一种晶体硅棒的切割装置及其切割方法
【专利摘要】一种晶体硅棒的切割装置及其切割方法，涉及人工晶体加工领域，本发明所述的晶体硅棒的切割装置包括机架、床身、硅棒传送机构和硅棒切割机构，其特征在于：还包括机械手自动上、下料系统、自动探测定位系统以及数控操作系统，所述的切割机构为金刚石线切割系统。本发明可同时完成多根开方后多晶硅铸锭原料头、尾部分的切割加工，实现整个过程的多工位自动上下料、自动定位、自动切割，明显提高了生产效率、降低了劳动强度。
【专利说明】
一种晶体硅棒的切割装置及其切割方法
[0001]【技术领域】
本发明涉及人工晶体加工领域，具体说涉及一种晶体硅棒的切割装置及其切割方法。
[0002]【【背景技术】】
铸造多晶硅目前已成功取代直拉单晶硅成为主要的太阳能电池材料。而铸造多晶硅锭原料的底部和顶部都存在低少子寿命区域。少子寿命是半导体材料和器件的重要参数，它直接反映了材料的质量和制成器件的特性。而铸造多晶硅材料中高密度的杂质、结晶学缺陷以及少子寿命又是影响其太阳能电池转换效率的重要因素。由于硅锭原料中间部分少子寿命值较高、密度较低且分布均匀，而底部和顶部存在缺陷、密度较高，为了提高产品的质量，一般要对硅锭原料的两端进行切割，而切割位置通常需要通过少子寿命测试仪来检测确定。目前，晶体切割已成为人工晶体加工领域中广泛使用的技术。
[0003]现有技术中常用的切割装置为卧式锯床和立式锯床，两种锯床均安装电镀金刚石锯带。卧式锯床可单根或多根同时加工，立式锯床一般单根加工。根据检测结果，首先在晶棒两端把要截掉的部分依靠人工画线来做出标记，切割时通过人工肉眼观察，使标记线与切割刀刃的位置重合。
[0004]就切割技术而言，锯带是切割单晶硅棒的主要工具。锯带一般被安装在锯床上，在一定的张力与进给速度下对单晶硅棒进行切割。现有的锯带在切割单晶硅棒时会产生2_左右的锯缝和3_左右的斜面，对材料的损耗较大。在此操作过程中，人工劳动强度较大。
[0005]目前还有一种使用金刚石线对单晶硅棒进行切割的技术，金刚石线切割是比较先进的硅棒切割加工技术。借助于收放线装置使金刚石线产生高速运动，在切割液辅助冷却的作用下对晶棒材料进行摩擦，从而达到切割的目的。
[0006]现有技术中该加工方法与卧式锯床加工方式类似，多为单根加工，也有一次性加工多根的相关设备。采用金刚石线对单晶硅棒进行切割时，由于使用记号笔画线、人工对线，不仅切割效率低，而且人工劳动强度大。随着光伏技术的发展，人工晶体的应用量不断扩大，现有技术这种低效的人工切割方式已经难以满足生产的需求，急需开发一种生产效率高的自动化切割设备。
[0007]【
【发明内容】
】
针对现有技术中存在的不足，本发明公开了一种全自动硅棒切割装置及其切割方法，可同时完成多根开方后多晶硅铸锭原料头、尾部分的切割加工，实现整个过程的多工位自动上下料、自动定位、自动切割，明显提高了生产效率、降低了劳动强度。
[0008]本发明采用如下技术方案:
一种晶体硅棒的切割装置，该装置包括床身、机架、硅棒传送机构和硅棒切割机构，还包括机械手自动上、下料系统、自动探测定位系统以及数控操作系统，所述的切割机构为金刚石线切割系统。
[0009]所述的硅棒传送机构为导轨丝杠传动机构，机械手自动上、下料系统包括机械手机构、转运小车、废料输送机构、硅棒气动夹紧机构和机械手丝杠传动机构，转运小车上可同时放多根待加工硅棒，机械手机构从转运小车上抓取硅棒并依次放入硅棒气动夹紧机构内，导轨丝杠传动机构装载硅棒由自动探测定位系统进行探测定位并将其送入切割部位，所述的导轨丝杠传动机构为滚珠丝杠传动机构。
[0010]所述的自动探测定位系统包括六对对射传感器，它们沿切割装置的横向排列成上下两排，该对射传感器分别对三根硅棒的起始、结束位置和硅棒上突起的定位贴片进行探测定位，探测并储存每根硅棒的定位贴片所标示的切割位置及硅棒的长度，并由数控操作系统根据该储存数据对硅棒进行控制。
