CN103921358B - 一种全自动单晶硅棒切方磨削复合加工一体设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于单晶硅棒加工设备领域，旨在提供一种全自动单晶硅棒切方磨削复合加工一体设备；其中包括底架、切方动力头驱动组件、磨削动力头驱动组件、外罩单元、边皮输送机构、尺寸检测单元、晶向检测单元、切磨工作台和机械手及储料台组件；所述底架中部设有两根平行的主导轨，所述切磨工作台安装于两根主导轨上，并由设置在底架上的主驱动电机通过底架上的主丝杆进行驱动，使其能沿着主导轨移动；本发明的有益效果有：晶棒的切方磨削加工在一台设备中全自动进行，可有效缩短晶棒流转的耗时；切方磨削工作相互独立，同时进行加工，节约加工耗时；切方磨削动力头采用对称布局，同时进行双面加工，成倍地提高加工效率。

Description

一种全自动单晶硅棒切方磨削复合加工一体设备

技术领域

本发明属于单晶硅棒加工设备领域，具体涉及一种全自动单晶硅棒切方磨削复合加工一体设备。

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间流转以完成整个加工过程。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。整个加工过程需要三种不同功能的设备配合，而且硅棒需频繁地在设备间进行搬运和装夹定位操作。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

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种全自动单晶硅棒切方磨削复合加工一体设备。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种全自动单晶硅棒切方磨削复合加工一体设备，包括底架、切方动力头驱动组件、磨削动力头驱动组件、外罩单元、边皮输送机构、尺寸检测单元、晶向检测单元、切磨工作台和机械手及储料台组件；

所述底架中部设有两根平行的主导轨，所述切磨工作台安装于两根主导轨上，并由设置在底架上的主驱动电机通过底架上的主丝杆进行驱动，使其能沿着主导轨移动；

所述底架两侧有四个延伸平台，每侧各两个；所述切方动力头驱动组件和磨削动力头驱动组件安装在底架延伸平台上；所述切方动力头驱动组件包括两个切方动力头，所述磨削动力头驱动组件包括两个粗磨动力头、两个精磨动力头；所述机械手及储料台组件、晶向检测单元、尺寸检测单元、切方动力头安装于底架侧面；所述边皮传输机构安装于底架端部，所述外罩单元安装于底架上端。

本发明中，所述底架的主导轨上安装有两个切磨工作台，所述两个切磨工作台上包括尾座、底板、气缸、对刀传感器、基准块、头座和分度直驱电机；所述主驱动电机驱动主丝杆，从而驱动切磨工作台进给，在两根对称安装的主导轨导向下，平稳并精确地运动于底架上各工位之间；

所述用于夹紧晶棒的尾座和头座分别安装于切磨工作台底板的两端，且底板内设有气缸；尾座在气缸的驱动下沿着底板向头座离开或靠拢移动，从而实现松紧晶棒；

头座一端设有对刀传感器和基准块，用于晶棒加工前做为测量基准；其另一端设有分度直驱电机；

头座和尾座的回转中心位于同一高度，且在晶棒夹紧时，分度直驱电机通过高精度分度控制控制晶棒旋转并停止于所需的角度位置。

本发明中，所述切方动力头包括切方变频电机、切方支撑框架、切方刀盘安装座和盘状铣刀，两个切方动力头分别通过其各自切方刀盘安装座固定于底架；所述切方变频电机驱动盘状铣刀旋转，盘状铣刀外圈上镶嵌有金刚石颗粒，用于晶棒切方工序；

本发明中，所述粗磨动力头包括粗磨变频电机、粗磨支撑框架、粗磨砂轮安装座和粗磨杯型砂轮，两个粗磨动力头分别通过各自的粗磨砂轮安装座固定于底架；所述粗磨变频电机驱动粗磨杯型砂轮旋转，所述粗磨杯型砂轮的颗粒度为100～200目，用于晶棒粗磨工序。

本发明中，所述精磨动力头包括精磨变频电机、精磨支撑框架、精磨砂轮安装座和精磨杯型砂轮，两个精磨动力头分别通过各自精磨砂轮安装座固定于底架；所述精磨变频电机驱动精磨杯型砂轮旋转，所述精磨杯型砂轮的颗粒度为400～600目，用于晶棒精磨工序。

