专利名称：超薄型空间太阳电池片涂胶封装一体化机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超薄型空间太阳电池片涂胶封装一体化机器人，滴胶操作和封装操作按照工艺顺序在一台机器人上完成，不仅可用于太阳电池的封装，还可推广应用于IC后封装领域。
背景技术：
目前全世界已发射的航天器几乎都采用空间太阳电池阵作为航天电源。由于航天器运行在地球150公里以外的宇宙空间，环境非常恶劣，太阳辐照度为地面的13～17倍(1360W/m2)，温度起伏大，高能粒子多，为了保证空间太阳电池在恶劣的太空环境下能可靠运行，在太阳电池布贴前，要进行盖片胶封装操作。封装后胶层厚度是否均匀一致将影响电池的抗辐照能力和光电转化效率，气泡的大小和数量将影响太阳电池的寿命，盖片胶的外溢将影响封装的成品率和航天器的外观质量，进而影响航天器的可靠性。
通常，空间太阳电池的质量越大，相应的研制成本和发射成本就越高，因此抗辐照玻璃盖片和太阳电池片的薄膜化已成为第三代空间太阳电池的发展趋势。但玻璃盖片和太阳电池片变薄也给涂胶和封装操作带来困难，如还采用手工操作，不仅精度低、劳动强度大，而且成品率低，效率也不高。
对现有IC封装技术的检索发现，中国发明专利“太阳电池自动封装机构”(申请号03129054.X)发明了一种太阳电池封装装置，但只解决了一般电池片的封装问题，没有解决超薄电池片(0.1～0.15mm左右)和玻璃盖片(0.05～0.07mm左右)的封装问题；中国发明专利“太阳电池自动精确涂胶机构”(申请号03116585.0)发明了一种太阳电池涂胶装置，也没有解决超薄电池片(0.1～0.15mm左右)的涂胶问题。上述发明中XYZ三自由度自动移动装置的X轴移动单元安装在机座上、Y轴移动单元安装在X轴移动单元上、Z轴移动单元安装在机座上、工作台安装在Y轴移动单元上，这种连接方式不适用于超薄型空间太阳电池片的涂胶封装操作。而且，上述发明专利中涂胶与封装操作分别采用两套独立的XYZ三自由度移动装置，虽然效率较高，但成本也很高，没有解决超薄型空间太阳电池片涂胶封装装置的一体化问题。此外，针对超薄型空间太阳电池片涂胶封装操作，对托盘的结构也有特殊的要求，上述发明专利的托盘结构仅适用于一般太阳电池片的涂胶封装操作，如果用于超薄型空间太阳电池片的涂胶封装操作，则气泡问题将难以解决。
因此，为了解决超薄型空间太阳电池片与抗辐照玻璃盖片的涂胶封装问题，发明一种超薄型空间太阳电池片与抗辐照玻璃盖片涂胶封装机器人，用一台机器人实现超薄型空间太阳电池片的滴胶操作和超薄型抗辐照玻璃盖片的封装操作，以达到预期的设计指标要求，是一项新的研究工作。对现有专利技术的检索发现，还没发现解决上述问题的装置。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种超薄型空间太阳电池片涂胶封装一体化机器人，实现超薄型空间太阳电池片的滴胶操作和抗辐照玻璃盖片的封装操作按照工艺顺序在一台机器人上完成，减少气泡的产生和玻璃片的碎片率及器件的污染，同时避免有毒粘结剂对操作人员健康的危害。不仅可用于太阳电池的封装，还可推广应用于IC后封装领域。
本发明是通过以下技术方案实现的本发明的超薄型空间太阳电池片涂胶封装一体化机器人包括机构部分、气动部分和电控部分。机构部分包括XYZ三自由度移动机构、托盘、针头定位装置、吸盘定位夹具和工作平台。为了使封装与滴胶设备一体化，本发明将封装针头定位装置、吸盘定位夹具都安装在Z轴移动单元上，实现了滴胶、封装作业的分时操作(先滴胶，后封装)。
