硅单晶四爪等力矩在线抓取装置的制作方法

本发明涉及一种硅单晶体生长过程中、不改变硅单晶体旋转中心位置、提升和旋转运动状态的在线抓取装置，应用于大尺寸、大重量的光伏级或电子级硅单晶体直拉法(cz法)生长炉的硬轴重载晶体提拉装置，具体地说是一种硅单晶四爪等力矩在线抓取装置。

背景技术：

硅单晶是光伏电池和半导体工业的基础材料，90％以上的光伏电池和95％以上的半导体器件采用的是硅基衬底，其中直拉硅单晶技术成熟度高，占据着主要市场。基于光伏电池和半导体器件生产效率和降低成本诸方面的原因，硅单晶体正在向大直径、大重量的方向发展。当硅单晶体重量≥500kg时，因籽晶引颈部位φ5mm左右晶体的承重能力已不能满足要求，需要用四爪等力矩在线抓取装置、二次在线抓取来代替。

技术实现要素：

根据上述技术问题，而提供一种硅单晶四爪等力矩在线抓取装置。

本发明采用的技术手段如下：

一种硅单晶四爪等力矩在线抓取装置，包括竖直穿入所述真空炉室内的单晶体承重外硬轴，所述单晶体承重外硬轴的底部安装有用于夹持单晶体的小肩部单晶体卡爪，且所述单晶体承重外硬轴的顶部具有驱动所述单晶体卡爪夹紧所述单晶体或松开所述单晶体的卡爪驱动装置；

所述单晶体卡爪包括四个卡爪，四个所述卡爪围绕所述单晶体承重外硬轴的轴线均匀分布，且四个卡爪的中部与所述单晶体承重外硬轴的外壁铰接，所述单晶体承重外硬轴的底部在所述卡爪的上部所在处加工有开口，所述卡爪的底部具有卡持部；

所述卡爪驱动装置包括设置在所述单晶体承重外硬轴顶部的卷丝轮箱体，所述卷丝轮箱体内设有与所述卷丝轮箱体转动连接的四个卷丝轴，所述卷丝轴的轴线垂直于所述单晶体承重外硬轴的轴线，所述卷丝轴上固定有卷丝轮；每个所述卷丝轮均连接有驱动所述卷丝轴转动的卷丝轴驱动机构，且所述卷丝轴驱动机构设置在所述卷丝轮箱体外，所述卷丝轮与钨丝绳的一端固定连接，所述钨丝绳的另一端穿过竖直加工在所述单晶体承重外硬轴内的钨丝绳过孔后与所述卡爪的上部固定连接；

所述钨丝绳过孔的底部加工有弹簧容纳腔，且所述弹簧容纳腔内设有套在所述钨丝绳外的预紧弹簧，所述预紧弹簧的顶部与所述弹簧容纳腔的顶部相抵，所述预紧弹簧的底部与所述卡爪的顶部相抵。

进一步地，所述卷丝轮箱体的顶部固定有称重罩体，所述称重罩体的内部顶端安装有称重传感器，且所述称重传感器的底部连接有安装在所述称重罩体内的称重定滑轮，且所述称重定滑轮设置在四个所述卷丝轮中一个卷丝轮的正上方，且此卷丝轮连接的钨丝绳经过所述称重定滑轮后进入所述钨丝绳过孔，之后与所述卡爪的上部固定连接。

