朱旺平

(北京七星华创电子股份有限公司，北京100015)

自动传输机构是为了解决太阳能电池生产线上扩散炉和PECVD 人工登高搬运舟（石英舟、石墨舟）问题而设计，搬运的石英制品或石墨舟片盒硅片，稍有差错会造成严重损失，工作时环境温度较高，为了提高工作人员安全性，创造良好的工作环境及配合设备研发了该项技术。

由于国内此类设备技术相对落后，长期以来进口设备占据了国内太阳电池大生产线绝大部分市场。为改变这一被动局面。针对太阳能电池片提高生产效率、降低生产成本，对制造工艺和装备的强烈需求，研究开发出具有自主知识产权和市场竞争力的自动化设备，具备提供同国际先进技术同步、国内领先水平的太阳能电池生产成套设备和工艺能力，替代进口。

1 主要技术指标和性能指标

1.1 主要技术指标

自动上下舟机构：

最大承载质量：30 kg

竖直方向移动速度：100～500 mm/s(可调)

竖直方向移动距离：2 800 mm（根据需求可延长）

水平方向移动速度：10～100 mm/s(可调)

上层主导轨位移：520 mm

下层导轨位移：460 mm

最大运输基片：156 mm×156 mm×0.2 mm，240 片（石墨舟）

水平自动传输舟机构：

最大承载重量：30 kg

水平方向移动速度：130～230 mm/s(可调)

水平方向移动距离：2 800 mm（根据需求可延长）

最大运输基片：156 mm×156 mm×0.2 mm，240 片（石墨舟）

1.2 结构特点

该系统由伺服驱动、竖直方向电动导轨、水平伸展方向微电机与同步带、导轨、机械手、存储位及底部水平方向带传输机构组成。如图1 所示。

图1 图名？

该机构与扩散炉和Pecvd 设备配套使用，具体工艺流程：

舟（石墨舟、石英舟）从外围水平方向传输到该设备后，沿水平方向经带传输到竖直方向上下料位置，通过竖直方向移动，抓取舟运送到相对应的推拉舟工位，输入到炉体内，进行工艺生产，工艺结束后由推拉舟退回到原始位置，机械手抓取放置于存储位冷却，待到时间，由机械手放置于水平传输带运出，进行下一工艺，完成一个循环。工艺生产过程中交叉进行舟传输。

1.2.1 自动上下舟机构

该机构主要由竖直方向上升下降往复运动，水平方向前后往复运动组成悬臂结构，最大限度满足工艺需求。竖直方向采用伺服驱动同步齿形带式电动导轨；水平方向采用双层伸缩滑动导轨机构，目的为了节省空间，与整机设备协调一致，采用Maxon 空心杯直流电机，具有转动惯量低，输出扭矩大，效率高，力学性能指标高，工作环境温度为-50～200 ℃、散热好，体积小节省空间等特点，微型减速器具有小巧紧凑，可以提高超高转矩。

电动导轨是由Festo 公司模组。主要有铝型材、直线导轨副、同步齿形带、带轮、滚动轴承、传动轴等构成；驱动系统由带制动的伺服电机，减速器、联轴器等组成；实现舟上下往复运行，保证运行安全流畅。

水平伸展方向由Maxon 空心杯直流电机、微型减速器、编码器、连接轴、溜板、同步齿形带，直线导轨副、滚动轴承、联轴器、位移传感器等机构；实现舟往复运动的精确定位。

取舟机械手由舟托板、转动支撑板、转轴、缓冲板、减震板、传感器、U 型开关架、缓冲弹簧碰珠、盒体等；具有防撞保护功能。存储位由铝合金型材组成中转机构，用于舟的冷却、定位、存储等。

