（机械电子工程专业论文）硅片传输机械手的改进及其定位精度分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着l c 装备自动化程度的提高，在磨削、抛光、刻蚀、装配、包装等半导体加工 过程中，硅片传输机械手已经成为不可或缺的关键装置，其传输过程的稳定性和重复定 位精度直接或者间接地影响着i c 元件的加工质量。硅片传输机械手机械本体设计的合 理性和控制系统的优劣直接影响到整个系统的精度、稳定性和安全性。现有的硅片传输 机械手存在控制系统稳定性差、重复定位精度低等问题，使其不能满足硅片精确定位要 求，因此需要迸一步改进。 在阐述了硅片传输机械手的总体结构和传动原理的基础上，本文对现有的机械手机 械系统进行了改进，解决了机械手内部走线相互缠绕和带轮打滑等技术问题；校正了末 端臂体，保证了末端执行器的径向直线运动，提高了机械手径向运动的精度；增加了限 位开关，确保了机械手的安全运行；调整了电机的控制参数，使机械手具有了优良的动 态性能；根据脉冲+ 方向的位置控制模式，对伺服电机的驱动器与可编程多轴运动控制 器进行了硬件连接，进而完善了硅片传输机械手试验平台，为后续的硬件调试、运动控 制和重复定位精度分析奠定了基础。 根据硅片传输机械手的工作原理和运动特点，采用了“p m a c + p c ”的控制方案。 以p c 机作为上位机，完成控制系统中的非实时任务；以运动控制器作为下位机，实现 实时的控制任务。调整过程中引入了前馈控制，构成了具有反馈和前馈的复合控制系统 结构，通过整定控制器中的p i d 参数，提高了系统的控制精度，使系统伺服特性达到刚 性好、系统稳定以及跟随误差小的目的。 编写了硅片传输机械手的控制系统软件，设计了便于用户操作的友好的人机交互接 口界面，增加了伺服驱动系统的实时控制、运动程序和p l c 程序的调用、机械手三轴 联动等功能。 最后，通过控制程序完成了硅片传输机械手的调试工作，并对重复定位精度进行了 分析。针对机械手的升降、旋转和径向运动，在指定位置采集了大量的运动数据，把分 析后的数据反馈到上位机控制程序中进行补偿，提高了硅片传输机械手的重复定位精 度，其径向重复定位精度为o 1 2 r a m ，旋转重复定位精度为o 0 3 。，升降重复定位精 度为0 0 4 m m ，从而保证了硅片定位的精确性。 关键词：硅片；传输机械手；控制系统；重复定位精度 硅片传输机械手的改进及其定位精度分析 i m p r o v e m e n to f w a f e rh a n d l i n gr o b o t a n di t sp o s i t i o n i n ga c c u r a c y a n a l y s i s a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so f s e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o n ，w a f e rh a n d l i n gr o b o th a s b e c o m eak e yu n i ti ns e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e ss u c ha sg r i n d i n g , p o l i s h i n g ， e t c h i n g ，a s s e m b l ya n dp a c k a g e i t sh a n d l i n gs t a b i l i t ya n dr e p e a t a b i l i t yw i l ld i r e c t l yo r i n d i r e c t l ya f f e c t t h e q u a l i t y o f i cc o m p o n e n t s ，a n d t h er e a s o n a b i l i t y o f m e c h a n i c a la n dc o n t r o l s y s t e m sw i l lh a v ed i r e c ti m p a c to nt h ea c c u r a c y ，s t a b i l i t ya n ds e e u r i t yo ft h er o b o t s o m e d e f e c t se x i s t e di nt h ef o r m e rd e v e l o p e dw a f e rh a n d l i n gr o b o t s u c h p o o rs t a b i l i t yo f c o n t r o l s y s t e ma n dl o wr e p e a t a b i l i t yw h i c hc o u l d n ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fw a f e rp r e c i s e p o s i t i o n i n g ，5 0t h er o b o tn e 腹l $ f u r t h e ri m p r o v e m e n t t h i sp