XYZ三自由度移动机构的连接方式为机座安装在工作平台上，X轴移动单元的轨道安装在机座上，Y轴移动单元的轨道安装在X轴移动单元的滑台上，Z轴移动单元的轨道安装在Y轴移动单元的滑台上。X、Y和Z轴移动单元均采用滚动丝杠导轨导向的结构。X、Y和Z轴分别采用交流伺服电机驱动。
托盘通过定位孔安装在工作台上，吸盘定位夹具与气缸相连，气缸与Z轴移动单元相连，电控部分的计算机与控制柜通过串口及I/O卡相连，控制柜与XYZ三自由度移动机构的交流伺服电机相连。
安装在工作平台上的托盘由托盘基板和镶嵌块组成，托盘基板的上面有12个小凹槽，用于定位玻璃盖片，小凹槽的深度大于玻璃盖片的厚度。托盘的下面有12个宽凹槽，用于定位太阳电池片。这12个宽凹槽由12个镶嵌块从托盘基板通孔的下面向上安装、固定而成。宽凹槽分为左右两个部分，凹槽左部分的深度比凹槽右部分的深度大。涂胶前，太阳电池片紧靠在宽凹槽的右侧放置，由于凹槽左部分的深度比凹槽右部分的深度大，使太阳电池的互连片置于宽凹槽的左侧，处于悬空状态，保证电池片不会因为互连片与凹槽的接触而翘起。太阳电池片放置在宽凹槽内后，要使太阳电池片的表面高于托盘的表面。托盘的上下各有一个支撑脚，托盘的左上角与右下角各有一个定位孔，通过定位销与工作台上的定位孔相连。托盘的这种结构保证了超薄型空间太阳电池片的涂胶封装操作的精度，避免了气泡的出现。
针头定位装置包括针筒定位板和螺钉。通过针筒定位板对针筒下部小圆柱面定位，旋紧螺钉，实现对针筒的夹紧固定。针头定位装置与Z轴移动单元直接相连。
吸盘定位夹具包括固定连接板、活动连接板、定位销、调节螺钉、夹紧螺钉。通过定位销把固定连接板和活动连接板连接在一起，调节螺钉拧在固定连接板上，并且头部顶住活动连接板，可以调节活动连接板的倾斜角度。夹紧螺钉穿过固定连接板的圆弧槽，旋进活动连接板的螺纹孔内，实现活动连接板的固定。固定连接板与气缸相连，气缸与Z轴移动单元相连。由于针头定位装置与吸盘定位夹具都固定在Z轴移动单元上，实现了滴胶和封装操作的一体化。工作平台由铝型材框架支撑，是整个机器人定位的基准，要求其加工精度在±0.02mm内。
气动部分包括滴胶气动装置与封装气动装置两部分。滴胶气动装置包括气源、截止阀、减压阀、节流阀、真空发生器、电磁阀、针筒、专用针头。压缩空气从气源出来，经过截止阀后，分成两路一路经过减压阀，接入电磁阀；另外一路经过节流阀后通过真空发生器，从真空发生器再接入电磁阀。电磁阀的出口与固定在针筒定位夹具中的针筒连接，专用针头旋转卡入针筒内。通过电磁阀的通断可以控制是否进行滴胶。
封装气动装置包括气源、截止阀、减压阀、带电磁阀的真空发生器。压缩空气从气源出来，经过截止阀后，进入减压阀。通过减压阀后，再进入带电磁阀的真空发生器。真空发生器的出口与真空吸盘连接，对真空吸盘产生负压，吸附玻璃盖片。通过真空发生器中电磁阀的通断可以控制是否产生负压，从而实现是否进行封装。
电控部分包括计算机、控制柜等。计算机内安装有机器人上位机控制程序，I/O卡插在计算机的PCI插槽内。控制柜包括三自由度移动单元控制器、驱动器、直流电源、两位三通电磁阀、两位五通电磁阀、钥匙开关、控制按钮、急停开关、继电器、报警器和端子板等。计算机与控制柜通过串行口、I/O卡进行通讯。电机驱动器与三自由度移动单元控制器和电机相连。电磁阀也与三自由度移动单元控制器相连。