1.2.2 水平方向自动传输舟机构

该机构主要运输舟往复运动，由铝型材、直流电机、减速器、平带、传动轴、联轴器、限位块等组成。平稳可靠，安全系数高。

2 关键技术

2.1 高位传输功能

由于舟跨度较大。长度超过1 m，运输高度到达3 m 以上，悬臂结构传动过程不得有半点失误，一旦失误造成后果非常严重，为此设计时增加位置传感器，及限位装置，这对控制系统提出更高的要求，采用成熟模块电动滑轨，提高了产品的可靠性，控制系统采用PLC 可编程控制器，解决伺服电机的驱动与控制，长距离抗干扰问题，驱动器与电机的匹配问题等。

2.2 双层滑轨运动机构

受到空间限制，水平伸展机构采用双层滑动结构，最大限度满足在狭小空间传送，悬臂结构节省空间但对结构的刚度要求更高，设计时充分考虑各方面因素，对导轨滑块选择，承载能力，刚度选择至关重要，确定后进行校核计算验证，符合要求确定选型。溜板设计决定设计成败关键，对材料选择，刚度等进行模拟化分析验证。如图2 所示。

图2 图名？

2.3 精确位移与定位系统

为满足传输过程位置精确，对驱动系统选择非常注意，确保精确、安全、可靠、可控性，选用Maxon 微型直流电机、微型减速器、数字增量式编码器，电机控制器；可有效消除在信号长距离传输过程中受到的干扰。位移传感器、限位开关确保位移准确，机械方面增加预紧，消隙装置，保证重复定位精度。

3 控制系统安全保护

自动上下舟互锁约束条件：机械手上有舟禁止搜原点，禁止自动操作执行；目标位置上有舟禁止自动操作执行。

自动搜原点过程中有驱动器报警或PLC 异常报警，自动搜索原点动作结束；自动操作执行过程中有驱动器报警或PLC 异常报警或遇到各轴正负方向限位开关，自动操作结束。

只有在中间位置或配置页空间数据限制的区间内竖直轴才能上下运动；在未搜索原点的情况下，各轴可以用速度控制自由运动。

搜索原点正常结束后，在水平轴下处于中间位置且竖直轴处于配置页空间数据限制的区间内，水平轴上才能前后运动，且不能超过水平轴上最大值。

速度或位置控制时遇到各轴正负方向限位，对应轴动作停止；启动自动操作上下料装置功能并且取舟，放舟操作针对某一桨位，在运动过程中，禁止手动操作。

启动自动操作上下料装置功能并且取舟，放舟操作针对某一桨位，在运输过程中，禁止相应炉管启动工艺；反之，相应炉管在工艺中时，禁止自动操作上下舟装置到此炉管取物。

4 可靠性试验

设计之初，经过调研，了解国际上最先进德国Centrotherm 公司，进行前期调研，确定设计方案，确立符合自己主导的传动机构，验证设计合理性。采用成熟模块Festo 公司电动滑轨，提高产品的可靠性，控制系统采用安川公司PLC 可编程控制器，解决伺服电机驱动。调试过程中解决许多意想不到问题，装配过程中累积误差问题，还有设计中考虑不周到问题，通过调试这些问题得到圆满解决，调试过程中做了大量的模拟实验，制作简易舟进行运送试验，增加负载实验，检验设计指标，对相关问题进行摸索和探讨，通过调试实验该机构运行平稳，满足设计技术指标。使用正常。经过三个多月负载反复运行，未出现任何异常现象，设备运行状态良好，安全可靠。

各项指标均符合设计要求，高重复定位精度、高稳定性。可以满足工艺要求。

5 结束语

自动传输舟系统已在我公司研发扩散炉、PECVD 设备上使用，解决高位送料问题，具有良好市场前景，为研制全自动生产线提供借鉴。设备可靠性及工艺稳定性得到验证，达到国际先进水平、国内领先。正式批量供应市场。整机各项性能完全可以与进口设备相媲美，具有较大的价格优势，为太阳能生产线厂商的设备投资节省成本，增强国内企业的市场竞争能力。