a p e rd e a l sw i t hk e yt e c h n i c a li s s u e ss u c h 嬲i n t e r n a lw i r e sm u t u a l l yw i n d i n ga n d b e l tw h e e ls l i p p i n go nt h eb a s i so ft h em e c h a n i c a ls t l x l c t u r ea n dt h ed r i v ep r i n c i p l e s b y c a l i b r a t i n gt h ee n da r m , i n s t a l l i n gl i m i ts w i t c h e sa n d 删u s t m gm o t o rc o n t r o lp a r a m e t e r s ，t h e a c c u r a c y ，s e c u r i t ya n dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h er o b o ta r eu p g r a d e d a c c o r d i n gt ot h e p o s i t i o nc o n t r o lm o d eo fp u l s ep l u sd i r e c t i o n , s a 咖m o t o rd r i v e r sa n dp r o g r a m m a b l e m u l t i - a x i sm o t i o nc o n t r o l l e ra 坨c o n n e c t e d , a n dt h e na ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fw a f e r h a n d l i n gr o b o ti sp e r f e c t e d , w h i c hw o u l dl a yaf o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w - u ph a r d w a r e d e b u g g i n g , m o t i o nc o n t r o la n dr e p e a t a b i l i t yp o s i t i o n i n ga c c u r a c ya n a l y s i s i na c c o r d a n c ew i t l lt h ew o r k i n gp r i n c i p l e sa n dm o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew a f e r h a n d l i n gr o b o t , t h ec o n t r o l l i n gs c h e m eo f p m a c + p c ”i sa p p l i e d t h ep ci si nc h a r g eo f t h e n o nr e a l - t i m em o t i o nc o n t r o l ，a n dt h ep m a ci si nc h a r g eo fr e a l - t i m et a s k s a f t e rf e e d f o r w a r dc o n t r o li se m p l o y e d ，as y s t e m i cs t r u c t n f ei n c l u d i n gm u l t i p l ec o n t r o l so f f e e d b a c ka n d f e e df o r w a r di sr e a l i z e d b ys e t t i n gt h ep i dp a r a m e t e r si n c o n t r o l l e r ，s y s t e m i cc o n t r o l p r e c i s i o ni si m p r o v e da n dg o o ds e r v or i g i d i t y s t a b l es y s t e ma n ds m a l lf o l l o w i n ga 哪a r e o b t a i n e d 、肼t hr e g a r dt ot h es o f t w a r ec o n t r o l l i n g , t h eu s e r - f r i e n d l yi n t e r a c t i v ei n t e r f a c ei sd e s i g n e d , a n dm o r en e wf u n c t i o n ss u c ha sr e a l - t i m ec o n t r o lf o rs e r v od r i v es y s t e m , m o t i o np r o c e d u r e s a n dp l c p r o g r a m st ob ec a