一种全自动单晶硅磨面倒圆一体机加工设备[实用新型专利]

(12)实用新型专利

(10)授权公告号 CN 206578672 U(45)授权公告日 2017.10.24

(21)申请号 2017201557.3(22)申请日 2017.03.01

(73)专利权人 浙江晶盛机电股份有限公司

地址 312300 浙江省绍兴市上虞区通江西

路218号(72)发明人 曹建伟　沈文杰　周建灿　谢龙辉　

赵通通　何守龙　王凯　邱敏秀　(74)专利代理机构 杭州中成专利事务所有限公

司 33212

代理人 周世骏(51)Int.Cl.

B24B 27/00(2006.01)B24B 41/00(2006.01)

权利要求书2页 说明书4页 附图3页

()实用新型名称

一种全自动单晶硅磨面倒圆一体机加工设备

(57)摘要

本实用新型涉及单晶硅棒的加工，旨在提供一种全自动单晶硅磨面倒圆一体机加工设备。该种全自动单晶硅磨面倒圆一体机加工设备包括底架、切磨工作台、对中装置、粗磨动力头、精磨动力头、尺寸检测单元。本实用新型使晶棒的磨面倒圆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流程；同时，磨削动力头采用对称布局，同时进行双面加工，成倍提高加工效率。

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1.一种全自动单晶硅磨面倒圆一体机加工设备，包括底架、切磨工作台、对中装置、粗磨动力头、精磨动力头、尺寸检测单元；

底架中间设有一根大丝杆，大丝杆两侧各平行安装有一条大导轨，切磨工作台安装在大导轨上，且底架上还安装有伺服电机，伺服电机能驱动大丝杆、丝杆螺母，使切磨工作台沿着大导轨上进行左右移动；底架的左右两侧分别为晶棒上料对中工作区域和晶棒磨削加工工作区域，两个区域的分界点为晶棒尺寸检测处；

切磨工作台上安装有两条平行的小导轨，小导轨上方安装有尾座和头座，头座固定在小导轨的一端不动，头座的下面安装有气缸，气缸能驱动尾座沿着小导轨左右移动，且头座和尾座的回转中心位于同一高度；

头座面向尾座的一端设有对刀传感器和基准块，用于在晶棒加工前作为测量基准；对刀传感器和基准块的旁边还安装有水气两用喷水装置，水气两用喷水装置包括基准块清洗喷头座和至少两个清洗喷头，能使水和气分别从不同的清洗喷头喷出，用于保证对刀传感器和基准块的表面清洁；头座的另一端设有行星减速机和分度电机，分度电机能通过精度分度控制硅块旋转并停止于所需的角度位置；

底架的晶棒上料对中工作区域一侧设有对中装置，对中装置包括V型定位块、V型块水平移动安装座、水平直线导轨、水平滚珠丝杆、水平伺服电机、竖直直线导轨、竖直滚珠丝杆、竖直伺服电机；所述水平直线导轨水平安装在底架的晶棒上料对中工作区域一侧，V型块水平移动安装座安装在水平直线导轨上，通过水平滚珠丝杆、水平伺服电机驱动，V型块水平移动安装座能沿着水平直线导轨作前后移动；所述竖直直线导轨竖直安装在V型块水平移动安装座上，V型定位块安装在竖直直线导轨上，通过竖直滚珠丝杆、竖直伺服电机驱动，V型定位块能沿着竖直直线导轨作上下移动；

底架的晶棒磨削加工工作区域的两侧各设有一个延伸平台，延伸平台用于安装磨削动力头组件；所述磨削动力头组件包括两个粗磨动力头组件和两个精磨动力头组件，即在两侧延伸平台上各安装一组精磨动力头组件和一组粗磨动力头组件；

所述粗磨动力头组件包括粗磨动力头、粗磨变频电机、粗磨动力头固定座、粗磨进给组件、粗磨砂轮安装座和粗磨砂轮；所述粗磨进给组件安装在延伸平台上，通过丝杠螺母副、导轨滑块副与粗磨动力头固定座相连，用于驱动粗磨动力头实现前后进给移动；所述粗磨动力头的一头安装粗磨变频电机，另一头安装粗磨砂轮安装座，粗磨砂轮安装座上安装粗磨砂轮；所述粗磨变频电机通过联轴器与粗磨动力头内部主轴联接，用于驱动粗磨砂轮进行旋转；

