机械手在硅片清洗机中的应用

韩蕾++张金星

摘 要：硅片清洗机是太阳能行业中硅片制造环节的一种重要的自动化设备，它的主要作用是将多线切割机生产出来的多晶硅或者单晶硅片清洗干净并进行烘干，以达到进行最终硅片包装的目的。根据硅片清洗机的工艺流程和控制要求，分析了清洗机的机械手存在的缺陷，提出采用编码器代替限位开关的改造方案，并采用PLC、变频器完成了机械手的控制。

关键词：机械手 编码器 PLC

中图分类号：TN3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）12（a）-0091-02

硅片清洗机是太阳能行业中硅片制造环节的一种重要的自动化设备，它的主要作用是将多线切割机生产出来的多晶硅或者单晶硅片清洗干净并进行烘干，以达到进行最终硅片包装的目的。

硅片清洗机一般由清洗槽、机械手、人机界面和电控柜等几部分组成。工艺流程如图1所示，先将插在载片盒中的硅片手动放在订制的提篮中，设备通过传送装置并通过设备的机械手将提篮依次放在每个清洗槽中进行清洗，最后进入烘干炉进行烘干而得到干燥且干净的硅片，从而进入下一道工序进行包装。

在硅片清洗机整个的生产运行过程中，装载着载片盒的提篮在不同水槽内的运动需要靠机械手来完成。机械手的运动有两个方向，一个是按照设备纵向轴线水平移动，每个水槽作为一个工位，自动状态下机械手会停在相应的工位；另一个方向是沿着机械手自身的与地面垂直的方向上下运动，目的是对提篮进行升降操作。机械手水平运动的机械结构是齿轮齿条式的，由伺服电机带动齿轮，通过齿轮齿条副的啮合实现行走，垂直运动的机械结构是滚珠丝杠式，由直线导轨支撑的。因此，机械手对于此设备的作用非常重要，其运行的准确性和稳定性都必须有可靠的保证才能使整个设备可靠地运行。

1 系统存在问题分析及改进方案

1.1 存在问题分析

在水平运动中，机械手需要不断地停在每个清洗槽进行提篮的吊起和放置的工作，而且每个槽内的硅片清洗的时間是有工艺要求的，按照预先设定好的时间完成清洗后，机械手就需要负责将这个提篮从这个槽内吊起，并放入下一个槽内继续进行清洗。为了实现以上的工作，需要在每个清洗槽的后面也就是齿条轨道上安装光电式的限位开关。

依靠光电开关定位机械手启停槽位是此种工况较常用的解决方案，制造成本相对较低，但是机械手的运行精度较低，启停位置完全取决于光电开关的位置和其感应的灵敏度。如果光电开关的支架在长时间使用过程中出现松动的问题，感应头和挡片之间的缝隙会变大，从而会影响的感应效果，会造成感应位置不准确，机械手行走不到位，甚至造成机械手错过目的槽位的情况，造成不必要的生产事故。

1.2 改进方案

鉴于以上情况，还有一种比较好的工程解决方案，就是采用电机加装编码器，它可以直接将距离转化成转角，通过脉冲信号输出。增量式编码器是直接利用光电转换原理输出3组方波脉冲A、B、Z相，A、B两组脉冲相位差90°，C、Z为每转一个脉冲，用于基准点定位，增量式编码器构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，特点是需要对脉冲进行计数[1]。欧姆龙型号为E6B2-CWZ6C编码器相应频率能达到100 kHz，分辨率最高3600脉冲/转，有A、B、Z三路信号，采用TTL电平，A脉冲在前，B脉冲在后，A、B脉冲相差90°，每圈发出一个Z脉冲，可作为参考机械零位。