l l e da n dr o b o tt r i a x i a ll i n k a g ea r ea d d e d f i n a l l y ，d e b u g g i n gw o r ko fw a f e rh a n d l i n gr o b o ti sc o m p l e t e dt h r o u g hc a l l i n gc o n t r o l p r o g r a m s ，a n dr e p e a t a b i l i t yi sa n a l y z e d al o to fd a t aa b o u tr o b o t sl i t lr o t a t i o na n dr a d i a l m o v e m e n t , w h i c ha r ec o l l e c t e di nt h ed e s i g n a t e dl o c a t i o n s ，i sc o n v e y e dt oc o n t r o lp r o c e d u r e s f o rc o m p a r l s a t i o n s o r e p e a t a b i l i t yo fr o b o ti s i m p r o v e d ( r a d i a lr e p e a t a b i l i t yi s o 1 2 r a m , 大连理工大学硕士学位论文 咖北p e 砒a b i l i t yi s + 0 0 3 。，l | pa n dd o w nr e p e a t a b i l i t yi s o 0 4 r a m ) ，w h i c h 蜘s i 麟t h ew a f e r p o s i t i o n i n ga c c u r a c y k e yw o r d s ：w a f e r ；h a n d l m gr o b o t ；c o n t r o ls y s t e m ；r e p e a t a b i l i t y i i i - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：釜塑堕至日期：竺2 三：竺 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：筹坳卒作者签名：蕴! 型芏 翩躲盏：型 卫年上月卫日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 论文的选题背景 集成电路( i c ) 是电子信息产业的核心，是推动国民经济和社会信息化发展最主要的 高新技术之一，而广泛应用于i c 的i c 制造装备是半导体产业发展的支柱【l 】。目前，以 半导体集成电路为基础的电子信息产品的世界贸易额已达到了l 万亿美元，成为世界第 一大产业。 制造技术( 工艺) 的更新和更高性能的i c 制造装备的研制与开发是半导体产业发展 的两个重要因素，而制造装备又是实现工艺技术的载体，制造工艺的更新以更高性能i c 制造装备的研制为基础和前提条件【2 】。所以，发展i c 产业要从研制适合于i c 生产要求 的i c 装备入手，逐步实现i c 制造过程的机械化、自动化和智能化，以满足i c 制造工 艺高精度和高洁净度的要求。i c 的制造离不开划片机、研磨机、抛光机、光刻机等i c 制造装备，半导体硅片能在i c 装各各个工序之间进行加工处理，又离不开硅片传输系 统的传输与定位【3 】。而硅片传输机械手在该系统中占有重要的地位，直接体现出整机系 统的自动化程度和可靠性。 图1 i 硅片自动传输系统 f 嘻1 1 t h ew a f e ra u t o m a w dh a n d l i n gs y s t e m 图1 1 是典型的硅片磨削设备中的传输系统，该系统由r - o 型硅片传输机械手、光 学预对准装置和硅片清洗工位组成【4 】。它的一个完整的工作流程为：硅片传输机械手 硅片传输机械手的改进及其定位精度分析 将待加工的硅片从片盒中取出，送至预对准装置进行定位；硅片传输机械手将定位 好的硅片送入工艺设备中，进行相应的工艺处理；硅片传输机械手将己z dt 好的硅 片传送到已加工硅片的片盒中；硅片传输机械手校准、回零。 硅片传输机械手不仅仅局限于硅片磨削领域，在硅片的抛光、刻蚀、扩散、沉积、 装配、包装、测试等半导体加工领域也有广泛的应用。由于传统的人工传输的方式无法 满足生产要求，必须由高速度、高精度的硅片自动传输系统来实现，因此，应用于硅片 自动传输系统中的硅片传输机械手将担负着越来越重要的作用。但是现有的硅片传输机 械手存在机械本体设计不合理、控制系统稳定性差、重复定位精度低等问题，使其不能 满足硅片精确传输定位要求，因此需要进一步研究。 1 2 机械手的组成及其分类 1 2 1 机械手的组成 机械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统等部分组成【5 一。各系统相互之间的 关系如图1 2 所示。 图1 2 机械手各系统之间关系 f 嘻l 工mr e l a t i o n s h i p sb e t w e c t ns y s t n so f r o b o t ( 1 ) 执行机构 执行机构是机械手完成握持工件实现所需的各种运动的机械部件，包括如下几个部 分旧： 手部：即与物件接触的部件。