进一步地，所述卷丝轮箱体和所述称重罩体内均设有用于钨丝绳限位的钨丝绳限位块。

进一步地，四个所述卡持部向所述单晶体承重外硬轴的轴心延伸，且所述卡持部的顶面具有锥面，且所述锥面与所述单晶体顶部的小肩部底部锥面相匹配。

进一步地，所述卷丝轮箱体具有观察窗口，所述观察窗口处具有视窗玻璃。

本发明还提供了一种硬轴重载硅单晶提拉装置，包括：

支撑结构，竖直固定在真空炉室顶部；

上述的一种硅单晶四爪等力矩在线抓取装置，且所述一种硅单晶四爪等力矩在线抓取装置设置在所述支撑结构内；

花键槽，加工在所述单晶体承重外硬轴内，且竖直延伸；

籽晶承重内硬轴，竖直设置在所述单晶体承重外硬轴内，所述籽晶承重内硬轴的外壁具有与所述花键槽配合的花键；

籽晶卡头，与所述籽晶承重内硬轴底部固定连接，用于固定所述单晶体顶部的籽晶；

旋转驱动装置，安装在所述支撑结构内，且位于所述单晶体承重外硬轴的上方，用于驱动所述单晶体承重外硬轴转动；

外硬轴升降装置，安装在所述支撑结构顶部，用于驱动所述单晶体承重外硬轴升降；

内硬轴升降装置，安装在所述支撑结构内，用于驱动所述籽晶承重内硬轴升降。

进步一地，所述外硬轴升降装置包括：

四根竖直设置的滑轨，所述支撑结构的横截面呈正方形，且四根所述滑轨分别安装在所述支撑结构的四个角处；

滑座，安装在所述单晶体承重外硬轴的上部，且所述单晶体承重外硬轴轴向穿过所述滑座，所述滑座与所述单晶体承重外硬轴轴向固定连接，并通过磁流体实现与所述单晶体承重外硬轴之间的周向转动连接，所述滑座的四个角分别与四根所述滑轨滑动连接；

两个外硬轴升降驱动装置，对称安装在所述支撑结构的顶部两侧；

所述外硬轴升降驱动装置包括：

蜗杆减速器，固定安装在所述支撑结构的外壁，且所述蜗杆减速器的输出端安装有外硬轴主动带轮；

行星减速器，其输出端与所述蜗杆减速器的输入端连接；

外硬轴伺服电机，其输出端与所述行星减速器的输入端连接；

外硬轴丝杠，竖直安装在所述支撑结构内，其丝杆的顶部固定有外硬轴从动带轮，且丝杆穿过所述滑座，丝杠螺母与所述滑座固定连接；

同步齿形带，用于连接所述外硬轴主动带轮和所述外硬轴从动带轮。

进步一地，所述旋转驱动装置包括：

旋转减速器，固定安装在所述滑座上表面，且其输出端安装有旋转主动带轮；

旋转从动带轮，其固定在所述单晶体承重外硬轴的顶部；

旋转平台，设置在所述旋转从动带轮上方并与所述旋转从动带轮固定连接，所述卡爪驱动装置安装在所述旋转平台上；

皮带，用于连接所述旋转主动带轮和所述旋转从动带轮。

进步一地，所述内硬轴升降装置包括：

内硬轴丝杠，竖直设置，且其丝杆穿入所述籽晶承重内硬轴内，且其丝杠螺母与所述籽晶承重内硬轴的顶端内壁固定连接，所述籽晶承重内硬轴的顶端穿过所述旋转平台；

内硬轴伺服电机，通过支架与所述旋转平台固定连接；

内硬轴减速器，其输入端通过联轴器与所述内硬轴伺服电机的输出端连接，其输出端通过联轴器与所述内硬轴丝杠的丝杆顶部连接。

进一步地，所述籽晶承重内硬轴的顶部外套有内轴波纹管，其顶端与所述籽晶承重内硬轴顶部固定连接，并通过密封圈密封，其底端与所述卡爪驱动装置上表面密封固定连接。

进一步地，所述单晶体承重外硬轴外套有外轴波纹管，所述外轴波纹管的顶端与所述滑座的下表面密封固定连接，所述外轴波纹管的底端与所述真空炉室顶部密封固定连接。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、伴随着光伏电池的光电转换效率、使用寿命、衰减速率，和半导体器件的特征线宽、性能参数要求不断提升，对硅单晶的品质要求也越来越高。该技术应用在硬轴重载提拉装置中，内硬轴、外硬轴、直线滚珠导轨、直线滚珠丝杠和4爪等力矩抓取等机构，没有单摆的共振特性，以较强的强度和刚度，克服热场对称性偏差、气流激励作用力对称性偏差、单晶生长参数等方面引起的晶体扰动，在提高硅单晶内、外在品质、成品率、产能，降低成本、增强市场竞争力起到积极作用。

2、能够测量单晶体的重量。

3、替换钨丝绳软轴卷扬提拉装置，弥补承重小、晶体扰动量大的缺点，提高晶格缺陷、电阻率及其均匀性、碳氧含量、少子寿命等晶体内在品质和单晶外在形体合格率，拉制φ12～18英寸等大直径电子级单晶。

基于上述理由本发明可在大尺寸、大重量的光伏级或电子级直拉法(cz法)硅单晶体生产等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1和2中一种硅单晶四爪等力矩在线抓取装置主视图。