在设备调试阶段需要手动将电机编码器与定义好的水槽的位置进行识别，确认好此位置对于机械手到位后机械臂装、卸篮的升降有无障碍，完全调试好后，即可进行全自动状态的运行。此种方式机械手的定位完全是数字式的，可以精确到1%，这取决于编码器的分辨率。而且不用安装光电开关，避免了光电开关精度不高容易松动需要经常维护的问题。因此，对于设备稳定性要求更加可靠，设备运行精度要求较高的工况下，可以选用此种编码器控制的方式。

2 控制系统设计

2.1 硬件设计及连线

机械手水平移动系统采用闭环控制， 触摸屏为人机操作界面，西门子S7-300为控制器、MM440变频器为执行机构、旋转编码器为反馈装置、水平方向电机为控制对象，硬件接线图如图2所示，控制核心为西门子S7-300系列PLC，它是模块化的中小型PLC，为了完成输入输出点的连接，还需配置电源模块PS307、数字量输入模块SM321和数字量输出模块SM322和通信模块等。变频器采用西门子MM440，它能够把矢量的控制达到一个很高的性能，输出是低速度、高转矩还有非常优秀的动态性能，而且拥有非常强力的过载性能。由于控制系统有高速和低速运行需要，因此采用多段变频控制的方式。先恢复变频器参数为出厂设置，再设置变频器参数。

PLC根据程序运行的结果给变频器发出向左（向右）和高速（低速）运行的指令，变频器启动电机旋转，通过齿轮齿天机构拖动水平方向运动，同时编码器检测到电机的旋转信号并将其转化成脉冲信号反馈给PLC的输入单元，通过PLC的程序执行，将结果存入PLC的输出单元，控制变频器。

2.2 PLC控制程序的设计

2.2.1 槽位位置的确定

通过与水平机构电机同轴安装的编码器，在机械手水平左右移动时输出与电机转速及水平位移成比例的脉冲数，引入到PLC的计数器的输入端进行脉冲计数。设每个清洗槽的距离为L，按照公式（1）转化成脉冲数[2]：

（1）

式中，I为脉冲数，L为槽间距，S为计数精度，S由公式（2）计算：

（2）

式中：D为曳引轮节圆直径，i1为曳引减速箱减速比（传动比），i2为曳引比，P为电动机每转脉冲数。

当计数器的数值与设定值一致时发出中断信号，根据当前距离与目标距离的差值，向变频器发出相应的升或降信号，以控制水平电机的加速、保持、减速和停车。

2.2.2 槽位位置程序设计

编程软件STEP7是用于SIMATIC的plc s7-300创建程序的标准软件，程序可以使用梯形图逻辑（LD）、顺序功能图（SFC）和功能模块（FBD）进行编程操作。

机械手需要在多个清洗槽之间完成动作，由于在每个清洗槽位置上完成的动作相同，因此就以超声清洗为例，说明机械手的控制要求及程序。机械手在每个工位需要完成以下动作。

（1）机械手水平机构前伸；（2）机械手垂直机构下降；（3）手爪张开，放下硅片；（4）清洗完成后，手爪夹紧；（5）机械手垂直机构上升。

每个工步之间转换的条件是编码器计数和限位开关。文章主要改进的是水平方向的运动，因此只列举了水平方向的PLC梯形图程序，如图3所示，将编码器采集的信号给PLC内部的计数器，并将结果存在辅助寄存器M2.0中，再将这个数值转化为每分钟的转数，进行升速和减速的判断，结果给变频器的多段变频控制，实现速度和位置的判断。

3 结语

通过对机械手水平方向的改进，采用PLC、变频器和编码器控制的机械手，有效提高了系统的控制精度，满足了控制要求，同时PLC控制系统具有较大的灵活性，可以根据不同的工况进行系统的升级改造。

参考文献

[1] 罗平，罗志勇，岂兴明，等.西门子S7-300/400工程实例讲解[M].北京：人民邮电出版社，2012：91.

[2] 孙后环，白崇哲.基于PLC脉冲选层的电梯控制系统[J].电气传动，2003（1）：36-39.