根据与物件接触的不伺形式，可分为夹持式和吸 附式。 手腕：是连接手部和手臂的部件，并可根据被抓取物件调整方位。一些简易的 机械手，也有不设手腕部件，将手部自接装在手臂部件的端部。 手臂：是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓 取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。 机身：是机械手中用来支撑手臂的部件，安装驱动装置和其他装置的部件。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装 置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四 种形式。 ( 3 ) 控制系统 控制系统是通过对驱动系统的控制。使执行系统按照规定的要求进行工作，并检测 其正确与否的一些装置。一般包括程序控制部分和行程检测反馈部分。 1 2 2 机械手的分类 ( 1 ) 按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种陋。r l ： 专用机械手：它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。 专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于 大批量的自动化生产。 通用机械手：它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机 械手。在规定性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系 统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不 断变换生产品种的中小批量自动化的生产。 ( 2 ) 按驱动方式分 液压传动机械手：是以液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点 是：抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格， 否则油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。 气压传动机械手：是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要 特点是；介质来源极为方便、输出力小、气动动作迅速、结构简单、成本低。但是，由 于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重 一般在3 0 公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、 轻载、高温和粉尘大的环境中进行上作。 机械传动机械手：由机械传动机构( 如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等) 驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。 它的主要特点是运动准确可靠、动作频率大，但结构庞大、动作程序不可变。它常被用 于工作主机的上、下料 一3 一 硅片传输棚械手的改进及其定位精度分析 电力传动机械手：有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱 动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电 机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有一定 发展前途同。 ( 3 ) 按机械手的臂力大小分 按臂力( 即被传送物件的重量) 的大小，可将机械手分为如下四类： 微型机械手，臂力小于1 公斤。 小型机械手，臂力为1 1 0 公斤。 中型机械手，臂力为1 0 - 3 0 公斤。 大型机械手，臂力大于3 0 公斤。 1 3 硅片传输机械手的现状 1 3 1 硅片传输机械手的分类 目前，市场上主要应用的硅片传输机械手，按应用环境的不同，可以分为净化机械 手和真空机械手。净化机械手是指用在洁净大气中的硅片传输机械手，这种机械手洁净 等级高，一般在1 0 级，有的可以达到l 级，运动时产生尘埃少，且有良好的密封措施。 真空机械手是指用在1 0 印a 真空环境中的硅片传输机械手，这种机械手除了要适应真空 环境外，还要同时满足净化环境的要求，结构比净化机械手更复杂，主要应用于集柬型 硅片机械手传输系统中。按传动方式的不同，硅片传输机械手大致可分为两大类型：一 类为平面关节( s c a r a ) 型硅片传输机械手，另一类为径向直线运动( r - 0 ) 型硅片传输 机械手( 属极坐标型) 。其中平面关节( s c a r a ) 型硅片传输机械手又可细分为间接驱动 型和直接驱动型两种。