[0011]为了提高探测的可靠性，可以增加对射传感器的数量，例如可以采用六对对射传感器对硅棒进行探测。
[0012]所述的金刚石线切割系统包括切割升降机构、切割线张紧机构、排线纠偏机构、收放线机构、配电箱、提拉丝杠机构、配重机构、水冷却系统以及自动冲洗系统，金刚石线在装置中循环往复运动，在冷却水的作用下对硅棒进行切割。
[0013]所述的数控操作系统包括触屏控制箱。
[0014]本发明还公开了一种对晶体硅棒进行切割的方法，该方法包括:
对开方后的娃棒进行检测，以确定娃棒的可使用范围，将突起的定位贴片固定在娃棒的表面，标识出切割位置；
利用导轨丝杠传动机构对三根硅棒分别进行输送，在输送过程中依靠六对对射传感器分别对三根硅棒的起始、结束位置和硅棒上突起的定位贴片进行探测定位，探测并储存每根硅棒的长度、第一定位贴片和第二定位贴片所标示的切割位置，根据存储的数据由数控操作系统控制移动各根硅棒，待三根硅棒的相应切割线抵达同一直线后，再对其同时进行切割；
硅棒的首尾切割完成后，用机械手将两端切割下的硅棒放至废料输送装置皮带上移出设备，将中间部分成品硅棒放至成品小车。
[0015]硅棒在移动探测过程中，一种方式是首先通过对射传感器分别探测每根硅棒的第一定位贴片所标示的切割位置，探测到第一切割位置后，通过数控操作系统使硅棒继续前行距离D，该距离D为探测传感器与金刚石线切割工位间的水平间距，待第一切割线抵达切割部位后，该硅棒便停止运动，最终使三根硅棒的第一切割线在同一直线上对齐；
利用金刚石线对三根硅棒同时进行第一次切割；
第一次切割完成之后，继续移动硅棒，使其后端的第二定位贴片通过对射传感器，继续探测每根硅棒的第二定位贴片所标示的切割位置，探测到切割位置后，通过数控操作系统使硅棒继续前行距离D，该距离D为探测传感器与金刚石线切割工位间的水平间距，待第二切割线抵达切割部位后，该硅棒便停止运动，最终使三根硅棒的第二切割线在同一直线上对齐；
利用金刚石线对三根硅棒同时进行第二次切割。
[0016]该方式适用于所切割硅棒总长度大于对射传感器到切割线的距离的情况。
[0017]另一种方式是:硅棒在移动探测过程中，首先通过六对对射传感器分别探测并储存每根硅棒的起始位置、第一定位贴片和第二定位贴片位置所标示的切割位置、结束位置；
根据所存储的行进数据以及探测传感器与切割线之间的距离D，分别将各硅棒的第一切割线移动至切割部位，对齐后对三根硅棒同时进行第一次切割；
根据所存储的行进数据分别移动各根硅棒，将其第二切割线移至切割部位，对齐后对三根硅棒同时进行第二次切割。
[0018]由于采用上述技术方案，本发明实现了整个过程的多工位自动上下料、自动定位、自动切割，明显提高了生产效率、降低了劳动强度。
[0019]【【附图说明】】
图1是本发明切割装置一具体实施例的整体结构透视示意图；
图2是图1所示切割装置的侧视示意图；
图3是本发明切割装置中机械夹持机构一个具体实施例的结构透视示意图；
图4是图3所示机械夹持机构实施例的另一透视示意图；
图5是图3所示机械夹持机构实施例的主视示意图；
图6是图3所示机械夹持机构实施例的左视示意图；
附图中零部件编号与名称的对应关系是:
1、床身主体;2、导轨丝杠传动机构;3、硅棒气动夹紧机构;4、硅棒；5、第一定位贴片；5，、第二定位贴片;6、龙门架;7、切割升降机构;8、切割线张紧机构;9、排线纠偏机构；10、收放线机构；11、配电箱；12、提拉丝杠机构；13、配重机构；14、触屏控制箱；15、转运小车；16、对射传感器；17、冷却水管；18、机械手丝杠传动机构；19、机械手机构；20、废料输送机构；21、第一气缸固定板;22、夹紧侧板;23、气缸连接杆;24、气缸定位杆;25、第二气缸固定板；
26、第一接近传感器;27、定位板;28、垂直移动气缸;29、第一防护垫板;30、导向块;31、左右移动气缸;32、第二防护垫板;33、第二接近传感器;34、固定板;35、前后移动气缸;36、防护垫板C; 37、升降块;38、冲洗水管。