所述精磨动力头组件包括精磨动力头、精磨变频电机、精磨动力头固定座、精磨进给组件、精磨砂轮安装座和精磨砂轮；所述精磨进给组件安装在延伸平台上，通过丝杠螺母副、导轨滑块副与精磨动力头固定座相连，用于驱动精磨动力头实现前后进给移动；所述精磨动力头的一头安装精磨变频电机，另一头安装精磨砂轮安装座，精磨砂轮安装座上安装精磨砂轮；所述精磨变频电机通过联轴器与精磨动力头内部主轴联接，用于驱动精磨砂轮进行旋转；

所述尺寸检测单元包括底座、驱动电机、直线运动单元、支撑座、支撑臂和接触式传感器，安装在底架的晶棒尺寸检测处；所述底座安装在底架上，所述驱动电机和直线运动单元安装在底座上，且驱动电机与直线运动单元相连；所述支撑座上设有支撑臂，接触式传感器

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通过支撑臂安装在支撑座上，支撑座安装在直线运动单元上；驱动电机能驱动支撑座在直线运动单元上移动，用于带动接触式传感器进行尺寸检测。

2.根据权利要求1所述的一种全自动单晶硅磨面倒圆一体机加工设备，其特征在于，所述全自动单晶硅磨面倒圆一体机加工设备的晶棒磨削加工工作区域，所有部件均置于一个整体的钣金罩壳内，并安装有一个自动关闭开启门分隔晶棒磨削加工工作区域、晶棒上料对中工作区域，自动关闭开启门通过气缸驱动实现自动开关；钣金罩壳的顶部通风管道，出口与车间吸尘管道连接，能吸走部分粉尘和水气；钣金罩壳的内部还设有加工和维修时用的防水灯具和晶棒清洗用的喷水装置。

3.根据权利要求2所述的一种全自动单晶硅磨面倒圆一体机加工设备，其特征在于，所述钣金罩壳的后方分别设有阀箱、电器控制箱和电源箱；阀箱内集中了所有水路气路的控制和测量器件，电器控制箱用于提供控制元件的电信号，电源箱用于提供各电器元件的电源信号。

4.根据权利要求1所述的一种全自动单晶硅磨面倒圆一体机加工设备，其特征在于，所述全自动单晶硅磨面倒圆一体机加工设备的所有运动部件轴向对称安装于大底架之上。

5.根据权利要求1所述的一种全自动单晶硅磨面倒圆一体机加工设备，其特征在于，所述全自动单晶硅磨面倒圆一体机加工设备还包括机械手，机械手用于将放在储料台上的切方后晶棒搬运到对中装置上，以及将完成磨面倒圆的晶棒直接下料，实现了全自动晶棒的上、下料操作。

6.根据权利要求1所述的一种全自动单晶硅磨面倒圆一体机加工设备，其特征在于，所述切磨工作台的尾座和头座均装有万向浮动夹头，对于断面不平整的硅棒也能实现自动对中。

7.根据权利要求1所述的一种全自动单晶硅磨面倒圆一体机加工设备，其特征在于，所述粗磨动力头上的粗磨砂轮、精磨动力头上的精磨砂轮均为杯型砂轮，且粗磨砂轮的颗粒度为170目，精磨砂轮的目数为500目。