机器人的XYZ轴电机分别和控制柜的三个对应的插头相连，计算机与控制柜通过一根串口线和I/O通讯电缆连接。控制柜上的钥匙开关控制控制器的电源开启，急停开关用于紧急状况的急停。
本发明将超薄型空间太阳电池片的滴胶装置和抗辐照玻璃盖片的封装装置集成到一台设备上，实现滴胶操作和封装操作按照工艺顺序在一台机器人上完成，减少气泡的产生和玻璃片的碎片率及器件的污染，同时避免有毒粘结剂对操作人员健康的危害，在不影响系统性能指标的前提下，降低了成本，提高了可靠性。本发明不仅可应用于超薄型空间太阳电池抗辐照玻璃盖片的封装工艺，还可推广到IC器件的表面保护层封装领域。
图1为本发明机器人整体结构示意图。
图1中，机座1、X轴移动单元2、Y轴移动单元3、Z轴移动单元4、吸盘定位夹具5、针筒定位夹具6、工作台7、吸盘8、托盘9、销钉10、气缸11。
图2为本发明托盘结构示意图。
图2中，托盘基板12、小凹槽14、宽凹槽15、支撑脚16、17、定位孔18、19、宽凹槽15的左侧深槽20。
图3为宽凹槽20的剖面图。
图3中，托盘基板12、镶嵌块13、宽凹槽15的左侧深槽20、电池片21。
厚度为s的电池片21放在宽凹槽15里，其中电池片的厚度s大于宽凹槽右侧的深度h，宽凹槽右侧的深度h小于左侧的深度d(d＞h)。
图4为电池片滴完胶的示意图。
图4中，胶层22，电池片互联片23。
图5为封装完玻璃盖片的示意图。
图6为针头定位装置结构图。
图6中，针筒定位板24和螺钉25。
图7为吸盘定位夹具的剖面结构示意图。
图7中，固定连接板26、活动连接板27、定位销28、夹紧螺钉31。
图8为吸盘定位夹具的侧视结构示意图。
图8中，固定连接板26、活动连接板27、调节螺钉29、30、夹紧螺钉31。
图9为本发明滴胶气路示意图。
图9中，气源32、截止阀33、减压阀34、节流阀35、真空发生器36、电磁阀37、针筒38、专用针头39。
图10为本发明封装气路示意图。
图10中，气源40、截止阀41、减压阀42、带电磁阀的真空发生器43、吸盘44。
图11为本发明控制系统结构框图。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明主要包括机构部分、气动部分和电控部分，整体结构如图1所示。机构部分包括XYZ三自由度移动机构2、3、4，托盘9、针头定位装置6、吸盘定位夹具5和工作平台7。XYZ三自由度移动机构的连接方式为机座1安装在工作平台7上，X轴移动单元2的轨道安装在机座1上，Y轴移动单元3的轨道安装在X轴移动单元2的滑台上，Z轴移动单元4的轨道安装在Y轴移动单元3的滑台上。X、Y和Z轴移动单元均采用滚动丝杠导轨导向的结构。X、Y和Z轴分别采用交流伺服电机驱动。封装针头定位装置6、吸盘定位夹具5都安装在Z轴移动单元4上，实现滴胶、封装作业的分时操作。托盘9安装在工作台7上，两者通过销钉10相连。气动部分包括吸盘8和气缸11等。吸盘8与吸盘定位夹具5相连，吸盘定位夹具5中的固定连接板与气缸11相连，气缸11与Z轴移动单元4相连。电控部分包括计算机、控制柜等，其作用是向机器人发送指令、反馈机器人的状态。