径向直线运动( r - 0 ) 型硅片传输机械手又可细分为r - o 型单托盘 式硅片传输机械手、r - 0 型双托盘反向和同向硅片传输机械手嗍。 典型的平面关节型硅片传输机械手有4 个自由度，分别为大臂回转、小臂回转、末 端执行器回转以及升降运动，其中手臂和末端执行器之间的运动是相互独立的。它的每 个关节处都有一台独立的电机，这些关节既可以联动也可以单独运动，这样有利于动作 的调整和对旋转角度进行补偿。间接驱动型硅片传输机械手需要使用减速器和润滑油， 容易污染环境。直接驱动型硅片传输机械手通过电机直接驱动负载，无需减速器的降速， 简化了机构，减少了污染。 典型的r - e 型硅片传输机械手有3 个自由度，分别为r 向( 径向运动) 、e 向( 旋转 运动) 、和z 向( 上下运动) ，其显著特征是电机通过复杂的带传动驱动前、后臂的关节 回转，硅片传输机械手的手臂能沿着径向做直线运动【9 】【1 0 1 。由于这种硅片传输机械手的 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 关节处采用的是带传动，如果应用同步齿形带，会引起较大的传动误差，比较好的方法 是采用钢带，这样可以减小由于带的弹性变形引起的误差，提高传送精度。 1 3 2 硅片传输机械手国外研究现状 硅片传输机械手是一类面向集成电路制造业，综合利用机械、电子、光学、计算机 等技术，通过编程或示教的方式，在i c 制造的各个工艺模块间精确、快速的传输并定 位硅片的，具有高精度、高洁净度和高可靠性的自动化传输体统，在集成电路制造业中 取代人来完成硅片传输的工业机械手【l ”。它针对i c 制造的工艺精度和净化要求，借助 工业机械手和工业自动化技术，在超洁净或真空环境中向各个加工设备输送硅片。 硅片传输机械手从2 0 世纪8 0 年代诞生起【1 2 1 ，至今已经有2 0 多年的历史了。由于 国外的i c 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 的工业机械手技术，使得硅片传输机械手的技术不断进步和成熟。同时硅片传输机械手 的平稳性越来越好，安全系数和定位精度越来越高。 在国外，硅片传输机械手技术日趋成熟，已经成为一种标准设备而得到工业界广泛 应用，从而也形成了一批在国际上较有影响力的、著名的硅片传输机械手公司，像日本 r o r z e 公司，j e l 公司，y a s k a w a 公司，韩国的d a s a t e c h 公司，t e s 公司，美国的i n n o v a t i v e 公司和a d e p t 公司等等。图1 2 是日本r o r z e 公司生产的一种较为典型的r - 0 型单托盘 式硅片传输机械手r r 7 1 6 l 1 5 2 3 3 a 6 】，其径向( r 向) 重复定位精度为0 1 m m ，旋转 ( 0 向) 重复定位精度为0 0 3 。，升降( z 向) 重复定位精度为0 0 5 m m 。图1 3 为日本 j e i 公司生产的3 轴圆柱坐标硅片传输机械手【1 4 l ，其径向重复定位精度可以达到 0 1 m m 。韩国t e s 公司生产的f s 系列硅片传输机械手【”】，如图1 4 所示，最大可以抓 取3 0 0 m m 直径的硅片。其臂部的每个伸展关节采用的是带驱动，硅片的夹持方式包括 中空夹持和边缘夹持，其重复定位精度也可以达到0 1 m m 。 图1 2 硅片传输机械手r r 7 1 6 l 1 5 2 3 - 3 a 6 f i e 1 2 w a f e rh a n d l i n gr o b o tr r 7 1 6 l 1 5 2 3 3 a 6 图1 33 轴圆柱坐标硅片传输机械手 r i g1 3 3 - a x i sc y l i n d r i c a lc o o r d i n a t e w a f e rh a n d l i n gr o b o t 硅片传输机械手的改进及其定位精度分析 图1 4f s 系列机械手 f 培】4 f ss e r i e sr o b o t 图1 5i r - 8 2 0 单臂机械手 f i g i 5 i r - 8 2 0s i n g l ew r i s tr o b o t 美国i n n o v a t i v e 公司生产的i r - 8 2 0 单臂硅片传输机械手如图1 5 所示【1 6 】，其x - y 轴、z 轴的重复定位精度都是o 0 5 m m 。图1 6 是由美国a d e p t 公司生产的直接驱动( d d ) 型机械手【1 7 1 ，这种机械手是通过电机直接驱动关节，没有经过谐波减速器的降速。为了 实现动作，该产品采用了无刷大扭矩电机来传递扭矩。此机械手的重复定位精度很高， 其中0 轴可以达到- + 0 0 1 。，z 轴可以达n o 0 3 r a m ，r 轴可以达n + 0 0 3 r a m 。 图1 6a d e p ta w a r d 机械手 f i g 1 6a d e p t a w a r dr o b o t ， 1 3 3 硅片传输机械手国内研究现状 由于国内的i c 产业起步比较晚，半导体设备的研究和开发与国外相比有很大差距。 中国有名的机械手生产厂家，像首钢莫托曼机器人有限公司、沈阳新松机器人自动化股 份有限公司、哈尔滨工业大学机器人研究所等主要生产用于汽车、摩托车、工程机械等 行业的焊接、切割、喷漆、研磨、装配和搬运等领域的机械手，暂时没有发现用于硅片 传输的机械手，只有少数大学和研究所开展了有关方面的研究。