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[摘 要]本文以通过晶体硅棒的切割装置研究，研究包括机架、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的切割机构为金刚石线切割系统，本设备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。
[关键词]切割装置；晶体硅棒；人机交换系统；
中图分类号：R61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）06-0154-02
Study on crystal silicon rod cutting system
Shao Wei， Liu Hongtao， Shi Xiaowei and Zhang Jiao
（Luoyang Jin Nuo Mechanical Engineering Co.， Ltd.， Luoyang 471003）
[Abstract] This paper studies the cutting device of the crystal silicon rod， including the frame， the bed body， the silicon rod transmission mechanism and the silicon rod cutting mechanism. The characteristics are as follows： the automatic on and down system of the manipulator， the automatic detection and positioning system， and the cutting mechanism of the CNC operating system are the gold rigid line cutting system. The cutting and processing of the head and tail part of the polysilicon ingot after multiple roots are completed， and the multi position automatic feeding， automatic positioning and automatic cutting are realized in the whole process， which obviously improves the production efficiency and reduces the labor intensity.automatic feeding， automatic positioning and automatic cutting in the whole process， which obviously improves the production efficiency and reduces the labor intensity.
[Key words] cutting device； crystal silicon rod； human-machine switching system；
1.前言：
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[1]。
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[4]。
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2mm左右的锯缝和3mm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。
目前还有一种使用金刚石线对单晶硅棒进行切割的技术[1]，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[2]。
常用技术中该加工方法与卧式锯床加工方式类似[3]，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[2]，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。
2.技术方案：
一种晶体硅棒的切割装置，该装置包括床身、機架、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切割机构为金刚石线切割系统。
1.）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，导轨丝杠传动机构为滚珠丝杠传动机构。 2）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。
3）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。
3.关键结构设计与技术难点
棒切割装置结构
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。
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’固定在硅棒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。
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。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。
本文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分别对三根硅棒4上突起的定位贴片进行探测定位，探测每根硅棒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，并由数控操作系統控制移动各根硅棒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。
在本文实施例中，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。
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。
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。
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。
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。
本文的第二个实施例中，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。
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。
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。
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。
机械手属于成熟的现有技术，在此不对机械手夹持机构做详细描述，。
该夹持机构可实现宽度方向及长度方向的夹紧。将切割后硅棒抓起，并移动至废料输送装置上方，控制机械手下降及下部位置时，长度方向夹紧机构收回，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。
本设备设置人机交换系统，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。
4.主要技术参数：
5.结论
新型晶体硅棒切割装置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。
参考文献：
[1].上海日进机床有限公司.多晶硅线切割设备及方法：中国201510618107.7[P]、2015.05.202015.09.25
[2].常州天合光能有限公司.线截断机对线装置：中国201120435394.5[P]、2011.11.04
[3].江苏晶鼎电子材料有限公司.单晶硅棒截断机床：中国201120173744.5[P]、2011.05.25
[4].江西旭阳雷迪高科技股份有限公司.一种硅片截断机导向装置.中国20112052557.4[P]、2011.12.15
[关键词]切割装置；晶体硅棒；人机交换系统；
中图分类号：R61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）06-0154-02
Study on crystal silicon rod cutting system
Shao Wei， Liu Hongtao， Shi Xiaowei and Zhang Jiao
（Luoyang Jin Nuo Mechanical Engineering Co.， Ltd.， Luoyang 471003）
[Abstract] This paper studies the cutting device of the crystal silicon rod， including the frame， the bed body， the silicon rod transmission mechanism and the silicon rod cutting mechanism. The characteristics are as follows： the automatic on and down system of the manipulator， the automatic detection and positioning system， and the cutting mechanism of the CNC operating system are the gold rigid line cutting system. The cutting and processing of the head and tail part of the polysilicon ingot after multiple roots are completed， and the multi position automatic feeding， automatic positioning and automatic cutting are realized in the whole process， which obviously improves the production efficiency and reduces the labor intensity.automatic feeding， automatic positioning and automatic cutting in the whole process， which obviously improves the production efficiency and reduces the labor intensity.
[Key words] cutting device； crystal silicon rod； human-machine switching system；
1.前言：
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[1]。
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[4]。
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2mm左右的锯缝和3mm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。
目前还有一种使用金刚石线对单晶硅棒进行切割的技术[1]，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[2]。
常用技术中该加工方法与卧式锯床加工方式类似[3]，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[2]，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。
2.技术方案：
一种晶体硅棒的切割装置，该装置包括床身、機架、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切割机构为金刚石线切割系统。
1.）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，导轨丝杠传动机构为滚珠丝杠传动机构。 2）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。
3）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。
3.关键结构设计与技术难点
棒切割装置结构
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。
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’固定在硅棒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。
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。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。
本文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分别对三根硅棒4上突起的定位贴片进行探测定位，探测每根硅棒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，并由数控操作系統控制移动各根硅棒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。
在本文实施例中，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。
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。
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。
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。
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。
本文的第二个实施例中，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。
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。
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。
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。
机械手属于成熟的现有技术，在此不对机械手夹持机构做详细描述，。
该夹持机构可实现宽度方向及长度方向的夹紧。将切割后硅棒抓起，并移动至废料输送装置上方，控制机械手下降及下部位置时，长度方向夹紧机构收回，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。
本设备设置人机交换系统，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。
4.主要技术参数：
5.结论
新型晶体硅棒切割装置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。
参考文献：
[1].上海日进机床有限公司.多晶硅线切割设备及方法：中国201510618107.7[P]、2015.05.202015.09.25
[2].常州天合光能有限公司.线截断机对线装置：中国201120435394.5[P]、2011.11.04
[3].江苏晶鼎电子材料有限公司.单晶硅棒截断机床：中国201120173744.5[P]、2011.05.25
[4].江西旭阳雷迪高科技股份有限公司.一种硅片截断机导向装置.中国20112052557.4[P]、2011.12.15