（机械电子工程专业论文）硅片传输机器人设计及轨迹规划.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 集成电路( i c ) 产业已成为世界经济的基础，i c 装备是i c 产业的必要支撑。硅片 传输机器人是i c 装备的核心技术之一，在硅片加工过程中承担着定位和传输两项关键 任务，其性能的优劣直接影响硅片的生产效率和制造质量，体现整个加工系统的自动化 程度和可靠性。因此，硅片传输机器人及其关键技术的研究对i c 产业的发展具有重要 意义。 本文在分析国内外硅片传输机器人发展及研究现状的基础上，对机器入构型进行了 探讨和比较，确定r - o 型结构为本课题机器人总体方案。根据硅片传输机器人手臂运动 特点( 径向直线伸缩) ，采用带传动精确直线引导机构作为本课题机器人手臂基本模型， 对手臂和末端执行器结构做了详细设计。由两套行星周转轮系与连杆机构共同作用来实 现末端执行器的径向直线伸缩运动，并对该径向直线伸缩机构进行了运动学和动力学分 析。 本文硅片传输机器人本体设计包括单臂机器人设计和双臂机器人设计，在单臂机器 人设计工作的基础上进行双臂机器人设计。基于硅片传输机器人设计原则，详细设计了 单、双臂机器人的r 向( 径向直线伸缩) 、占向( 旋转) 和z 向( 升降) 传动机构。r 向和p 向运动采用谐波齿轮减速器减速，提高了机器人结构的紧凑性和重复定位精度， z 向运动通过滚珠螺杆来实现。各向运动由相互独立的伺服电机驱动，易于控制。机器 人的驱动部件及传动机构均置于基座及手臂内部，提高了机器人本身的洁净等级。 基于硅片传输机器人的工作特点，对机器人时间最优轨迹规划进行研究，综合考虑 机器人轨迹、速度、加速度等约束条件，针对特定轨迹机械手臂运动提出了一种时间最 优加、减速曲线规划方法，并采用该方法对硅片传输机器人大臂运动迸行规划，获得大 臂速度曲线。 本文设计的单臀硅片传输机器人已完成整机组装和控制系统调试，双臂硅片传输机 器人正在加工。调试结果表明，单臂硅片传输机器人满足实际功能要求。 关键词：集成电路；机器人手臂；单臂机器人；双臂机器入；轨迹规划 硅片传输机器人设计及轨迹规划 d e s i g na n dt r a j e c t o r yp l a n n i n go fw a f e rh a n d l i n gr o b o t k , b s t r a e t i n t e g r a t e dc i r c u i to c ) m a n u f a c t u r i n gh a sb e c o m et h eb a s i so fw o r l de c o n o m ya n di c e q u i p m e n t sa r et h ei n d i s p e n s a b l es u p p o r to f i cm a n u f a c t u r i n g w a f e rh a n d l i n gr o b o ti so n e o f t h ec o r l ! ：t e c h n o l o g i e si ni ce q u i p m e n t s ，w h i c he x e c u t et h ek e yt a s k s ：l o c a t i o na n dh a n d l i n g w a f e r si nw a f e r sf a b r i c a t i o n a st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t , w a f e rh a n d l i n gr o b o t sa f f e c t p r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dm a n u f a c t u r i n gq u a l i t yo fw a f e r s ，a n ds h o wt h ea u t o m a t i o na n d r e l i a b i l i t yo f t h et o t a lp r o c e s s i n gs y s t e m s ot h er e s e a r c ho f w a f e rh a n d l i n gr o b o ti so f ag r e a t s i g n i f i c a n c et ot h ed e v e l o p m e n to f i cm a n u f a c t u r i n g w i t hr e s p e c tt ot h ew a f e rh a n d l i n gr o b o t , b a s e do nt h es u r v e yo fd e v e l o p m e n ta n d p r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n , t h er o b o tc o n g f i g u r a t i o n sa r es t u d i e da n