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 4 国内外硅片传输机械手的发展趋势 目前，先进的硅片传输机械手的发展趋势可以归纳为以下几点： 1 、高精度随着高精度的传感器，惯量小、响应快、精度高的电机和可靠的控制 系统的应用，机械手的重复定位精度能够保证硅片的精确定位。 2 、高速度、高可靠性国外的硅片传输机械手的控制卡均采用成熟的控制卡，即 基于d s p 技术的运动控制卡。能够使机械手在高加速度下启动，并高速度的运行，运 行稳定可靠，运行时间长。使硅片在搬运过程中运动平稳，降低了硅片的损耗率，并且 系统的维护少，控制简单。 3 、高洁净化由于在机构设计技术和密封技术的进步，硅片传输机械手一般可以 满足1 0 0 级，甚至是1 0 级或1 级的净化要求。机构技术采用平面关节型的构型，即在 机械手关节处使用直接驱动电机。这样可大大减少机械手的部件，使其运动惯量减少， 可提高机械手的定位精度，也使密封结构变的更加简单。同时新型密封技术的应用，特 别是磁性流体密封技术在机械手关节处的使用，对于提高机械手的洁净度要求有着重要 的意义。 1 4 课题研究的意义和重复定位精度确定的依据 1 4 1 课题研究的意义 随着硅片生产的产量和尺寸的不断增加，硅片的厚度也越来越薄，要求硅片生产向 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、 高精度的硅片传输机械手来实现。硅片传输机械手需要在有限的空间中实现硅片工位的 快速转换，这对硅片传输机械手的运动特性、反应灵敏性、动作准确性、工作稳定性和 可靠性等方面提出了较高的要求。硅片自动传输系统的研究，可为硅片加工装备提供重 要的配套技术和装置，对提高硅片加工设备的自动化、高效化、无人化具有重要意义。 而硅片传输机械手是硅片自动传输系统中不可缺少的重要部件之一，其中硅片传输 的精确性和稳定性主要由机械系统和控制系统的性能情况决定的。因此从硅片传输机械 手的机械系统和控制系统着手进行研究，对提高硅片传输机械手的安全性、稳定性和重 复定位精度有很大作用，从而满足高精度、大批量生产硅片的要求，实现了自动化，节 约了成本，提高了效率，降低了硅片搬运中的损耗。 1 4 2 确定重复定位精度的依据 硅片传输机械手重复定位精度的确定主要从下面两个方面考虑： ( 1 ) 硅片自动传输系统的工作原理 一一 硅片传输机械手的改进及其定位精度分析 本课题研究的硅片传输机械手主要完成以下工作：首先从硅片盒中取出硅片放到光 学预对准装置上，然后从光学预对准装置上把硅片传输到磨床上进行加工( 在磨床上需 要另外的三个传输机械手完成传输定位) ，加工完的硅片被传输机械手传输到硅片清洗 工位，最后从清洗工位传输到硅片盒中。 图1 8 硅片盒外形图 f i g 1 8 w a f e r b o xs h a p e 图1 9 硅片盒截面图 f i v 1 9 w a f e rb o xs e c t i o n 硅片传输机械手最基本的要求是保证能从硅片盒中取出硅片和把硅片放入硅片盒 中，因此需要机械手必须满足一定的重复定位精度，尤其是径向伸缩重复定位精度和旋 转重复定位精度。图1 8 和图1 9 是硅片盒外形图和截面图【i 引，其中c 4 是硅片盒的内径 尺寸，其公差如表1 1 所示，当硅片尺寸大于1 2 5 m m 时，硅片盒直径公差为l m m 。 根据硅片自动传输系统的工作原理，光学预对准装置的定位精度为0 1 m m ，磨床上工 作转台中三个机械手的定位精度也是- t - 0 1 m m ，而清洗工位的定位精度为o 5 m m ，所 以硅片传输机械手的重复定位精度必须小于士0 1 m m 才能满足要求。 表1 1 硅片盒内径公差 t 曲1 1i n n e r d i a m e t e r t o l e r a n c e o f w a f e r b o x ( 2 ) 国内外硅片传输机械手的研究现状 由于国外生产用于硅片传输的机械手的径向( r 向) 重复定位精度为0 1 m m ，旋转 ( o 向) 重复定位精度为0 0 3 。，升降( z 向) 重复定位精度为o 0 5 m m ，甚至更精确。 而国内生产的用于硅片自动传输系统的机械手很少，而且满足不了定位精度的要求，所 以本课题研究的机械手的设计标准要达到甚至超过国外的精度。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 1 5 硅片传输机械手重复定位精度影响因素 硅片传输机械手是在i c 制造的各个工艺模块间精确、快速的传输并定位硅片的高 精度和高可靠性的工业机械手。重复定位精度指往复运动的物体，每次停止的位置与第 一次调定的位置之间角度或长度的差值。差值越小，精度越高。影响该机械手定位精度， 尤其是重复定位精度的因素主要有以下几个方面： ( 1 ) 机械系统 本机械手的径向直线伸缩运动是由两套相互关联的同步齿形带机构来实现的。由于 同步齿形带与带轮间存在间隙，各臂的连接也存在误差，另外同步齿形带受力会发生变 形，前臂体中小带轮和小带轮轴因载荷增加会发生打滑现象，因此，机械手在伸缩运动 时会存在很大的误差。