本发明中，所述机械手及储料台组件包括机械手部件和储料台部件，所述机械手部件用于将放置于储料台部件上的晶棒装入切磨工作台、将切方完成的晶棒从一个切磨工作台转运到另一个切磨工作台以及将磨削完成的晶棒从切磨工作台取下放置在储料台部件上。

本发明中，所述晶向检测单元包括安装架、升降气缸、激光测距传感器、传感器支架和罩壳，所述晶向检测单元通过安装架固定在底架上，激光测距传感器固定于传感器支架，且罩壳安装在升降气缸上端；所述晶向检测单元通过激光测距传感器进行非接触检测确定晶棒棱线的位置。

本发明中，所述尺寸检测单元包括底座、驱动电机、直线运动单元、滑台和接触式传感器；所述底座安装在底架上，驱动电机与直线运动单元相连，并一起安装在底座上；所述接触式传感器通过连接杆安装于滑台端部；该滑台安装在直线运动单元上，用于驱动带动接触式传感器进行尺寸检测。

本发明中，所述边皮输送机构包括传送电机、两套边皮滚轴、传送带和两个支撑架；所述支撑架安装在整机底架上，两套边皮滚轴分别安装于对应支撑架的同向端，传送带包裹在两个边皮滚轴上；传送带一端位于切方动力头的盘状铣刀下方，另一端位于晶向检测单元的罩壳外部；所述传送电机安装于两个支撑架之间，用于带动边皮滚轴转动。

本发明中，所述外罩单元为钣金件，用于保护设备；底架的底架本体由Q235钢板焊接而成，保证了底架的强度及其刚性，且在该底架本体上还设有水道，能有效地排出晶棒加工过程中混合硅粉的冷却水。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）晶棒的切方磨削加工在一台设备中全自动进行，无需在不同设备间转运，可有效缩短晶棒流转的耗时；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；此外，切方磨削动力头采用对称布局，同时进行双面加工，成倍地提高加工效率；

2）晶棒上下料及中转搬运均由机械手自动完成，既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，节省硅料损耗；

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）设备生产过程中，密闭的罩壳将硅粉通过抽气管道排出，又将加工产生的噪音显著降低，有效减少生产加工对车间环境的影响；

5）设备加工时除消耗水、电、气外，加工辅料仅为铣刀及砂轮，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，保护生态环境。

附图说明

图1为本发明的外形示意图；

图2为本发明去除罩壳后的俯视图；

图3为本发明底架示意图；

图4为本发明切磨工作台示意图；

图5为本发明切方动力头示意图；

图6为本发明粗磨动力头示意图；

图7为本发明精磨动力头示意图；

图8为本发明机械手及储料台组件示意图；

图9为本发明晶向检测单元示意图；

图10为本发明尺寸检测单元示意图；

图11为本发明边皮输送机构示意图；

附图标记为：100底架；200切方动力头驱动组件；300磨削动力头驱动组件；400外罩单元；500边皮输送机构；600切方动力头；700尺寸检测单元；800晶向检测单元；900切磨工作台；1000机械手及储料台组件；1100粗磨动力头；1200精磨动力头；101底架本体；102主丝杆；103主导轨；104主驱动电机；501传送电机；502边皮滚轴；503传送带；504支撑架；601切方变频电机；602切方支撑框架；603切方刀盘安装座；604盘状铣刀；701底座；702驱动电机；703直线运动单元；704滑台；705接触式传感器；801安装架；802升降气缸；803激光测距传感器；804传感器支架；805罩壳；901尾座；902底板；903气缸；904对刀传感器；905基准块；906头座；907分度直驱电机；1001机械手部件；1002储料台部件；1101粗磨变频电机；1102粗磨支撑框架；1103粗磨砂轮安装座；1104粗磨杯型砂轮；1201精磨变频电机；1202精磨支撑框架；1203精磨砂轮安装座；1204精磨杯型砂轮。