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一种全自动单晶硅磨面倒圆一体机加工设备

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技术领域

[0001]本实用新型是关于单晶硅棒的加工领域，特别涉及一种全自动单晶硅磨面倒圆一体机加工设备。

背景技术

[0002]近年来随着绿色能源制造产业的异军突起，光伏行业突飞猛进地扩张。而作为光伏发电最重要的原材料，硅单晶材料的产能也持续增长。从单晶硅的生产加工流程来看，生产硅单晶的常用方法主要有直拉法、区熔法等，而此类方法制备的单晶硅形状均成圆柱型的晶棒。因此，对于制备出来的整根单晶硅棒，首先需要将过长的晶棒截断成一定长度的小段晶棒；接着，对硅棒进行切方处理，将圆柱型晶棒切成方型且带有部分圆弧的方棒；然后，开方完成后的晶棒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。[0003]目前，国内外针对单晶硅棒的切方、磨面和圆角的加工过程，其传统的加工方式是单独的三道工序，即分别采用三种不同的设备流转完成单晶硅棒的整个加工过程。实际操作时，线开方机通常需要采用粘胶的方式对25根单晶硅棒同时进行开方处理，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、抛光。整个加工过程需要三种不同功能的加工设备，硅棒需要频繁地在不同设备之间进行人工搬运，而且加工前的装夹和作为操作一般都有工人完成，这样就带来了定位误差。此外，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。实用新型内容

[0004]本实用新型的主要目的在于克服现有技术中的不足，采用工业4.0的设计理念，提供一种合理的产能配比，采用机械手上、下料方式，形成一条全自动的单晶硅棒加工生产线的全自动单晶硅棒磨面倒圆一体加工的设备。为解决上述技术问题，本实用新型的解决方案是：

[0005]提供一种全自动单晶硅磨面倒圆一体机加工设备，包括底架、切磨工作台、对中装置、粗磨动力头、精磨动力头、尺寸检测单元；[0006]底架中间设有一根大丝杆，大丝杆两侧各平行安装有一条大导轨，切磨工作台安装在大导轨上，且底架上还安装有伺服电机，伺服电机能驱动大丝杆、丝杆螺母，使切磨工作台沿着大导轨上进行左右移动；底架的左右两侧分别为晶棒上料对中工作区域和晶棒磨削加工工作区域，两个区域的分界点为晶棒尺寸检测处；[0007]切磨工作台上安装有两条平行的小导轨，小导轨上方安装有尾座和头座，头座固定在小导轨的一端不动，头座的下面安装有气缸，气缸能驱动尾座沿着小导轨左右移动，且头座和尾座的回转中心位于同一高度；

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头座面向尾座的一端设有对刀传感器和基准块，用于在晶棒加工前作为测量基

准；对刀传感器和基准块的旁边还安装有水气两用喷水装置，水气两用喷水装置包括基准块清洗喷头座和至少两个清洗喷头，水和气(在一定的压力下)能分别从不同的清洗喷头喷出，用于保证对刀传感器和基准块的表面清洁；头座的另一端设有行星减速机和分度电机，分度电机能通过精度分度控制硅块旋转并停止于所需的角度位置；[0009]底架的晶棒上料对中工作区域一侧设有对中装置，对中装置包括V型定位块、V型块水平移动安装座、水平直线导轨、水平滚珠丝杆、水平伺服电机、竖直直线导轨、竖直滚珠丝杆、竖直伺服电机；所述水平直线导轨水平安装在底架的晶棒上料对中工作区域一侧，V型块水平移动安装座安装在水平直线导轨上，通过水平滚珠丝杆、水平伺服电机驱动，V型块水平移动安装座能沿着水平直线导轨作前后移动；所述竖直直线导轨竖直安装在V型块水平移动安装座上，V型定位块安装在竖直直线导轨上，通过竖直滚珠丝杆、竖直伺服电机驱动，V型定位块能沿着竖直直线导轨作上下移动；

[0010]底架的晶棒磨削加工工作区域的两侧各设有一个延伸平台，延伸平台用于安装磨削动力头组件；所述磨削动力头组件包括两个粗磨动力头组件和两个精磨动力头组件，即在两侧延伸平台上各安装一组精磨动力头组件和一组粗磨动力头组件；[0011]所述粗磨动力头组件包括粗磨动力头、粗磨变频电机、粗磨动力头固定座、粗磨进给组件、粗磨砂轮安装座和粗磨砂轮；所述粗磨进给组件安装在延伸平台上，通过丝杠螺母副、导轨滑块副与粗磨动力头固定座相连，用于驱动粗磨动力头实现前后进给移动；所述粗磨动力头的一头安装粗磨变频电机，另一头安装粗磨砂轮安装座，粗磨砂轮安装座上安装粗磨砂轮；所述粗磨变频电机通过联轴器与粗磨动力头内部主轴联接，用于驱动粗磨砂轮进行旋转；