[0020]【【具体实施方式】】
下面将结合附图对本发明的切割装置及其切割方法以具体实施例的方式进行说明。
[0021]本发明的切割装置采用金刚石线切割技术，该装置由机架、床身、滚动直线导轨副、气动夹紧系统、机械手自动上、下料、自动定位、金刚石线线轮张紧机构、传动系统、升降系统、气动夹紧系统、数控操作系统等部分组成。
[0022]附图1-2描述了发明硅棒切割装置一个具体实施例的结构。该装置包括:
床身主体1、导轨丝杠传动机构2、硅棒气动夹紧机构3、硅棒4、第一定位贴片5、第二定位贴片5’、龙门架6、切割升降机构7、切割线张紧机构8、排线纠偏机构9、收放线机构10、配电箱11、提拉丝杠机构12、配重机构13、触屏控制箱14、转运小车15、对射传感器16、冷却水管17、机械手丝杠传动机构18、机械手机构19、废料输送机构20以及冲洗水管38。
[0023]首先对开方后的硅棒4进行检测，以确定硅棒的可使用范围并对切割线做出标识。例如，该标识可以采用突起的定位贴片5、5 ’，将定位贴片5、5 ’固定在娃棒4的表面，指示出硅棒4的前后切割位置。通过对射传感器16对定位贴片5所标识的切割线进行探测并储存。该标识物及其识别方式可以借鉴现有技术中的各种成熟技术，例如也可以采用具有反射功能的平面标识;探测传感装置可以采用红外线探测器或者激光探测器等。
[0024]将标示好的硅棒4通过转运小车15运送至切割设备的侧面，转运小车15可以通过皮带对硅棒4进行运输。转运小车15上可同时放多根待加工硅棒4 ο机械手机构19从转运小车15上抓取硅棒4并依次放入切割装置中的硅棒气动夹紧机构3内。机械手机构19脱离后，硅棒气动夹紧机构3夹紧并通过导轨丝杠传动机构2移动硅棒4，通过探测装置对硅棒4进行切割位置探测并储存数据。
[0025]本发明的所述的探测装置采用的是对射传感器。利用导轨丝杠传动机构2对三根娃棒4分别进行输送，在输送过程中依靠三对位于同一直线上的对射传感器16分别对三根娃棒4上突起的定位贴片进行探测定位，探测每根娃棒4的第一定位贴片5和第二定位贴片5’所标示的切割位置，并由数控操作系统控制移动各根硅棒4，待三根硅棒4的相应切割线抵达同一直线后，再对其同时进行切割。为了提高探测的可靠性，可以增加对射传感器16的数量，例如可以采用六对对射传感器16对硅棒进行探测。即在所述的对射传感器16的下方再增设三对对射传感器，位于下方的三对对射传感器分别对放置于导轨丝杠传动机构2上的三根硅棒4的起始端面和结束端面进行探测定位，由数控操作系统计算每根硅棒的总长度，并确定表面突起的定位贴片5在每根硅棒长度方向的实际位置，当位置超出允许切割范围时，实现自动报警功能。
[0026]在本发明的一个实施例中，硅棒4在移动探测过程中首先利用对射传感器16分别探测每根硅棒的第一定位贴片5所标示的切割位置，探测到第一切割位置后，通过数控操作系统使硅棒4继续前行距离D，该距离D为探测传感器与金刚石线切割工位间的水平间距，待硅棒4的第一切割线抵达切割部位后，该硅棒4便停止运动，最终使三根硅棒的第一切割线在同一直线上对齐。对其之后，利用金刚石线对三根硅棒4同时进行第一次切割。
[0027]第一次切割完成之后，继续移动硅棒4，使其后端的第二定位贴片5’通过对射传感器16，继续探测每根硅棒的第二定位贴片5’所标示的切割位置，探测到切割位置后，通过数控操作系统使硅棒4继续前行距离D，该距离D为探测传感器与金刚石线切割工位间的水平间距，待硅棒4的第二切割线抵达切割部位后便停止运动，最终使三根硅棒4的第二切割线在同一直线上对齐。利用金刚石线对三根硅棒同时进行第二次切割。
[0028]该切割方式适用于成品硅棒4的长度大于上述距离D的情况。