托盘9的结构如图2、图3所示，由托盘基板12和镶嵌块13组成，托盘基板的一边有12个小凹槽14，用于定位玻璃盖片，小凹槽14的深度大于玻璃盖片的厚度。托盘9的另一边有12个宽凹槽15，用于定位太阳电池片。这12个宽凹槽由12个镶嵌块从托盘基板的12个通孔的下面向上安装、固定而成。宽凹槽15分为左右两个部分，宽凹槽左部分20的深度比宽凹槽右部分的深度大。涂胶前，太阳电池片紧靠在宽凹槽15的右侧放置，由于宽凹槽左部分的深度比宽凹槽右部分的深度大，使太阳电池的互连片置于宽凹槽的左侧，处于悬空状态，保证电池片不会因为互连片与宽凹槽的接触而翘起。太阳电池片放置在宽凹槽内后，要使太阳电池片的表面高于托盘的表面。托盘的两侧各有一个支撑脚16、17，托盘的两对角各有一个定位孔18、19，通过定位销与工作台上的定位孔相连。托盘9的这种结构保证了超薄型空间太阳电池片的涂胶封装操作的精度，避免了气泡的出现。
图3中，厚度为s的电池片21放在宽凹槽15里，其中电池片21的厚度大于宽凹槽右侧的深度，宽凹槽右侧的深度小于左侧的深度(h＜d)。图4是电池片滴完胶的示意图，要求滴胶后胶层高于托盘平面。图5是封装完玻璃盖片的示意图。
图1中针头定位装置6的结构如图6所示，包括针筒定位板24和螺钉25。通过针筒定位板24对针筒下部小圆柱面定位，旋紧螺钉25，实现对针筒的夹紧固定。针头定位装置与Z轴移动单元4直接相连。
本发明的吸盘定位夹具结构如图7、图8所示，包括固定连接板26、活动连接板27、定位销28、调节螺钉29、30、夹紧螺钉31。图7为吸盘定位夹具的剖面结构示意图。图8为吸盘定位夹具的侧视结构示意图。通过定位销28把固定连接板26和活动连接板27连接在一起，两个调节螺钉29、30拧在固定连接板26上，并且头部顶住活动连接板27，可以调节活动连接板27的倾斜角度。夹紧螺钉31穿过固定连接板26的圆弧槽，旋进活动连接板27的螺纹孔内，实现活动连接板27的固定。固定连接板26与气缸11相连，气缸11与Z轴移动单元4相连。由于针头定位装置与吸盘定位夹具都固定在Z轴移动单元4上，实现了滴胶和封装操作的一体化。工作平台7由铝型材框架支撑，是整个机器人定位的基准，要求其加工精度在±0.02mm内。
本发明的气动部分包括滴胶气动与封装气动两部分。图9为滴胶气路示意图。图10为封装气路示意图。图9中、滴胶气动装置包括气源32、截止阀33、减压阀34、节流阀35、真空发生器36、电磁阀37、针筒38、专用针头39。压缩空气从气源32出来，经过截止阀33后，分成两路一路经过减压阀34，接入电磁阀37；另外一路经过节流阀35后通过真空发生器36，从真空发生器36再接入电磁阀37。电磁阀37的出口与固定在针筒定位夹具中的针筒38连接，专用针头39旋转卡入针筒内。通过电磁阀37的通断可以控制是否进行滴胶。
图10中，封装气动装置包括气源40、截止阀41、减压阀42、带电磁阀的真空发生器43。压缩空气从气源40出来，经过截止阀41后，进入减压阀42。通过减压阀42后，再进入带电磁阀的真空发生器43。真空发生器43的出口与真空吸盘44连接，对真空吸盘44产生负压，吸附玻璃盖片。通过真空发生器43中电磁阀的通断可以控制是否产生负压，从而实现是否进行封装。
本发明控制系统结构框图如图11所示，包括计算机、控制柜等。计算机内安装有机器人上位机控制程序，I/O卡插在计算机的PCI插槽内。控制柜包括三自由度移动单元控制器、驱动器、直流电源、两位三通电磁阀、两位五通电磁阀、钥匙开关、控制按钮、急停开关、继电器、报警器和端子板等。计算机与控制柜通过串行口、I/O卡进行通讯。电机驱动器与三自由度移动单元控制器和电机相连。电磁阀也与三自由度移动单元控制器相连。