dc o m p a r e d , a n dt h er - oi s a d o p t e d a c c o r d i n gt ot h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fw a f e rh a n d l i n gr o b o ta r m s ( r a d i a l l i n e a rs t r e t e l a i n g ) ，c h o o s eb e l tt r a n s m i s s i o np r e c i s el i n e a rg l 】i 豳gl i n k a g em e c h a n i s m sa st h e b a s i cm o d e l t h ea r m sa n de n d - e f f e c t o rs t r u c t u r e s ，w h i c hu s et w oc o r r e l a t i v ep l a n e t a r yg e a r t r a i n sa n dl i n k a g em e c h a n i s m sf o rr e a l i z i a gt h er a d i a l l i n e a rs t r e t c h i n gm o v e m e n to f e n d - e f f e e t o r , a r ed e s i g n e di nd e t a i l t h e nt h ek i n e m a t i c sa n a l y s i sa n dd y n a m i c sa n a l y s i so f t h er a d i a ll i n e a rs t r e t c h i n gc o m p o n e n ta r cd i s c u s s e d t h ed e s i g n so fs i n g l e - a i n ta n dd u a l - a r mw a f e rh a n d l i n gr o b o t sa l ec o m p l e t e d , a n dt h e d u a l - a r mr o b o ti sb a s e do nt h es i l 3 9 l e = 1 1 1 3 d 1 1r o b o t t h et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m so fr m o v e m e n t ( r a d i a ll i n e a rs t r e t e l a i n g ) a n d0 ( r o t a t i o n ) m o v e m e n ta n dz ( u p - d o w n ) m o v e m e n t f i l ed e s i g n e d , h a r m o n i cg e a rr e d u c e r sa r ea d o p t e d0 1 1ra n d0i r a n s m i s s i o nm e e h a 丑i s m s b a l l s i su s e df o rr c a l i z i n gzm o v e l n e n t ，a n dt h er ，只zm o v e m e n t sa r ed r i v e nb yi n d e p e n d e n t a cs e l v om o t o r s i no r d e rt oi m p r o v ec l e a nl e v e l , t h em o t o r sa n dg e a r i n ga r ef i x e di nt h eb a s e a n da l m s b a s e do nt l a ew o r k i n gf e a t u r e so f w a f e r h a n d l i n gr o b o t s ，t i m e - o p t i m a lt r a j e c t o r yp l a n n i n g o fr o b o ti sr e s e a r c h e dd e 印l y ，a n df a e i a gt os p e c i a lt r a j e c t o r ym e c h a n i c a la r m , t i m e - o p t i m a l t r a j e c t o r yp l a n n i n gm e t h o d , w h i c hc o n s i d e r st h ep a t hl i m i t s ，t h ev e l o c i t yl i m i t s ，a n dt h e a c c e l e r a t i o nl i m i t s ，i sp r o p o s e d t h e nt h ep r o p o s e dm e t h o di sa p p l i e dt