晶圆搬运机器人的开发及控制系统设计--优秀毕业论文可复制黏贴

工学硕士学位论文 晶圆搬运机器人的开发及控制系统设计 DEVELOPMENT AND CONTROL SYSTEM DESIGN OF A WAFER-HANDLING ROBOT 荆雄 哈尔滨工业大学 2010年 6月 - 国内图书分类号： TP242.2 学校代码： 10213 国际图书分类号： 621.3 密级：公开 工学硕士学位论文 晶圆搬运机器人的开发及控制系统设计 硕士研究生： 荆雄 导师：楼云江 副教授 申 请 学 位： 工学硕士 学科、专业： 控制科学与工程 所在单位： 深圳研究生院 答辩日期： 2010年6月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 - Classified Index: TP242.2 U.D.C.: 621.3 Dissertation for the Master Degree in Engineering DEVELOPMENT AND CONTROL SYSTEM DESIGN OF A WAFER-HANDLING ROBOT Candidate: Supervisor: Academic Degree Applied for: Specialty: Affiliation: Date of Defence: Degree-Conferring-Institution:Xiong Jing Prof. Yunjiang Lou Master of Engineering Control Science and Engineering Shenzhen Graduate School Jun, 2010 Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 I 摘要 本课题以基于 SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) 机械臂模型的直驱晶圆搬运机器人为研究核心， 开发出用于半导体制造行业特定生产工序的晶圆搬运机器人。 控制系统是晶圆搬运机器人的神经中枢，根据其工作和运动的特点，采用了以基于 PC 的固高公司多轴运动控制卡 GT400 为核心的控制方案。根据晶圆搬运机器人的点位控制特点确定了伺服系 统的速度控制模式。在实际生产中机器人必须具备安全、稳定和高精度运行这 三个指标，为了实现这三个指标，本文在多方面进行了研究： （ 1）对机械臂的机械结构进行探讨， 分析各种机械结构的可行性并选定SCARA 模型，为了提高性能采用直驱技术； （ 2）为了描述机械臂的姿态及末端插盘的空间位置，分别用运动学方程和动力学方程建立数学模型； （ 3）分析了冗余机构在完成特定任务（末端特定轨迹，避障等）时各个关节之间的关系，并优化各个关节实时的位置，速度，加速度； （ 4）运行晶圆搬运机器人，针对末端定位精度的问题设计反向间隙补偿算法，实验验证。 本文中研发的晶圆搬运机器人在实验中证明了其快速、高精度的工作性能，可以很好的满足生产需要。 关键词: 晶圆搬运机器人；直驱技术；轨迹规划；冗余度； SCARA 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 II Abstract This thesis manily focus on the development of a high precision 4-DOF wafer-handling robot, which is SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Armrobotic) mechanical model. The main function of wafer handling robot is to transfer wafer in different work places quickly, efficiently and reliably. Control system is the wafer-handling robots nerve centre. According to the characteristic of its motion trajectory and work environment, the control system based on PC and motion control card is designed, and the velocity control mode of servo system is adopted. While in the real manufacturing environment, the robotic arm must be safe, stable and high precision, this study focus on many aspects to achieve those three requirements. (1) The mechanical structure of the robotic arm is dicussed in detail, and finally a 4-DOF SCARA model robot is designed according to the actual demands in the factory. We choose the direct-drive motor to get a high performance. (2) Both kinamic and dynamic fuctions are described. (3) Formulate a schame for redundancy control of robot manipulators and do simulation in Matlab. (4) Run the wafer-handling robot and do experiment on backlash compensation. The wafer-handling robot designed in this paper shows qualities of fast and high precision in the xperiments, and would satisfy the real factory requirements well. Keywords: wafer handling robot; direct-drive; trajectory planning; redundancy; SCARA 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 III 目 录 摘要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 晶圆搬运机器人综述 . 