具体实施方式

以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。

本发明为一种全自动单晶硅棒切方磨削复合加工一体设备，下面根据附图进行详细说明本发明实施例，如图1～3所示，本发明包括底架100、切方动力头驱动组件200、磨削动力头驱动组件300、外罩单元400、边皮输送机构500、尺寸检测单元700、晶向检测单元800、切磨工作台900、机械手及储料台组件1000；所述底架100中部设有两根平行的主导轨103，所述切磨工作台900安装于两根主导轨103上，并由设置在底架100上的主驱动电机104通过底架100上的主丝杆102进行驱动，使其能沿着主导轨103移动；所述底架100的底架本体101由Q235钢板焊接而成，优选的焊接结构有效保证了底架的强度及其刚性，在底架本体101上还设计有水道，可以有效地排出晶棒加工过程中混合硅粉的冷却水。所述底架100两侧有四个延伸平台，每侧各两个；所述切方动力头驱动组件200和磨削动力头驱动组件300安装在底架100延伸平台上；所述切方动力头驱动组件200包括两个切方动力头600，所述磨削动力头驱动组件300包括两个粗磨动力头1100、两个精磨动力头1200；所述机械手及储料台组件1000、晶向检测单元800、尺寸检测单元700、切方动力头600安装于底架100侧面；所述边皮传输机构500安装于底架100端部，所述外罩单元400安装于底架100上端。

如图4所示，所述底架100的主导轨103上安装有两个切磨工作台900，所述两个切磨工作台900上包括尾座901、底板902、气缸903、对刀传感器904、基准块905、头座906和分度直驱电机907；所述主驱动电机104驱动主丝杆102，从而驱动切磨工作台900进给，在两根对称安装的主导轨103导向下，平稳并精确地运动于底架100上各工位之间；所述用于夹紧晶棒的尾座901和头座906分别安装于切磨工作台900底板902的两端，且底板902内设有气缸903；尾座901在气缸903的驱动下沿着底板902向头座906离开或靠拢移动，从而实现松紧晶棒；头座906一端设有对刀传感器904和基准块905，用于晶棒加工前做为测量基准；其另一端设有分度直驱电机907；头座906和尾座901的回转中心位于同一高度，且在晶棒夹紧时，分度直驱电机907通过高精度分度控制控制晶棒旋转并停止于所需的角度位置。

如图5所示，所述切方动力头600包括切方变频电机601、切方支撑框架602、切方刀盘安装座603和盘状铣刀604，两个切方动力头600分别通过其各自切方刀盘安装座603固定于底架100；所述切方变频电机601驱动盘状铣刀604旋转，盘状铣刀604外圈上镶嵌有金刚石颗粒，用于晶棒切方工序；在具体实现中，两个切方动力头600对称安装于底架100两侧，可在切方动力头驱动组件200的作用下在水平方向精确移动；切方变频电机601，安装于切方支撑框架602上，可带动盘状铣刀604高速旋转，从而实现对圆形晶棒双面切方，成倍提高加工效率；切方动力头600腔体内通有0.1～0.3Mpa的正压气体，可有效防止灰尘、加工冷却水等进入，造成动力头内部损伤。

如图6所示，所述粗磨动力头1100包括粗磨变频电机1101、粗磨支撑框架1102、粗磨砂轮安装座1103和粗磨杯型砂轮1104，两个粗磨动力头1100分别通过各自的粗磨砂轮安装座1103固定于底架100；所述粗磨变频电机1101驱动粗磨杯型砂轮1104旋转，所述粗磨杯型砂轮1104的颗粒度为100～200目，用于晶棒粗磨工序；在具体实现中，两个粗磨动力头1100对称的安装于底架100两侧，可在磨削动力头驱动组件300的作用下在水平方向和竖直方向上精确移动；粗磨变频电机1101，安装于粗磨支撑框架1102上，可带动粗磨杯型砂轮1104高速旋转，实现晶棒两侧同时进行的外圆磨削及平面磨削，成倍提高加工效率；磨削动力头腔体内通有0.1～0.3Mpa的正压气体，可有效防止灰尘、加工冷却水等进入，造成动力头内部损伤。

如图7所示，所述精磨动力头1200包括精磨变频电机1201、精磨支撑框架1202、精磨砂轮安装座1203和精磨杯型砂轮1204，两个精磨动力头1200分别通过各自精磨砂轮安装座1203固定于底架100；所述精磨变频电机1201驱动精磨杯型砂轮1204旋转，所述精磨杯型砂轮1204的颗粒度为400～600目，用于晶棒精磨工序；在具体实现中，两个精磨动力头1200对称的安装于底架100两侧，可在磨削动力头驱动组件300的作用下在水平方向和竖直方向上精确移动；精磨变频电机1201，安装于精磨支撑框架1202上，可带动精磨杯型砂轮1204高速旋转，实现晶棒两侧同时进行的外圆磨削及平面磨削，成倍提高加工效率；磨削动力头腔体内通有0.1-0.3Mpa的正压气体，可有效防止灰尘、加工冷却水等进入，造成动力头内部损伤。