[0029]为确保切割位置的精确，应选择精度较高的硅棒传送机构。本实施例中的传送机构采用了滚珠丝杠。该传送机构传动精度高、具有过载、过流保护功能，以保证设备安全可靠运行。
[0030]切割完毕后，机械手机构19依次抓取各段硅棒4移出切割部位。
[0031 ]在本发明的第二个实施例中，与上述实施例相比，仅在于硅棒4的探测及移动次序有所不同。
[0032]该实施例中，当三组对射传感器16首先分别检测出每根硅棒4的第一定位贴片5所标示的切割位置之后，硅棒4继续前行，对第二定位贴片5’进行探测，并对两定位片5、5’之间的距离数据进行存储。
[0033]待对两组定位片5、5’的探测完毕之后，根据所存储的数据以及探测传感器与切割线之间的距离D，将各硅棒的第一切割线移动至切割部位，同时进行第一次切割。然后根据所存储的数据分别移动各根硅棒，使其第二切割线移至切割部位，对其后对多根硅棒4同时进行第二次切割。
[0034]该切割方式适用于成品硅棒4的长度小于上述距离D的情况。
[0035]机械手属于成熟的现有技术。
[0036]附图3-6描述了本发明使用的一种机械手夹持机构的具体结构。
[0037]该夹持机构由三维方向排置的垂直移动气缸28、左右移动气缸31以及前后移动气缸35三组气缸组成。除此之外还包括第一气缸固定板21、夹紧侧板22、气缸连接杆23、气缸定位杆24、第二气缸固定板25、第一接近传感器26、定位板27、第一防护垫板29、导向块30、第二防护垫板32、第二接近传感器33及固定板34。机械手通过垂直移动气缸28实现升降，通过左右移动气缸31和前后移动气缸35两组气杠实现宽度方向及长度方向的夹紧。切割后，依靠气缸将切割后的首尾硅棒抓起，并移动至废料输送装置上方，垂直移动气缸28控制机械手下降再运行至第一接近传感器26感应到定位板27位置时，前后移动气缸35收回，将端部硅棒放至废料输送装置皮带上。然后机械手升起，皮带电机启动，将废硅棒移出设备。机械手继续把中间部分成品硅棒放至另一侧成品转运小车，完成整个过程加工。
[0038]本发明设置人机交换系统，根据硅棒4所处位置及对射传感器16所采集到的数据，通过数控控制系统实现加工过程的自动化控制。控制系统由PLC控制，通过触控操作屏进行操作，输入设定加工的相关参数，可实现全自动数控加工。数控技术也属于本领域技术人员熟知的现有技术，在此不予赘述。
[0039]本发明的切割装置既可以独立使用，也可以作为硅棒切割加工线的一个加工单元，与其他加工单元配合使用。
【主权项】
1.一种晶体硅棒的切割装置，该装置包括机架、床身、硅棒传送机构和硅棒切割机构，其特征在于:还包括机械手自动上、下料系统、自动探测定位系统以及数控操作系统，所述的切割机构为金刚石线切割系统。2.如权利要求1所述的切割装置，其特征在于:所述的硅棒传送机构为导轨丝杠传动机构(2)，机械手自动上、下料系统包括机械手机构(19)、转运小车(15)、废料输送机构(20)、硅棒气动夹紧机构(3 )和机械手丝杠传动机构(18)，转运小车(15 )上可同时放多根待加工娃棒(4)，机械手机构(19)从转运小车(15)上抓取娃棒(4)并依次放入娃棒气动夹紧机构(3)内，导轨丝杠传动机构(2)装载硅棒(4)由自动探测定位系统进行探测定位并将其送入切割部位，所述的导轨丝杠传动机构(2 )为滚珠丝杠传动机构。3.如权利要求1所述的切割装置，其特征在于:所述的自动探测定位系统包括三对对射传感器(16)，它们沿切割装置的横向排列成一直线，该对射传感器(16)分别对放置于导轨丝杠传动机构(2 )上的三根娃棒(4 )表面突起的定位贴片(5 )进行探测定位，探测每根娃棒定位贴片(5)所标示的切割位置，并由数控操作系统对硅棒(4)的移动进行控制。4.如权利要求3所述的切割装置，其特征在于:所述的对射传感器(16)的下方还增设三对对射传感器，位于下方的三对对射传感器分别对放置于导轨丝杠传动机构(2)上的三根硅棒(4)的起始端面和结束端面进行探测定位，由数控操作系统计算每根硅棒的总长度，并确定表面突起的定位贴片(5 )在每根硅棒长度方向的实际位置，当位置超出允许切割范围时，实现自动报警功能。