图2本发明实施例1和实施例2中单晶体卡爪结构示意视图。

图3为图2中a-a向剖视图。

图4为本发明实施例1和实施例2中卡爪驱动装置结构示意图。

图5为实施例2中硬轴重载硅单晶提拉装置主视图。

图6为图5中b向视图。

图7为图5中c部放大图。

图8为图5中d-d剖视图。

图中：

1、支撑结构；

2、真空炉室；

3、单晶体承重外硬轴；301、钨丝绳过孔；302、外轴波纹管；

4、籽晶承重内硬轴；401、内轴波纹管；402、密封圈；

5、单晶体卡爪；501、卡爪；502、卡持部；

6、单晶体；601、小肩部；602、籽晶；

7、籽晶卡头；

8、旋转驱动装置；801、旋转减速器；802、旋转主动带轮；803、旋转从动带轮；804、旋转平台；805、皮带；

9、外硬轴升降装置；901、滑轨；902、滑座；903、蜗杆减速器；904、外硬轴主动带轮；905、行星减速器；906、外硬轴伺服电机；907、外硬轴丝杠；908、外硬轴从动带轮；909、同步齿形带；

10、内硬轴升降装置；1001、内硬轴丝杠；1002、内硬轴伺服电机；1003、支架；1004、内硬轴减速器；

11、卡爪驱动装置；1101、卷丝轮箱体；1102、卷丝轴；1103、卷丝轮；1104、钨丝绳；1105、预紧弹簧；1106、称重罩体；1107、称重传感器；1108、称重定滑轮；1109、钨丝绳限位块；

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1～4所示，一种硅单晶四爪等力矩在线抓取装置，包括竖直穿入所述真空炉室2内的单晶体承重外硬轴3，所述单晶体承重外硬轴3的底部安装有用于夹持单晶体6的小肩部601单晶体卡爪5，且所述单晶体承重外硬轴3的顶部具有驱动所述单晶体卡爪5夹紧所述单晶体6或松开所述单晶体6的卡爪驱动装置11；

所述单晶体卡爪5包括四个卡爪501，四个所述卡爪501围绕所述单晶体承重外硬轴3的轴线均匀分布，且四个卡爪501的中部与所述单晶体承重外硬轴3的外壁铰接，所述单晶体承重外硬轴3的底部在所述卡爪501的上部所在处加工有开口，所述卡爪501的底部具有卡持部502；

所述卡爪驱动装置11包括设置在所述单晶体承重外硬轴顶部的卷丝轮箱体1101，所述卷丝轮箱体1101内设有与所述卷丝轮箱体1101转动连接的四个卷丝轴1102(视图为剖视图，只能看到一个，实际为四个)，所述卷丝轴1102的轴线垂直于所述单晶体承重外硬轴3的轴线，所述卷丝轴1102上固定有卷丝轮1103；每个所述卷丝轮1103均连接有驱动所述卷丝轴转动的卷丝轴驱动机构，且所述卷丝轴驱动机构设置在所述卷丝轮箱体1101外，所述卷丝轮1103与钨丝绳1104的一端固定连接，所述钨丝绳1104的另一端穿过竖直加工在所述单晶体承重外硬轴3内的钨丝绳过孔301后与所述卡爪501的上部固定连接；

所述钨丝绳过孔301的底部加工有弹簧容纳腔，且所述弹簧容纳腔内设有套在所述钨丝绳1104外的预紧弹簧1105，所述预紧弹簧1105的顶部与所述弹簧容纳腔的顶部相抵，所述预紧弹簧1105的底部与所述卡爪501的顶部相抵。

进一步地，所述卷丝轮箱体1101的顶部固定有称重罩体1106，所述称重罩体1106的内部顶端安装有称重传感器1107，且所述称重传感器1107的底部连接有安装在所述称重罩体1106内的称重定滑轮1108(只有一个称重定滑轮)，且所述称重定滑轮1108设置在四个所述卷丝轮1103中一个卷丝轮1103的正上方，且此卷丝轮1103连接的钨丝绳1104经过所述称重定滑轮1108后进入所述钨丝绳过孔301，之后与所述卡爪501的上部固定连接。称重传感器1107得到的重量为单晶体6重量的四分之一。

进一步地，所述卷丝轮箱体1101和所述称重罩体1106内均设有用于钨丝绳1104限位的钨丝绳限位块1109，用于保证钨丝绳1104在竖直方向上为直上直下且其与称重定滑轮1108连接处为标准半圆。