如图8所示，所述机械手及储料台组件1000包括机械手部件1001和储料台部件1002，所述机械手部件1001用于将放置于储料台1002部件上的晶棒装入切磨工作台900、将切方完成的晶棒从一个切磨工作台900转运到另一个切磨工作台900以及将磨削完成的晶棒从切磨工作台900取下放置在储料台部件1002上；在具体实现中，机械手部件1001包括水平移动、竖直移动，夹持三个动作，储料台部件1002可以放置圆晶棒和方晶棒。

如图9所示，所述晶向检测单元800包括安装架801、升降气缸802、激光测距传感器803、传感器支架804和罩壳805，所述晶向检测单元800通过安装架801固定在底架100上，激光测距传感器803固定于传感器支架804，且罩壳805安装在升降气缸802上端；所述晶向检测单元800通过激光测距传感器803进行非接触检测确定晶棒棱线的位置；在具体实现中，升降气缸802控制打开罩壳805，激光测距传感器803将激光照射在晶棒表面，通过晶棒的旋转，测量出距离最短的位置即凸起棱线所在的位置，从而调整角度，使晶向处于所需的位置再进行后续加工；测量完成后，罩壳805关闭以防止水气及粉尘进入。

如图10所示，所述尺寸检测单元700包括底座701、驱动电机702、直线运动单元703、滑台704和接触式传感器705，所述底座701安装在整机底架100上，驱动电机702与直线运动单元703相连，并一起安装在底座701上，接触式传感器705通过连接杆安装于滑台704端部，该滑台704安装在直线运动单元703上，用于驱动带动接触式传感器705进行尺寸检测。

在具体实现中，当晶棒位于尺寸检测工位后，直线运动单元703带动滑台704伸出直至接触式传感器705探头接触晶棒表面后停下，再缩回进行下一次触碰，待所需的测量点全部触碰完成后，系统将会根据基准和触碰位移等数据计算出测量的晶棒尺寸；所述尺寸检测单元700用于检测晶棒外径尺寸并计算加工量。

如图11所示，所述边皮输送机构500包括传送电机501、两套边皮滚轴502、传送带503、两个支撑架504，所述支撑架504安装在整机底架100上，两套边皮滚轴502分别安装于对应支撑架504的同向端，传送带503包裹并安装于两个边皮滚轴502，传送带一端位于切方动力头600的盘状铣刀604下方，另一端位于晶向检测单元800的罩壳805外部；；传送电机501安装于两个支撑架504之间，用于带动边皮滚轴502转动。

在具体实现中，传送带503一端位于切方动力头600的盘状铣刀604下方，另一端位于设备外部，当切方完成后，边皮下落至传送带503输送至设备外部的边皮滚轴502上供操作人员取走回收。

所述外罩单元400为钣金件，用于保护设备；在具体实现中，所述外罩单元拆分为6段组成，包括3扇自动移门以及5扇开门，所有门合理分布于边皮输送机构500、切方动力头600、粗磨动力头1100及精磨动力头1200附近，方便工作人员进行观察、调试、维护等动作；自动移门位于晶棒上下料位置，与机械手及储料台组件1000所在位置对应，自动移门通过气缸驱动打开或关闭，并由系统控制协助晶棒上下料动作；外罩单元上还安装有一通气管道，通过外部吸气装置把晶棒加工过程的水、尘排出，减少机器内部的粉尘堆积。

Claims (9)

1.一种全自动单晶硅棒切方磨削复合加工一体设备，包括底架、切方动力头驱动组件、磨削动力头驱动组件、外罩单元，其特征在于，还包括边皮输送机构、尺寸检测单元、晶向检测单元、切磨工作台和机械手及储料台组件；

所述底架中部设有两根平行的主导轨，切磨工作台安装在两根主导轨上，并由设置在底架上的主驱动电机通过底架上的主丝杆进行驱动，使其沿着主导轨移动；

所述底架两侧分别设有两个延伸平台，切方动力头驱动组件和磨削动力头驱动组件分别安装在对应的底架延伸平台上；所述切方动力头驱动组件包括两个切方动力头，所述磨削动力头驱动组件包括两个粗磨动力头和两个精磨动力头；所述机械手及储料台组件、晶向检测单元、尺寸检测单元、切方动力头均安装于底架两侧面；边皮传输机构安装于底架一端部，外罩单元安装于底架上端；