ot h ed e s i g nr o b o ta n d t h ef i r s ta r mv e l o c i t yc 1 1 r v ei so b t a i n e d 大连理工大学硕士学位论文 t h es i n g l e a r n lw a f e r - h a n d l i n gr o b o th a sb e e na s s e m b l e d , a n dt h ec o n t r o ls y s t e m d e b u g g e d t h ed u a l - a r mw a f e r - h a n d l i n gr o b o ti sp r o c e s s i n g t h et e s t e dr e s u l t ss h o w t h a tt h e s i n g l e a 衄w a f e r - h a n d l i n gr o b o tc 锄m e e tt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：i m e r g r a t e dc i r c u i t ；a r mo fr o b o t ；s i n g l e a r l l lr o b o t ；d u a l - a r mr o b o t ； t r a j e c t o r yp l a n n i n g 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， 论文申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： 立越日期：圣! 氇兰垂鲆 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：盘丝 导师签名：! ! ! ：皇j 上止2 _ , 9 苴f j 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 论文选题背景及来源 今天，人类社会已经进入了信息时代，集成电路( 鳓t e dc i r c m t , i c ) 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i c 制造 装备是i c 产业发展的支柱1 1 】，制造技术( 工艺) 的更新和更高性能的i c 制造装备的研制 在整个i c 产业的发展中扮演着技术先导的角色，i c 装备已成为i c 产业的驱动力和重要 组成部分。 随着集成电路集成程度的提高，对硅片的尺寸及加工精度要求越来越高，进而对硅 片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。硅片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。 机器人技术是随着i c 制造产业的快速发展而被引入i c 制造过程中的。目前，硅片 传输机器人已成为硅片自动传输系统的重要组成部分和关键技术之一，它是一个包含机 械、电子、计算机等多学科的产品，直接体现了整个硅片加工系统的自动化程度和可靠 性。硅片传输机器人在加工过程中承担硅片运输和定位两项重要的任务，能够实现加工 厂内设备之间完全无缝的自动化集成，在今后研制的更高要求硅片加工系统中扮演着越 来越重要的角色。 本课题来源于广东省教育部产学研结合项目“净化、真空机器人系列产品及关键技术 的研发”( 2 0 0 6 d 9 0 3 0 4 0 1 2 ) 和国家自然科学基金项目“面向i c 制造的硅片机器人关键技 术研究”( 5 0 6 7 3 0 2 7 ) 。 1 2 硅片自动传输系统概述 硅片自动传输系统是针对i c 制造的工艺精度和净化要求，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、快速地 传输并定位硅片的自动化传输系统f 2 】，它具有高精度、高洁净度和高可靠性的特点。 1 2 1 硅片自动传输系统的分类 目前，按工作环境的不同，硅片自动传输系统可分为两类：在洁净环境中应用的硅 片自动传输系统和在真空环境中应用的硅片自动传输系统【3 4 1 。 在洁净环境中应用的硅片自动传输系统的典型结构如图1 1 所示，它由r - 0 型硅片传 输机器人，预对准装置和校准装置等组成【5 1 。它的工艺动作顺序为：首先硅片传输机器人 硅片传输机器人设计及轨迹规划 将待加工的硅片从片盒中取出，送至预对准装置迸行定位，接着硅片传输机器人将定位 好的硅片送入工艺设备中，进行相应的工艺处理，然后硅片传输机器人将已加工好的硅 片传送到已加工硅片的片盒中，对硅片传输机器人的末端执行器校准，硅片传输机器人 回零。 图1 1 洁净环境中的硅片自动传输系统 f i g 1 1 t h ew a f e rh a n d l i n gs y s t e mi nt h ec l e a ne n v i r o n m e n t 在真空环境中应用的硅片自动传输系统称为集束型( c l u s t e rt o o l s ) 硅片自动传输系 统，其典型结构如图1 2 所示，它由真空型硅片传输机器人和预对准装置等组成【3 4 j 。