[0012]所述精磨动力头组件包括精磨动力头、精磨变频电机、精磨动力头固定座、精磨进给组件、精磨砂轮安装座和精磨砂轮；所述精磨进给组件安装在延伸平台上，通过丝杠螺母副、导轨滑块副与精磨动力头固定座相连，用于驱动精磨动力头实现前后进给移动；所述精磨动力头的一头安装精磨变频电机，另一头安装精磨砂轮安装座，精磨砂轮安装座上安装精磨砂轮；所述精磨变频电机通过联轴器与精磨动力头内部主轴联接，用于驱动精磨砂轮进行旋转；

[0013]所述尺寸检测单元包括底座、驱动电机、直线运动单元、支撑座、支撑臂和接触式传感器，安装在底架的晶棒尺寸检测处；所述底座安装在底架上，所述驱动电机和直线运动单元安装在底座上，且驱动电机与直线运动单元相连；所述支撑座上设有支撑臂，接触式传感器通过支撑臂安装在支撑座上，支撑座安装在直线运动单元上；驱动电机能驱动支撑座在直线运动单元上移动，用于带动接触式传感器进行尺寸检测。[0014]作为进一步的改进，所述全自动单晶硅磨面倒圆一体机加工设备的晶棒磨削加工工作区域，所有部件均置于一个整体的钣金罩壳内，并安装有一个自动关闭开启门分隔晶棒磨削加工工作区域、晶棒上料对中工作区域，自动关闭开启门通过气缸驱动实现自动开关(自动关闭开启门在晶棒完成对中，工作台进入磨削区域时能自动关闭，以防止磨削时水和硅泥的飞溅，同时当磨削完成后，自动关闭开启门打开，工作台回到下料区域)；钣金罩壳的顶部通风管道，出口与车间吸尘管道连接，能吸走部分粉尘和水气；钣金罩壳的内部还设有加工和维修时用的防水灯具和晶棒清洗用的喷水装置。

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作为进一步的改进，所述钣金罩壳的后方分别设有阀箱、电器控制箱和电源箱；阀

箱内集中了所有水路气路的控制和测量器件，电器控制箱用于提供控制元件的电信号，电源箱用于提供各电器元件的电源信号。[0016]作为进一步的改进，所述全自动单晶硅磨面倒圆一体机加工设备的所有运动部件轴向对称安装于大底架之上。[0017]作为进一步的改进，所述全自动单晶硅磨面倒圆一体机加工设备还包括机械手，机械手用于将放在储料台上的切方后晶棒搬运到对中装置上，以及将完成磨面倒圆的晶棒直接下料，实现了全自动晶棒的上、下料操作。[0018]作为进一步的改进，所述切磨工作台的尾座和头座均装有万向浮动夹头，对于断面不平整的硅棒也能实现自动对中。[0019]作为进一步的改进，所述粗磨动力头上的粗磨砂轮、精磨动力头上的精磨砂轮均为杯型砂轮，且粗磨砂轮的颗粒度为170目，精磨砂轮的目数为500目。[0020]作为进一步的改进，所述磨面倒圆工作台两侧装有接触式传感器对磨前晶棒进行尺寸检测，从而合理地分配进刀量；所述磨削测量传感器对磨完的晶棒进行尺寸检测，从而确定产品是否符合技术要求。[0021]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：[0022]1、晶棒的磨面倒圆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流程；同时，磨削动力头采用对称布局，同时进行双面加工，成倍提高加工效率。[0023]2、晶棒上下料由外部机械手自动完成，即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。[0024]3、晶棒的对中装置能够对不同尺寸的晶棒进行对中，对中的精度高，避免了人工搬运产生的误差。[0025]4、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，同时大底架、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。[0026]5、设备生产过程中，自动门关闭，将上料区域与磨削区域分开，密闭的罩壳即可将硅粉通过吸气管道排出，又将加工产生的噪音显著降低，有效减少了生产加工对车间环境的影响。

