机器人在光伏太阳能行业PECVD工序的应用

摘 要：光伏行业PECVD工序一直面临着产能过低、碎片率高、二次污染的种种难题，通过介绍我们自主研发的全自动石墨舟上下料设备，阐述PECVD工序使用机器人技术的优势和技术难点。

关键词：机器人；抓取；定位精度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.054

在以往的PECVD工序，采用人工向石墨舟插取硅片的操作模式，一直面临着产能过低、碎片率高、二次污染的种种难题。为此，我们采用了机器人，自主研发出全自动石墨舟硅片上下料机，并成功应用于生产。

整機主要功能部件有硅片传输定位组件、石墨舟传输定位组件、机器人抓取组件三大部分。用于将刻蚀工序后的硅片经上料传输机构传送至变节距花篮，由机器人抓取后放入石墨舟内，进行PECVD工艺；PECVD工艺完成后，机器人再将硅片抓取后，放入下料变节距花篮，经传输机构装入100片空花篮中。如图1所示。

1 硅片传输定位组件

1.1 动作流程

人工将刻蚀工序后的满花篮放置于上料花篮传输组件，硅片传送至变节距花篮，变节距花篮存满22片后，定位到抓取位置，通过气缸夹紧，等待机器人的抓取；人工将空花篮放置于下料花篮传输组件，机器人将PECVD工艺后的硅片抓取后放置于下料变节距花篮中，硅片传送至空花篮中。存满100片后，更换新的空花篮。

1.2 关键技术

机器人同时抓取22片硅片，硅片的一致性是决定机器人抓取效果的重要因素。如果一致性差，将导致插取后，硅片远离某一卡点，严重的可导致片子一角脱落在石墨舟外，造成PECVD工艺打火。

我们采取气缸推片、夹片双向定位，以确保机器人抓取的精度。当上料变节距花篮存满22片硅片，通过伺服定位到机器人抓取位，推硅片气缸将硅片推齐，夹硅片气缸再将硅片两侧夹紧，使22片硅片的三个面很好的贴合在机械结构上，保证了机器人抓取的精度。

2 石墨舟传输定位组件

2.1 动作流程

人工将石墨舟放置于小车上或输送线上，石墨舟提取机械手移动至小车位置或输送线位置，将石墨舟提取之后放置到传输组件上，同步带+双导轨的机械结构在伺服电机的带动下稳步传输，将石墨舟传送至机器人插取位，到位后通过气缸夹紧定位。

2.2 关键技术

石墨舟的定位精度是影响机器人抓取效果的另一大重要因素，我们在机器人的插取位设计一根弹簧销钉，石墨舟托盘传送至插取位的过程中，以一定的快速移动，检测到传感器信号之后，转变为慢速向弹簧销钉靠近。伺服电机采用扭矩控制方式，托盘和弹簧销钉接触后，当扭矩达到设定值时，伺服电机停止，当前位置即为机器人插取位。再采用X、Y方向的夹紧气缸进行双向定位，以确保石墨舟定位精度。

3 机器人抓取组件

3.1 动作流程

从石墨舟取片—向花篮放片—从花篮取片—向石墨舟放片。

3.2 关键技术

机器人带动吸盘组件，进行高速的重复抓取动作，如何做到机器人速度与加减速的完美匹配，使抓取动作稳定的同时速度更快；如何做到机器人运动轨迹半径最小最节省时间；如何避免运动过程中的奇异点，这些问题都是影响设备稳定性、产能、碎片率至关重要的因素。

我们在设计软件中建立三维模型，模拟出所有的抓取点和运动轨迹中的奇异点；再使用机器人示教器在设备上慢速实际运行，确认所有轨迹平滑准确无误；然后将机器人在自动模式下运行，通过反复修改速度、加减速、角速度、线速度等参数找出最佳的设置；最后记录机器人手臂执行轨迹=关节位置+电机扭矩，4毫秒的周期记录60秒左右，生成records文件，分析所有运行轨迹不会对机器人本体造成影响，提早检测机器人过早退化的风险。

3.3 良好的适应性

不同的制造商使用的PECVD炉子尺寸不尽相同，与之配套使用的石墨舟也大小各异。常见的石墨舟主要有以下几种：156-16片*6槽石墨舟，载片数量192片、156-16片*8槽石墨舟，载片数量252片、156-22片*7槽石墨舟，载片数量308片、156-26片*8槽石墨舟，载片数量416片。差异如此之大，机器人该如何做到更好的适应。

实际上，在机器人工作负载和最大动作半径范围内，可以通过设计不同真空吸盘组件，例如16片、22片、26片，就能更好的满足制造商这方面的不同需求。目前，我们采用的机器人工作负载为13kg、最大动作半径1388mm。16片和22片吸盘组件，负载重量分别为4kg和6kg，只需要做到吸盘机械安装夹具统一即可。

4 总结

PECVD工序使用机器人，可以实现较高速度的重复性抓取操作，工作节拍远高于人工节拍，大幅提高了生产效率；可以实现一人同时看多台设备，减少了用工量，从而带来人工成本、管理成本的降低；可以实现精准的定位和重复精度，有效地降低了碎片率；可以减少人工带来的二次污染，提高产品质量；同时，因为具有维修维护方便、24小时不间断工作等特性，都使得机器人在光伏太阳能行业取得了非常好的应用。伴随着光伏产业的不断升温，机器人的应用势必将取得突飞猛进的发展。

参考文献：

[1]张贺超，刘彩凤，李旭.机器人技术在光伏组件生产中的应用浅析[J].中国机械，2013（11）：222.

[2]岳军.石墨舟上下料机的研制[J].电子工艺技术，2015（06）：361-363.

[3]李慎言.工业机器人技术发展现状和展望[J].维普资讯，2008（05）.

作者简介：康冬妮（1983-），女，吉林公主岭人，本科，工程师，研究方向：光伏太阳能行业电气设计与研发。