5.如权利要求1所述的切割装置，其特征在于:所述的金刚石线切割系统包括切割升降机构(7 )、切割线张紧机构(8 )、排线纠偏机构(9 )、收放线机构(1 )、配电箱(11)、提拉丝杠机构(12)、配重机构(13)以及冷却水管(17)，金刚石线在装置中循环往复运动，在冷却水的作用下对硅棒(4)进行切割。6.如权利要求1所述的切割装置，其特征在于:所述的数控操作系统包括触屏控制箱(14)。7.如权利要求2所述的切割装置，其特征在于:所述的机械手机构(19)由沿三维方向排置的垂直移动气缸(28)、左右移动气缸(31)、前后移动气缸(35)组成，它们分别连接第一气缸固定板(21)、夹紧侧板(22 )、气缸连接杆(23 )、气缸定位杆(24 )、第二气缸固定板(25 )、第一接近传感器(26 )、定位板(27 )、第一防护垫板(29 )、导向块(30 )、第二防护垫板(32 )、第二接近传感器(33)及固定板(34)，机械手通过垂直移动气缸(28)实现垂直升降，通过左右移动气缸(31)和前后移动气缸(35)实现宽度方向及长度方向的夹紧。8.采用权利要求1所述的切割装置对晶体硅棒进行切割的方法，该方法包括:对开方后的娃棒(4)进行检测，以确定娃棒(4)的可使用范围，将突起的定位贴片(5、5’)固定在娃棒(4)的表面，标识出前后端的切割位置； 利用导轨丝杠传动机构(2)对三根硅棒(4)分别进行输送，在输送过程中依靠三对位于同一直线上的对射传感器(16 )分别对三根娃棒(4 )上突起的定位贴片(5 )进行探测定位，探测并储存每根硅棒(4)的第一定位贴片(5)和第二定位贴片(5’)所标示的切割位置，并由数控操作系统根据该数据移动各根硅棒(4)，待三根硅棒(4)的相应切割线抵达同一直线后，再对其同时进行切割； 硅棒(4)的首尾切割完成后，用机械手将两端切割下的硅棒(4)放至废料输送装置皮带上移出切割装置，将中间部分成品硅棒放至成品小车。9.如权利要求8所述的方法，其特征在于: 硅棒(4)在移动探测过程中，首先通过对射传感器(16)分别探测每根硅棒的第一定位贴片(5)所标示的切割位置，探测到第一切割位置后，通过数控操作系统使硅棒(4)继续前行距离D，该距离D为探测传感器与金刚石线切割工位间的水平间距，待第一切割线抵达切割部位后，该硅棒便停止运动，最终使三根硅棒的第一切割线在同一直线上与切割位置对齐； 利用金刚石线对三根硅棒(4)同时进行第一次切割； 第一次切割完成之后，继续移动硅棒(4)，使其后端的第二定位贴片(5’)通过对射传感器(16)，继续探测每根硅棒的第二定位贴片(5’)所标示的切割位置，探测到切割位置后，通过数控操作系统使硅棒(4)继续前行距离D，该距离D为探测传感器与金刚石线切割工位间的水平间距，待第二切割线抵达切割部位后，该硅棒便停止运动，最终使三根硅棒的第二切割线在同一直线上与切割位置对齐； 利用金刚石线对三根硅棒同时进行第二次切割。10.如权利要求8所述的方法，其特征在于: 硅棒(4)在移动过程中，通过三组对射传感器(16)分别探测并存储每根硅棒的第一定位贴片(5)和第二定位贴片(5’)所标示的切割位置，根据所存储的数据以及探测传感器与切割线之间的距离D，分别将各硅棒的第一切割线移动至切割部位，对齐后对三根硅棒(4)同时进行第一次切割； 根据所存储的数据分别移动各根硅棒(4)，将其第二切割线移至切割部位，对齐后对三根硅棒(4)同时进行第二次切割。
【文档编号】B28D7/02GK105835246SQ201610315596
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月14日
【发明人】刘朝轩, 王晨光, 邵玮
【申请人】洛阳金诺机械工程有限公司