机械手的升降运动由于是单组齿形带传动，机械手的旋转运动是 耦合而成的，并且考虑到升降和旋转运动是由滚珠丝杠花键轴连接的，存在一定的回程 误差，所以对重复定位精度也产生了一定的影响。 ( 2 ) 电机参数 电机参数的设置会影响机械手运动的平稳性和响应速度，从而影响重复定位精度 ( 3 ) 控制系统 控制系统控制硅片传输机械手的升降、旋转及径向伸缩运动。在硅片传输机械手的 控制系统中，控制环对系统的影响是巨大的，所以当系统的基本特性( 包括机械传动、 电机选型等) 确立以后，就需要对系统的控制环进行调整。控制环参数调整的准确与否 直接影响系统的稳定性和跟随误差的大小，进而影响机械手的重复定位精度。 1 6 论文的主要研究内容 本课题是由国家8 6 3 计划项目( 2 0 0 2 a a 4 2 1 2 3 0 ) 和国家自然科学重大基金项目 ( 5 0 3 9 0 0 6 1 ) 资助完成。硅片传输机械手传输过程的稳定性、重复定位精度直接或者间接 的影响着i c 元件的加工质量。硅片传输机械手机械系统的合理性和控制系统的优良直 接影响到整个系统的精度、稳定和安全，重复定位精度的高低决定了硅片定位的精确性。 因此本文的主要任务是对机械手机械系统和控制系统进行系统的研究，对重复定位精度 进行分析，使硅片传输机械手达到传输硅片平稳、定位精确的目的。其主要内容如下： l 、改进硅片传输机械手的机械系统。在原有硅片传输机械手的基础上，对其机械 系统进行改进，解决由于臂体各个关节的旋转而造成的内部走线相互缠绕和轴毂连接打 滑等技术问题；校正末端臂体；增加限位开关，保证机械手安全运行；对电机的控制参 数进行调整，进而完善硅片传输机械手实验平台，为后续的硬件调试、运动控制和重复 定位精度分析奠定了基础。 一g 一 硅片传输机械手的改进及其定位精度分析 2 、完善硅片传输机械手的控制系统。对伺服电机的驱动器与可编程多轴运动控制 器进行硬件连接。根据硅片传输机械手的工作原理和运动特点，采用。p c + p m a c ”的 控制系统平台。以p c 机作为上位机，完成控制系统中的非实时任务：以运动控制器作 为下位机，实现实时的控制任务。调整过程中引入前馈控制，构成具有反馈和前馈的复 合控制的系统结构，从而整定控制器中的p d 参数。 3 、编写硅片传输机械手控制系统软件，完善人机交互接口界面，并增加伺服驱动 系统的实时控制、运动程序和p l c 程序的调用、机械手三轴联动等功能。 4 、完成硅片传输机械手的调试工作，对机械手的重复定位精度进行分析。针对机 械手的升降、旋转和径向运动，在指定位置采集大量的运动数据，把分析后的数据反馈 到上位机控制程序中进行补偿，提高硅片传输机械手的重复定位精度，保证硅片定位的 精确性。 大连理工大学硕士学位论文 2 硅片传输机械手试验平台的完善 本文研究的硅片传输机械手是在原有机械结构的基础上展开的。该机械手在调试过 程中，机械系统存在一定的问题，另外，控制系统需要进一步完善。本章主要从硅片传 输的功能需求出发，首先从机械手的机械结构入手，阐述其工作原理，并进行改进，然 后具体的研究该机械手的控制系统，为后续章节的软硬件调试和重复定位精度的分析奠 定坚实的基础。 2 1硅片传输机械手机械结构及改进 本文的硅片传输机械手是三自由度r - o 型机械手，其三个自由度分别为r 向( 径向) 直线运动，o 向( 旋转) 运动，z 向( 升降) 运动。此外，该机械手的末端执行器可以翻转 和真空吸附动作。其总体结构如图2 1 所示【嘲。 1 ) 基座2 ) 升降旋转部件3 ) 径向伸缩部件4 ) 末端翻转部件 图2 1 硅片传输机械手总体结构 f i g 2 1w a 船h a n d l i n gr o b o tg e n e r a ls 廿1 i 曲n 2 1 1 升降旋转运动 机械手的升降和旋转运动部件图如图2 2 所示，机械手在进行升降和旋转动作时， 电机1 通过其上的同步齿形带轮2 ，经过同步齿形带将动力传递给同步齿形带轮3 。同 步齿形带轮3 带动滚珠丝杠花键5 旋转，完成机械手的o ( 旋转运动) 向动作。电机9 通 过其上的同步齿形带轮8 经过同步齿形带将动力传递给同步齿形带轮6 ，同步齿形带轮 硅片传输机械手的改进及其定位精度分析 6 带动滚珠丝杠花键5 中的滚珠螺母旋转，完成机械手的z ( 上下运动) 向动作。由于带 动滚珠丝杠花键5 是丝杠和花键的组合结构，旋转和升降动作相互影响，因此控制这两 个动作的电机需要进行解藕动作，采用交流伺服电机可以有效的解决这个问题。 1 ) 电机2 ) 同步齿形带轮3 ) 同步齿形带轮4 ) 丝杠花键筒5 ) 滚珠丝杠花键 6 ) 同步齿形带轮7 ) 上盖板8 ) 同步齿形带轮9 ) 电机1 0 ) 挡块 图2 2 升降旋转运动部件 f i g 2 2u p - d o w n a n dr o t a t e dc m p o n e n t 2 1 2 径向伸缩运动 该机械手整个部件的径向直线伸缩动作是由两套相互关联的同步齿形带机构来实 现的，其传动原理如图2 3 所示，同步齿形带轮3 与同步齿形带轮4 的传动比为2 ：1 ， 同步齿形带轮5 与同步齿形带轮6 的传动比为l ：2 2 0 一，其中，同步齿形带轮5 与后 臂体固联。