2 1.2.1 晶圆搬运机器人的发展与分析 . 2 1.2.2 现有晶圆搬运机器人技术分析 . 3 1.2.3 新型直驱晶圆搬运机器人 . 5 1.3 本文研究的主要内容 . 6 第 2 章 机器人的运动学与动力学分析 . 7 2.1 机器人机械结构设计 . 7 2.1.1 机器人总体机械结构设计方案 . 7 2.1.2 机器人水平运动及垂直运动机械结构设计 . 9 2.2 晶圆搬运机器人的运动学方程 . 11 2.2.1 前向运动学 . 12 2.2.2 逆向运动学 . 13 2.2.3 工作空间 . 15 2.2.4 雅克比矩阵 . 15 2.3 晶圆搬运机器人的动力学方程 . 16 2.4 本章小结 . 20 第 3 章 机器人控制系统设计 . 21 3.1 控制系统的结构 . 21 3.1.1 机器人控制系统的设计原则 . 21 3.1.2 机器人控制系统的设计要求 . 22 3.1.3 机器人控制系统的选择 . 22 3.2 控制系统的硬件设施及电机型号 . 24 3.3 电机性能调试 . 26 3.4 晶圆搬运机器人各轴性能测试 . 28 3.5 本章小结 . 31 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 IV 第 4 章 冗余度机器人轨迹的优化及控制 . 33 4.1 引言 . 33 4.2 冗余度机器人的轨迹优化 . 33 4.2.1 冗余度机器人的运动学逆解 . 33 4.2.2 基于任务优先级的晶圆搬运机器人仿真 . 35 4.2.3 避障分析以及仿真 . 39 4.3 动力学控制算法 . 42 4.3.1 PD 控制 . 42 4.3.2 计算力矩控制 . 43 4.3.3 PD 控制与计算力矩控制的仿真 . 44 4.4 本章小结 . 46 第 5 章 间隙补偿算法与实验结果 . 47 5.1 间隙补偿 . 47 5.2 间隙补偿的实验 . 51 5.3 本章小结 . 52 结论 . 53 参考文献 . 54 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 . 57 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 . 57 致谢 . 58 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪论 1.1 课题背景 人类社会已经进入了信息时代， 集成电路 (Integrated Circuit)产业是信息社会经济发展的基石，社会进步的基础，国际竞争的筹码和国家安全的保障。而 IC制造装备是 IC 产业发展的支柱。 制造技术 (工艺 )的更新和更高性能的 IC 制造装备的研制在整个 IC 产业的发展中扮演着技术先导的角色。 随着集成电路集成程度的提高，对晶圆的尺寸及加工精度要求越来越高，进而对晶圆加工系统的要求也越来越高， 因此必须对以往的加工设备加以更，新和改进才能满足要求。晶圆自动传输系 统就是能满足更高要求的先进设备之一，既能满足更高环境洁净度、真空度的要求 又能提高加工精度及效率1。图1-1 为芯片制作流程图，晶圆搬运机器人用于生产线上的晶圆搬运。 图 1- 1 芯片制作流程 晶圆搬运机器人是晶圆加工设备的重要组成部分，它直接体现出整机的自动化程度、可靠性。随着晶圆生产的产量 和尺寸的不断增加，要求晶圆生产向着高速、连续化生产方式发展。人工装夹 的方式根本无法达到这一要求，必须由高速度、高精度的晶圆搬运机器人来实 现。由于是在有限的空间内实现硅片工位的快速转换，因此对晶圆搬运机器人 的运动特性、反应灵敏性、动作准确性，以及工作稳定可靠性等方面，都必须有较高的要求。图 1-2 为晶圆搬运机器人工作示意图。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 晶圆搬运机器人是一个包含机械、电子、计算机等多学科的产品。它在整个硅片加工过程中承担着晶圆运输和定位两项主要任务。 图 1- 2 晶圆搬运机器人工作示意图 1.2 晶圆搬运机器人综述 1.2.1 晶圆搬运机器人的发展与分析 晶圆搬运机器人从20世纪80年代诞生起，至今已经有20多年的历史了。由于国外的半导体制造产业起步早，规模 大，基础好，形成了较大的市场，这种需求结合当时先进的工业机器人技术， 使得晶圆搬运机器人的技术不断进步和成熟618。 在 80 年代和 90 年代，国外一些公司和研究所通过对晶圆搬运机器人进行研究与开发，申请了一些专利技术。如美国的Adept公司，日本的RORZE公司、YASKAWA公司。这些专利技术主要集中在传输机构、净化方式等，对硅片传输机器人控制系统一般没有介绍。 由于国内的IC产业起步晚，半导体设备的研究和开发与国外相比有很大差距，对晶圆搬运机器人研究很少。我国硅 片传输机器人的研究起步较晚，现阶段大都还处于研发过程，没有形成系列产 品，目前只有大连理工大学、哈尔滨工业大学等少数单位开展了硅片传输机器人相关技术研究。 目前，应用在国内生产线上的 IC 装备几乎全部从国外进口。国内 IC 装备在技术水平、稳定性、可靠性、自动化程 度方面与国际水平相比有很大差距，导致了我国IC装备市场成为进口成套设备占绝大部分市场份额的局面，从市场乃至技术完全控制在他人手中，甚至连最基本的零部件和消耗材料都依赖进口。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 国内最好的IC装备生产水平只相当于国外90年代初的水平，一般的为国外70年代到80年代的生产水平，因此，国内的IC装备市场需求量很大。 1.2.2 现有晶圆搬运机器人技术分析 应用在洁净大气环境中的晶圆搬运机器人被称为净化机器人。这类机器人具有较高的洁净等级(一般为10级，少数可达1级)，它的首要特点是不能将尘埃粒子带入洁净室环境并尽量避免尘埃粒子的产生。 图 1-3（ a） Adept 公司产品 （ b） Axys 公司产品 图 1-3(a)为 Adept 公司 Cobra 系列净化机器人。该机器人为典型的 SCARA型净化机器人，具有两个并联的旋转关节，可以使机器人在水平面运动，此外，用一个附加的滑动关节做垂直运动。 图 1-3(b)为 Axys 公司的净化机器人，该机器人的末端插盘用直驱电机来驱动，大大提高系统的灵敏度。 图1-4为H2W公司H2W-300系列净化机器人。该机器人为典型的 R 型单臂净化机器人，其 R 向、 向、 Z 向运动分别由三个伺服电机驱动，各