所述底架的主导轨上安装有两个切磨工作台，两个切磨工作台上包括尾座、底板、气缸、对刀传感器、基准块、头座和分度直驱电机；所述主驱动电机驱动主丝杆，从而驱动切磨工作台进给；

用于夹紧晶棒的尾座和头座分别安装于切磨工作台底板的两端，且底板内设有气缸；尾座在气缸的驱动下沿着底板向头座离开或靠拢，从而实现松紧晶棒；

头座一端设有对刀传感器和基准块，用于晶棒加工前做为测量基准；另一端设有分度直驱电机；头座、尾座的回转中心位于同一高度，且在晶棒夹紧时，分度直驱电机控制晶棒旋转并停止于所需的角度位置。

2.根据权利要求1中所述的切方磨削复合加工一体设备，其特征在于，所述切方动力头包括切方变频电机、切方支撑框架、切方刀盘安装座和盘状铣刀，两个切方动力头分别通过各自对应的切方刀盘安装座固定于底架；所述切方变频电机驱动盘状铣刀旋转，盘状铣刀外圈上镶嵌有金刚石颗粒，用于晶棒切方工序。

3.根据权利要求1中所述的切方磨削复合加工一体设备，其特征在于，所述粗磨动力头包括粗磨变频电机、粗磨支撑框架、粗磨砂轮安装座和粗磨杯型砂轮，两个粗磨动力头分别通过各自对应的粗磨砂轮安装座固定于底架；所述粗磨变频电机驱动粗磨杯型砂轮旋转，所述粗磨杯型砂轮的颗粒度为100～200目，用于晶棒粗磨工序。

4.根据权利要求1中所述的切方磨削复合加工一体设备，其特征在于，所述精磨动力头包括精磨变频电机、精磨支撑框架、精磨砂轮安装座和精磨杯型砂轮，两个精磨动力头分别通过各自对应的精磨砂轮安装座固定于底架；所述精磨变频电机驱动精磨杯型砂轮旋转，所述精磨杯型砂轮的颗粒度为400～600目，用于晶棒精磨工序。

5.根据权利要求1中所述的切方磨削复合加工一体设备，其特征在于，所述机械手及储料台组件包括机械手部件和储料台部件，所述机械手部件用于将设在储料台部件上的晶棒装入切磨工作台、将切方完成的晶棒从一个切磨工作台转运到另一个切磨工作台以及将磨削完成的晶棒从切磨工作台取下放置在储料台部件上。

6.根据权利要求1中所述的切方磨削复合加工一体设备，其特征在于，所述晶向检测单元包括安装架、升降气缸、激光测距传感器、传感器支架和罩壳，所述晶向检测单元通过安装架固定在底架上，激光测距传感器固定于传感器支架，且罩壳安装在升降气缸上端；所述晶向检测单元通过激光测距传感器进行非接触检测确定晶棒棱线的位置。

7.根据权利要求1中所述的切方磨削复合加工一体设备，其特征在于，所述尺寸检测单元包括底座、驱动电机、直线运动单元、滑台和接触式传感器；所述底座安装在底架上，驱动电机与直线运动单元相连，并一起安装在底座上；所述接触式传感器通过连接杆安装于滑台端部；该滑台安装在直线运动单元上，用于驱动带动接触式传感器进行尺寸检测。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的切方磨削复合加工一体设备，其特征在于，所述边皮输送机构包括传送电机、两套边皮滚轴、传送带和两个支撑架；所述支撑架安装在整机底架上，两套边皮滚轴分别安装于对应支撑架的同向端，传送带包裹在两个边皮滚轴上；传送带一端位于切方动力头的盘状铣刀下方，另一端位于晶向检测单元的罩壳外部；所述传送电机安装于两个支撑架之间，用于带动边皮滚轴转动。

9.根据权利要求1～7中任一项所述的切方磨削复合加工一体设备，其特征在于，所述外罩单元为钣金件，用于保护设备；所述底架的底架本体上还设有水道，用于排出晶棒加工过程中混合硅粉的冷却水。