机器人的XYZ轴电机分别和控制柜的三个对应的插头相连，计算机与控制柜通过一根串口线和I/O通讯电缆连接。控制柜上的钥匙开关控制控制器的电源开启，急停开关用于紧急状况的急停。
本发明将超薄型空间太阳电池片的滴胶装置和抗辐照玻璃盖片的封装装置集成到一台设备上，在不影响系统性能指标的前提下，降低了成本，提高了可靠性。机器人在低速运动情况下，每次自动完成6片封装需要6分钟，以每天工作8小时计算，机器人系统的效率可达480(片/人日)，是人工封装的2.4倍。本发明不仅可应用于超薄型空间太阳电池抗辐照玻璃盖片的封装工艺，还可推广到IC器件的表面保护层封装领域。
权利要求
1.一种超薄型空间太阳电池片涂胶封装一体化机器人，机座(1)安装在工作平台(7)上，X轴移动单元(2)的轨道安装在机座(1)上，Y轴移动单元(3)的轨道安装在X轴移动单元(2)的滑台上，Z轴移动单元(4)的轨道安装在Y轴移动单元(3)的滑台上，X、Y和Z轴移动单元均采用滚动丝杠导轨导向的结构，X、Y和Z轴分别采用交流伺服电机驱动，其特征在于封装针头定位装置(6)、吸盘定位夹具(5)都安装在Z轴移动单元(4)上，实现滴胶、封装作业的分时操作，托盘(9)安装在工作台(7)上，通过销钉(10)相连，吸盘定位夹具(5)中的固定连接板(26)与气缸(11)相连，气缸(11)与Z轴移动单元(4)相连，电控部分的计算机与控制柜通过串口及I/O卡相连，控制柜与XYZ三自由度移动机构的交流伺服电机相连。
2.如权利要求1的超薄型空间太阳电池片涂胶封装一体化机器人，其特征在于所述的托盘(9)由托盘基板(12)和镶嵌块(13)组成，托盘基板(12)的一边有12个小凹槽(14)用于定位玻璃盖片，小凹槽(14)的深度大于玻璃盖片的厚度，托盘9的另一边有12个宽凹槽(15)用于定位太阳电池片，宽凹槽(15)的左侧深槽(20)的深度比右部分的深度大。
3.如权利要求1的超薄型空间太阳电池片涂胶封装一体化机器人，其特征在于计算机内安装有机器人上位机控制程序，I/O卡插在计算机的PCI插槽内，控制柜包括三自由度移动单元控制器、驱动器、直流电源、两位三通电磁阀、两位五通电磁阀、钥匙开关、控制按钮、急停开关、继电器、报警器和端子板，电机驱动器与三自由度移动单元控制器和电机相连，电磁阀也与三自由度移动单元控制器相连。
全文摘要
本发明涉及一种超薄型空间太阳电池片涂胶封装一体化机器人，包括机构部分、气动部分和电控部分。机构部分包括XYZ三自由度移动机构、托盘、针头定位装置、吸盘定位夹具和工作平台。为了使封装与滴胶设备一体化，将封装针头定位装置、吸盘定位夹具都安装在Z轴移动单元上，实现了超薄型空间太阳电池片滴胶、封装作业的分时操作。特别设计的托盘结构保证了超薄型空间太阳电池片的涂胶封装操作的精度，避免了气泡的出现。电控部分的计算机与控制柜通过串口及I/O卡相连，控制柜与XYZ三自由度移动机构的交流伺服电机相连。本发明在不影响系统性能指标的前提下，降低了成本，提高了可靠性，可推广到IC器件的表面保护层封装领域。
文档编号H01L31/0203GK1555100SQ20031012280
公开日2004年12月15日 申请日期2003年12月25日 优先权日2003年12月25日
发明者付庄, 陈鸣波, 赵言正, 曹其新, 杨庆华, 张军, 唐则祁, 王训春, 庄 付 申请人:上海交通大学, 上海空间电源研究所