到切方进刀组件4的中心处,机械气爪14再以快速水平移动至晶棒20中心处,机械气爪14夹紧晶棒20,并将切方完成的晶棒从晶棒托盘18取下,机械气爪14在伺服电机和行星减速器驱动下旋转90°,使晶棒20从竖直状态变成水平状态,并以平面定位来完成晶棒20从切方工作台3转移到磨削工作台6的工作;
11)准备开始对晶棒20进行磨前姿态检测,将磨削工作台6移动至磨削测量传感器对刀位置;磨削测量传感器由伺服电机驱动,触碰磨削测量基准块22后退回,获得磨削测量传感器的中心距离;再将磨削工作台6快速移动至晶棒20一端对晶棒20外圆拾取棱线上1个点,再快速移动到晶棒20另一端再拾取1个点,晶棒转90°又拾取1个点,如此拾取晶棒棱线上8个点,数据自动输入PLC控制系统进行计算,得出晶棒20的最高位置;
12)先将晶棒20旋转45°,再将磨削工作台6快速移动至晶棒20一端平面上拾取1个点,再快速移动到晶棒20另一端再拾取1个点,晶棒转90°又拾取1个点,如此拾取晶棒平面上8个点,数据自动输入PLC控制系统进行计算,得出晶棒20的中心位置;
13)磨削工作台6快速移动至磨削对刀传感器21处,前后粗磨动力头11由伺服电机驱动向内移动粗磨砂轮,触碰磨削对刀传感器21后退回,磨削工作台6快速移出粗磨砂轮的磨削安全位置;根据计算得出的晶棒20外圆最高和中心位置,自动对前后粗磨削动力头11向内移动相应距离,直至两粗磨砂轮的间距符合加工要求;
14)进入磨削工作状态,首先进行外圆粗磨和外圆精磨,外圆磨时前后粗、精磨动力头11,12的砂轮位置处于一高一低状态,砂轮工作,旋转速度达到3000r/min,磨削工作台6在伺服电机的驱动下带动晶棒旋转,同时在伺服电机和滚珠丝杠的驱动下晶棒20来回移动,完成外圆粗磨和精磨的工作。
15)完成外圆粗磨和精磨以后,晶棒旋转45°,此时、前后粗、精磨动力头11,12的砂轮回到同一水平位置,砂轮工作,旋转速度达到3000r/min,晶棒20在伺服电机和滚珠丝杠的驱动下来回移动,完成对晶棒20的平面粗、精磨。
16)完成晶棒20的外圆磨和平面磨以后,对晶棒进行清洗,并对磨后的晶棒20尺寸进行检测,完成后,机械手组件8快速(速度4000~5000mm/min)水平移至磨削工作台位置,机械气爪14夹紧磨削完成的晶棒20,将其搬运到上下料储料台10中的下料台上。
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