機(jī)械手在硅片清洗機(jī)中的應(yīng)用

韓蕾++張金星

摘 要：硅片清洗機(jī)是太陽能行業(yè)中硅片制造環(huán)節(jié)的一種重要的自動化設(shè)備，它的主要作用是將多線切割機(jī)生產(chǎn)出來的多晶硅或者單晶硅片清洗干凈并進(jìn)行烘干，以達(dá)到進(jìn)行最終硅片包裝的目的。根據(jù)硅片清洗機(jī)的工藝流程和控制要求，分析了清洗機(jī)的機(jī)械手存在的缺陷，提出采用編碼器代替限位開關(guān)的改造方案，并采用PLC、變頻器完成了機(jī)械手的控制。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手 編碼器 PLC

中圖分類號：TN3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（a）-0091-02

硅片清洗機(jī)是太陽能行業(yè)中硅片制造環(huán)節(jié)的一種重要的自動化設(shè)備，它的主要作用是將多線切割機(jī)生產(chǎn)出來的多晶硅或者單晶硅片清洗干凈并進(jìn)行烘干，以達(dá)到進(jìn)行最終硅片包裝的目的。

硅片清洗機(jī)一般由清洗槽、機(jī)械手、人機(jī)界面和電控柜等幾部分組成。工藝流程如圖1所示，先將插在載片盒中的硅片手動放在訂制的提籃中，設(shè)備通過傳送裝置并通過設(shè)備的機(jī)械手將提籃依次放在每個(gè)清洗槽中進(jìn)行清洗，最后進(jìn)入烘干爐進(jìn)行烘干而得到干燥且干凈的硅片，從而進(jìn)入下一道工序進(jìn)行包裝。

在硅片清洗機(jī)整個(gè)的生產(chǎn)運(yùn)行過程中，裝載著載片盒的提籃在不同水槽內(nèi)的運(yùn)動需要靠機(jī)械手來完成。機(jī)械手的運(yùn)動有兩個(gè)方向，一個(gè)是按照設(shè)備縱向軸線水平移動，每個(gè)水槽作為一個(gè)工位，自動狀態(tài)下機(jī)械手會停在相應(yīng)的工位；另一個(gè)方向是沿著機(jī)械手自身的與地面垂直的方向上下運(yùn)動，目的是對提籃進(jìn)行升降操作。機(jī)械手水平運(yùn)動的機(jī)械結(jié)構(gòu)是齒輪齒條式的，由伺服電機(jī)帶動齒輪，通過齒輪齒條副的嚙合實(shí)現(xiàn)行走，垂直運(yùn)動的機(jī)械結(jié)構(gòu)是滾珠絲杠式，由直線導(dǎo)軌支撐的。因此，機(jī)械手對于此設(shè)備的作用非常重要，其運(yùn)行的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性都必須有可靠的保證才能使整個(gè)設(shè)備可靠地運(yùn)行。

1 系統(tǒng)存在問題分析及改進(jìn)方案

1.1 存在問題分析

在水平運(yùn)動中，機(jī)械手需要不斷地停在每個(gè)清洗槽進(jìn)行提籃的吊起和放置的工作，而且每個(gè)槽內(nèi)的硅片清洗的時(shí)間是有工藝要求的，按照預(yù)先設(shè)定好的時(shí)間完成清洗后，機(jī)械手就需要負(fù)責(zé)將這個(gè)提籃從這個(gè)槽內(nèi)吊起，并放入下一個(gè)槽內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行清洗。為了實(shí)現(xiàn)以上的工作，需要在每個(gè)清洗槽的后面也就是齒條軌道上安裝光電式的限位開關(guān)。

依靠光電開關(guān)定位機(jī)械手啟停槽位是此種工況較常用的解決方案，制造成本相對較低，但是機(jī)械手的運(yùn)行精度較低，啟停位置完全取決于光電開關(guān)的位置和其感應(yīng)的靈敏度。如果光電開關(guān)的支架在長時(shí)間使用過程中出現(xiàn)松動的問題，感應(yīng)頭和擋片之間的縫隙會變大，從而會影響的感應(yīng)效果，會造成感應(yīng)位置不準(zhǔn)確，機(jī)械手行走不到位，甚至造成機(jī)械手錯(cuò)過目的槽位的情況，造成不必要的生產(chǎn)事故。

1.2 改進(jìn)方案

鑒于以上情況，還有一種比較好的工程解決方案，就是采用電機(jī)加裝編碼器，它可以直接將距離轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)角，通過脈沖信號輸出。增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出3組方波脈沖A、B、Z相，A、B兩組脈沖相位差90°，C、Z為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位，增量式編碼器構(gòu)造簡單，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，特點(diǎn)是需要對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)[1]。歐姆龍型號為E6B2-CWZ6C編碼器相應(yīng)頻率能達(dá)到100 kHz，分辨率最高3600脈沖/轉(zhuǎn)，有A、B、Z三路信號，采用TTL電平，A脈沖在前，B脈沖在后，A、B脈沖相差90°，每圈發(fā)出一個(gè)Z脈沖，可作為參考機(jī)械零位。