附图说明

[0027]图1为本实用新型的外形示意图。[0028]图2为本实用新型的剖面结构示意图。[0029]图3为本实用新型的对中装置示意图。[0030]图4为本实用新型的磨削工作台示意图。[0031]图5为本实用新型的加工工艺流程示意图。[0032]图中的附图标记为：1磨削工作台；2自动关闭开启门；3钣金罩壳；4底架；5电器控制箱；6对中装置；7阀箱；8接触式传感器；9粗磨动力头；10精磨动力头；11磨削测量传感器；12电源箱；13 V型定位块；14 V型块水平移动安装座；15头座；16磨削工作台气缸；17基准

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块；18对刀传感器；19晶棒；20尾座。

具体实施方式

[0033]下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：[0034]如图1至图5，一种全自动单晶硅磨面倒圆一体机加工设备的工作流程为：[0035]1)将直径为6寸～8寸的单晶晶棒19，开方后切成方型且带有部分圆弧的方棒，长度为200mm～800mm，并用酒精对晶棒19表面进行擦拭保证表面洁净，放置于上料台上。[0036]2)上料台中的气缸开始工作，将晶棒19缓慢推至端部，通过端部的激光传感器，判断晶棒19为6寸还是8寸的规格，同时通过磁尺的运行距离测量出晶棒19的长度。[0037]3)根据晶棒19的长度，磨削工作台1在伺服电机的驱动下快速移动到对中区域。[0038]4)对中机构6上的水平伺服电机开始工作，驱动丝杆使V型块移动安装座14快速运动到晶棒水平定位基准位置，此时V型块13的中心竖直面刚好与工作台浮动夹头竖直面重合。

[0039]5)外部机械手从上料台上夹取晶棒19，快速又平稳地将晶棒19放置于对中装置6的V型块13上。

[0040]6)对中机构6上的竖直伺服电机驱动丝杆使V型块13向上移动到晶棒对中基准位置，此时晶棒19的中心轴和磨削工作台1浮动头的中心轴重合。[0041]7)磨削工作台1正向快速移动3～5mm，使得磨削工作台头座15端面和晶棒19头部端面接触，再由磨削工作台气缸16驱动磨削工作台尾座20移动，使磨削工作台尾座20和晶棒19尾部端面接触。并要求加紧气压大于0.5MPa，方能保证晶棒19夹紧的可靠。[0042]8)完成对中后的晶棒19在大电机的驱动下随工作台向磨削区域移动，在经过激光传感器8处，通过激光照射到晶棒19表面并接受反射激光以后，激光传感器8将测量距离传送至PLC控制系统，经过计算后得到晶棒19四个面的和四个圆弧面的尺寸。[0043]9)通过激光传感器快速的检测后，晶棒19随工作台进入磨削区域，开始对晶棒19进行磨前姿态检测，将磨削工作台1移动至磨削测量传感器11对刀位置。磨削测量传感器11由伺服电机驱动，触碰磨削测量基准块17后退回，获得磨削测量传感器11的中心距离。再将磨削工作台1快速移动至晶棒19一端对晶棒19外圆拾取棱线上1个点，再快速移动到晶棒19另一端再拾取1个点，晶棒19转90°又拾取1个点，如此拾取晶棒棱线上8个点，数据自动输入PLC控制系统进行计算，得出晶棒19的最高位置。[0044]10)先将晶棒19旋转45°，再将磨削工作台1快速移动至晶棒19一端平面上拾取1个点，再快速移动到晶棒19另一端再拾取1个点，晶棒19转90°又拾取1个点，如此拾取晶棒平面上8个点，数据自动输入PLC控制系统进行计算，得出晶棒19的中心位置。[0045]11)磨削工作台1快速移动至磨削对刀传感器18处，前后粗磨动力头9由伺服电机驱动向内移动粗磨砂轮，触碰磨削对刀传感器18后退回，磨削工作台1快速移出粗磨砂轮的磨削安全位置。根据计算得出的晶棒19外圆最高和中心位置，自动对前后磨削动力头9向内移动相应距离，直至两粗磨砂轮的间距符合加工要求。[0046]最后，需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。

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图5

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