进一步地，四个所述卡持部502向所述单晶体承重外硬轴3的轴心延伸，且所述卡持部502的顶面具有锥面，且所述锥面与所述单晶体6顶部的小肩部601底部锥面相匹配。

进一步地，所述卷丝轮箱体1101具有观察窗口，所述观察窗口处具有视窗玻璃，方便用户观察。

实施例2

如图1～8所示，本发明还提供了一种硬轴重载硅单晶提拉装置，包括：

支撑结构1，竖直固定在真空炉室2顶部，所述支撑结构1的横截面呈正方形；

实施例1所述的一种硅单晶四爪等力矩在线抓取装置，且其设置在所述支撑结构1内；

花键槽，加工在所述单晶体承重外硬轴3内，且竖直延伸；

籽晶承重内硬轴4，竖直设置在所述单晶体承重外硬轴3内，所述籽晶承重内硬轴4的外壁具有与所述花键槽配合的花键；通过所述花键和所述花键槽实现单晶体承重外硬轴3和所述籽晶承重内硬轴4之间的上下滑动连接和周向能够同步运动；

籽晶卡头7，与所述籽晶承重内硬轴4底部固定连接，用于固定所述单晶体6顶部的籽晶602；

旋转驱动装置8，安装在所述支撑结构1内，且位于所述单晶体承重外硬轴3的上方，用于驱动所述单晶体承重外硬轴3转动；

外硬轴升降装置9，安装在所述支撑结构1顶部，用于驱动所述单晶体承重外硬轴3升降；

内硬轴升降装置10，安装在所述支撑结构1内，用于驱动所述籽晶承重内硬轴升降4。

进一步地，所述外硬轴升降装置9包括：

四根竖直设置的滑轨901，四根所述滑轨901分别安装在所述支撑结构1的四个角处；

滑座902，安装在所述单晶体承重外硬轴3的上部，且所述单晶体承重外硬轴3轴向穿过所述滑座902，所述滑座902与所述单晶体承重外硬轴3轴向固定连接，并通过磁流体实现与所述单晶体承重外硬轴3之间的周向转动连接，所述滑座902的四个角分别与四根所述滑轨901滑动连接；

两个外硬轴升降驱动装置，对称安装在所述支撑结构1的顶部两侧；

所述外硬轴升降驱动装置包括：

蜗杆减速器903，固定安装在所述支撑结构1的外壁，且所述蜗杆减速器903的输出端安装有外硬轴主动带轮904；

行星减速器905，其输出端与所述蜗杆减速器903的输入端连接；

外硬轴伺服电机906，其输出端与所述行星减速器905的输入端连接；

外硬轴丝杠907，竖直安装在所述支撑结构1内，其丝杆的顶部固定有外硬轴从动带轮908，且丝杆穿过所述滑座902，丝杠螺母与所述滑座902固定连接；

同步齿形带909，用于连接所述外硬轴主动带轮904和所述外硬轴从动带轮908。

进一步地，所述旋转驱动装置8包括：

旋转减速器801，固定安装在所述滑座902上表面，且其输出端安装有旋转主动带轮802；

旋转从动带轮803，其固定在所述单晶体承重外硬轴3的顶部；

旋转平台804，设置在所述旋转从动带轮803上方，与所述旋转从动带轮803固定连接；

皮带805，用于连接所述旋转主动带轮802和所述旋转从动带轮803。

所述内硬轴升降装置10包括：

内硬轴丝杠1001，竖直设置，且其丝杆穿入所述籽晶承重内硬轴4内，且其丝杠螺母与所述籽晶承重内硬轴4的顶端内壁固定连接，所述籽晶承重内硬轴4的顶端穿过所述旋转平台804；

内硬轴伺服电机1002，通过支架1003与所述旋转平台804固定连接；

内硬轴减速器1004，其输入端通过联轴器与所述内硬轴伺服电机1002的输出端连接，其输出端通过联轴器与所述内硬轴丝杠1001的丝杆顶部连接。

所述籽晶承重内硬轴4的顶部外套有内轴波纹管401，其顶端与所述籽晶承重内硬轴4顶部固定连接，并通过密封圈402密封，其底端与所述卡爪驱动装置11上表面密封固定连接。

进一步地，所述单晶体承重外硬轴3外套有外轴波纹管302，所述外轴波纹管302的顶端与所述滑座902的下表面密封固定连接，所述外轴波纹管302的底端与所述真空炉室2顶部密封固定连接。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。