在設(shè)備調(diào)試階段需要手動將電機(jī)編碼器與定義好的水槽的位置進(jìn)行識別，確認(rèn)好此位置對于機(jī)械手到位后機(jī)械臂裝、卸籃的升降有無障礙，完全調(diào)試好后，即可進(jìn)行全自動狀態(tài)的運(yùn)行。此種方式機(jī)械手的定位完全是數(shù)字式的，可以精確到1%，這取決于編碼器的分辨率。而且不用安裝光電開關(guān)，避免了光電開關(guān)精度不高容易松動需要經(jīng)常維護(hù)的問題。因此，對于設(shè)備穩(wěn)定性要求更加可靠，設(shè)備運(yùn)行精度要求較高的工況下，可以選用此種編碼器控制的方式。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)及連線

機(jī)械手水平移動系統(tǒng)采用閉環(huán)控制， 觸摸屏為人機(jī)操作界面，西門子S7-300為控制器、MM440變頻器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)編碼器為反饋裝置、水平方向電機(jī)為控制對象，硬件接線圖如圖2所示，控制核心為西門子S7-300系列PLC，它是模塊化的中小型PLC，為了完成輸入輸出點(diǎn)的連接，還需配置電源模塊PS307、數(shù)字量輸入模塊SM321和數(shù)字量輸出模塊SM322和通信模塊等。變頻器采用西門子MM440，它能夠把矢量的控制達(dá)到一個(gè)很高的性能，輸出是低速度、高轉(zhuǎn)矩還有非常優(yōu)秀的動態(tài)性能，而且擁有非常強(qiáng)力的過載性能。由于控制系統(tǒng)有高速和低速運(yùn)行需要，因此采用多段變頻控制的方式。先恢復(fù)變頻器參數(shù)為出廠設(shè)置，再設(shè)置變頻器參數(shù)。

PLC根據(jù)程序運(yùn)行的結(jié)果給變頻器發(fā)出向左（向右）和高速（低速）運(yùn)行的指令，變頻器啟動電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過齒輪齒天機(jī)構(gòu)拖動水平方向運(yùn)動，同時(shí)編碼器檢測到電機(jī)的旋轉(zhuǎn)信號并將其轉(zhuǎn)化成脈沖信號反饋給PLC的輸入單元，通過PLC的程序執(zhí)行，將結(jié)果存入PLC的輸出單元，控制變頻器。

2.2 PLC控制程序的設(shè)計(jì)

2.2.1 槽位位置的確定

通過與水平機(jī)構(gòu)電機(jī)同軸安裝的編碼器，在機(jī)械手水平左右移動時(shí)輸出與電機(jī)轉(zhuǎn)速及水平位移成比例的脈沖數(shù)，引入到PLC的計(jì)數(shù)器的輸入端進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。設(shè)每個(gè)清洗槽的距離為L，按照公式（1）轉(zhuǎn)化成脈沖數(shù)[2]：

（1）

式中，I為脈沖數(shù)，L為槽間距，S為計(jì)數(shù)精度，S由公式（2）計(jì)算：

（2）

式中：D為曳引輪節(jié)圓直徑，i1為曳引減速箱減速比（傳動比），i2為曳引比，P為電動機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。

當(dāng)計(jì)數(shù)器的數(shù)值與設(shè)定值一致時(shí)發(fā)出中斷信號，根據(jù)當(dāng)前距離與目標(biāo)距離的差值，向變頻器發(fā)出相應(yīng)的升或降信號，以控制水平電機(jī)的加速、保持、減速和停車。

2.2.2 槽位位置程序設(shè)計(jì)

編程軟件STEP7是用于SIMATIC的plc s7-300創(chuàng)建程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，程序可以使用梯形圖邏輯（LD）、順序功能圖（SFC）和功能模塊（FBD）進(jìn)行編程操作。

機(jī)械手需要在多個(gè)清洗槽之間完成動作，由于在每個(gè)清洗槽位置上完成的動作相同，因此就以超聲清洗為例，說明機(jī)械手的控制要求及程序。機(jī)械手在每個(gè)工位需要完成以下動作。

（1）機(jī)械手水平機(jī)構(gòu)前伸；（2）機(jī)械手垂直機(jī)構(gòu)下降；（3）手爪張開，放下硅片；（4）清洗完成后，手爪夾緊；（5）機(jī)械手垂直機(jī)構(gòu)上升。

每個(gè)工步之間轉(zhuǎn)換的條件是編碼器計(jì)數(shù)和限位開關(guān)。文章主要改進(jìn)的是水平方向的運(yùn)動，因此只列舉了水平方向的PLC梯形圖程序，如圖3所示，將編碼器采集的信號給PLC內(nèi)部的計(jì)數(shù)器，并將結(jié)果存在輔助寄存器M2.0中，再將這個(gè)數(shù)值轉(zhuǎn)化為每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)，進(jìn)行升速和減速的判斷，結(jié)果給變頻器的多段變頻控制，實(shí)現(xiàn)速度和位置的判斷。

3 結(jié)語

通過對機(jī)械手水平方向的改進(jìn)，采用PLC、變頻器和編碼器控制的機(jī)械手，有效提高了系統(tǒng)的控制精度，滿足了控制要求，同時(shí)PLC控制系統(tǒng)具有較大的靈活性，可以根據(jù)不同的工況進(jìn)行系統(tǒng)的升級改造。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅平，羅志勇，豈興明，等.西門子S7-300/400工程實(shí)例講解[M].北京：人民郵電出版社，2012：91.

[2] 孫后環(huán)，白崇哲.基于PLC脈沖選層的電梯控制系統(tǒng)[J].電氣傳動，2003（1）：36-39.