部件的动作过程如下：当同步齿形带轮1 旋转而同步齿形带轮2 静止时，后 臂体旋转，同步齿形带轮3 与同步齿形带轮2 固联，也是静止的，于是同步齿形带轮4 与同步齿形带轮3 构成行星轮系，后臂体转动带动与同步齿形带轮4 固联的前臂体转动； 在前臂体中，由于同步齿形带轮5 与后臂体固联，因此，在以后臂体为参考系的前臂体 中，同步齿形带轮5 与同步齿形带轮6 也构成了一个行星周转轮系。在这两个行星周转 轮系的作用下末端臂体的运动轨迹始终是沿着径向的直线伸缩动作。 大连理工大学硕士学位论文 同步齿形带轮3 后臂体同步齿形带轮4同步齿形带轮5前臂体同步齿形带轮6 末墙臂体 圈2 3 径向伸缩部件传动原理图 f i g 2 3k l a a m m i s s i o np r i n c i p l eo f t i l er a d i a le x p a n s i o no o m p o m 啦 考虑到硅片传输机械手的使用环境和美观，防止裸露的导线和空气管路对外界的污 染，本机械手采用了内部走线。其中，末端执行器的翻转气缸的气动管路、末端吸盘的 真空管路、径向伸缩电机的动力线和信号线会合后一起迸入丝杠花键轴的空心部分，向 下进入简体中。由于机械手在做径向伸缩运动时，径向伸缩电机与滚珠丝杠花键轴有相 对转动，势必会导致内部走线发生相互缠绕，甚至搅断的危险。因此必须增加一个连接 装置，其与后臂体固定，与齿轮内孔间隙配合。如图2 4 所示，由于径向伸缩电机与后 臂体没有相对运动，所以当电机旋转时，后臂体和连接装置相对不动，并且连接装置相 对齿轮和滚珠丝杠花键轴旋转，内部走线不会出现缠绕的现象。 一1 3 一 硅片传输机械手的改进及其定位精度分析 后臂体端盖 后臂体连接装置齿轮滚珠丝杠 图2 4 内部走线图 f i g 2 4 t h ei n n e r 删i 蟮d i 锄v i n g 2 1 3 末端臂体的校正 末端执行器要实现径向伸缩运动，除了要保证其与同步齿形带轮3 ( 见图2 3 ) 没有相 对旋转外，还要保证末端执行器的径向中心线过同步齿形带轮3 的中心。这样末端执行 器才能实现精确的径向伸缩运动，并有助于提高其定位精度。 由于末端臂体的径向中心线和同步齿形带轮3 的中心很难找准，并且它们是空间布 局的，所以用常规的方法很难校正末端臂体。但是，硅片传输机械手在做径向伸缩运动 时，总可以让机械手的后臂、前臂和末端臂体运动到一条直线上，这时机械手能伸缩到 最远距离，因此可以利用这条性质校正末端臂体的位置。当它们成一条直线时的理论长 度为4 9 5 m m ，但是，实际上的长度小于4 9 5 m m ，主要是因为末端执行器的中心线没过 同步齿形带轮的中心，导致实际长度比理论长度短。为了使硅片传输机械手的径向定位 精度满足要求，对末端臂体进行校正是十分有必要的。 校正手段是先用百分表初步校正一下，再用千分表精确定位。原因是百分表的测量 范围大，但不精确，千分表量程小，但精度高。具体的做法是：把百分表表头与末端臂 体前表面接触，这样当硅片传输机械手做径向伸缩运动时，百分表就会有读数，根据数 据的变化来校正末端臂体的位置。百分表的读数规律由小变大，然后又变小，直到趋于 稳定。同样的方法再用千分表校正末端臂体。本次调整的末端臂体的位置精度能精确到 5 0 um ，这时末端臂体的位置完全满足了对心的要求，真正实现了末端执行器的径向直 线运动。图2 5 a ) 是用百分表校正末端臂体的位置值，图2 5 b ) 是用千分表校正末端臂体 的位置值。 一1 0 18 骂6 鍪t 委z 书七0 - v 鲥 捌 蹄 靶 毒 署 * l 2 34 56 78 91 0 次数 a ) l234567 8 9 1 0 次教 b ) 图2 5 末端执行器校正 f i g 2 5a d j u s t m e n to f f i r et e r m i n a la c t u a t o r 2 1 4 轴毂连接件 轴毂连接主要是实现轴和轴上零件的周向固定，并传递扭矩。轴毂连接的方式有很 多，像键连接、销连接、胀套连接等吲。其中利用胀套来连接轴与轴套是一个更好的选 择：胀套连接的定心性好、装拆方便、引起的应力集中小；承载能力高，具有安全保护作 用；安装和拆卸方便：很适合传动不平稳的场合，如加速和制动；胀套连接完全避免了 对轴和轴套的破坏，而键槽，销等的连接则会因剪切应力对轴和轴套造成破坏；尤其适合 高速传动；对污垢不敏感；可重复使用；过载时打滑可对机械部件进行保护( 应避免重 硅片传输机械手的改进及其定位精度分析 复打滑) 。胀套连接是在毂孔与轴之间装配一个或几个胀紧连接套( 由一对分别带有内、 外锥面的套筒组成) ，在轴向力的作用下，同时胀紧轴与教的一种静连接。拧紧连接螺 钉，便可以将轴、毂胀紧，以传递载荷。 但是，该机械手的胀套连接所传递的扭矩较大，由于设计的原因，现有的胀盖顶到 小带轮的上表面时小带轮轴和小带轮仍旧打滑。而且胀盖上只有4 个孔，4 个m 3 1 0 螺钉的轴向力也无法使胀盖压紧胀套，并且由于空间位置的关系，小带轮的螺纹孔又不 能扩大，所以无法更换更大型号的螺钉来紧固小带轮轴和小带轮。更改的连接方案如图 2 6 所示。在胀套与小带轮胀盖间增加一个薄垫片，垫片的内径大于胀套的内径，垫片 的外径小于胀套的外径，并且在胀盖上均布8 个螺纹孔，这样当8 个螺钉同时拧紧时， 轴向力通过垫片传递给胀套，胀套胀紧力使小带轮和小带轮轴同步动作。 图2 6 轴彀连接原理图 f i g 2 6 t h e p r