在 该传输系统中，几种工艺设备和硅片盒被放置于蛙腿式或平面关节型( s c a r a ) 真空硅 片传输机器人的周围，真空型硅片传输机器人通过路径规划，在真空环境中完成对硅片 的定位和在各个工艺之间的传输嘲。该自动传输系统结构紧凑、效率高【刀和污染小。 图1 2 真空环境中的硅片自动传输系统 f i g 1 2 t h ew a f e rh a n d l i n gs y s t e mi nt h ev a c u u n le n v i r o n m e n t 盒一 童 片一 片一 硅一 硅一 鬟一 工一 工一 鞋一 加一 衄一 搿一 榜一 量 嘲一 一 产擎蓼画 弋门u 删 一 一 大连理工大学硕士学位论文 1 2 2 硅片自动传输系统的发展 随着微电子技术的飞速发展，i c 制造技术及其装备总是处于不断的变革之中。硅片 自动传输系统的发展按照硅片尺寸可划分为3 个阶段喁l ：小于2 0 0 r a m 阶段、2 0 0 r a m 阶段 和3 0 0 r a m 阶段。 2 0 世纪8 0 年代后期，硅片的主流生产线由o 8 岫、1 5 0 r a m 向o 3 5 t a m 、2 0 0 r a m 转变。 由于硅片特征尺寸的缩小和硅片直径的扩大，用于1 5 0 r a m 时代的半自动化传输设备( 如 镊子、真空棒、步进电机驱动传送带、硅片升降机) 已无法满足2 0 0 m m 对代的高速度、 高精度和高洁净度的要求，于是专门用于硅片传输的机器人，即硅片传输机器人诞生了。 同时，以硅片传输机器人和硅片预对准系统为主要组成部分的硅片自动传输系统诞生了。 从那时起，国外的一些公司和研究机构就开始了硅片自动传输系统及其关键技术的研究 与开发，并先后研制出了应用于超洁净环境中的硅片自动传输系统和应用于真空环境中 的集束型硅片自动传输系统，并申请了一些专利【9 】。其中比较先进的是日本的y a s k a w a 公司、r o r z e 公司，美国的b r o o k sa u t o m a t i o n 公司、a d e p t 公司等。但国内i c 产业起步较晚，i c 设备的研究和开发与国外相比十分落后，在硅片自动传输系统方面的 研究也很少，只有少数大学和研究所开展了有关方面的研究 s l 。 目前3 0 0 m m 的硅片生产线已逐渐代替2 0 0 r a m 的硅片生产线成为主流，到2 0 1 3 年 4 5 0 r a m 、0 0 3 5 t a m 特征尺寸的硅片也将投入生产。硅片的直径、重量的增加与制造工艺的 提高，使硅片传输系统不断朝着大尺寸、高洁净度、高速度、高精度和高稳定性的方向 发展。 1 3 硅片传输机器人概述 硅片传输机器人是应用在i c 产业中，代替人完成硅片传输的工业机器人。与半自动 化传输设备和传统的工业机器人相比，它具有传输速度快、定位( 重复定位) 精度高、 污染少、可靠性高和鲁棒性好的特点。 i c 制造业的特点是超精密化、超洁净环境和细微化，i c 加工工艺包括光刻、刻蚀、 氧化、扩散、掺杂等工艺，涉及近百道工序，有些工艺还是在真空环境下进行的，对设 备要求极高。在加工过程中，硅片在不同工位间快速、高效、可靠的传输和定位离不开 硅片传输机器人。机器人作为i c 生产线的高精度、高速度和高洁净的自动化传输设备， 直接体现出整机系统的自动化程度和可靠性；它的工作速度、定位精度等直接影响硅片 的生产效率和制造质量【5 9 1 。因此用于这样环境的机器人已成为i c 制造装备中的关键设 备。 硅片传输机器人设计及轨迹规划 1 3 1 国内外硅片传输机器人的发展 硅片传输机器入从2 0 世纪8 0 年代诞生起，至今已有2 0 多年的历史。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器 人技术使得硅片传输机器人的技术不断进步和成熟。 在2 0 世纪8 0 、9 0 年代，国外的一些公司和研究机构积极地对硅片传输机器人及其 关键技术进行研究和开发，并取得了丰硕的成果，如日本y a s k a w a 公司研发的真空步 进电机、真空伺服电机、磁力编码器等，日本k a w a s a k i 公司开发的多系列运动控制卡以 及美国a d 印t 公司研发的应用于洁净环境下的直接驱动电机等。但国内i c 设备的研究和 开发与国外相比十分落后，在硅片传输机器人和硅片精密自动传输系统方面的研究也很 少。目前，应用在国内硅片生产线上的自动传输系统几乎全部从国外进口，而且国内的 硅片加工设备在技术水平、稳定性、可靠性和自动化程度上与国际水平都有很大差距。 国内最好的装备生产水平只相当于国外9 0 年代初的水平，一般的仅为国外7 0 年代到8 0 年代的水平。例如日本在9 0 年代后期就已经研制出可进行单级硅片检测、预对准、反向 旋转、倾斜、并与各种各样双面硅片自动预对准台匹配使用的超高精度片子传输装置。 日本株式会社研制的u i v 2 0 0 0 片子自动传输机械手采用对称双硅片传输，内部装有精密 光学监测装置，可传送硅片直径币5 0 咖币2 0 0 i i l m ；国内9 0 年代研制的b g 7 0 3 双面曝 光机，其机械手用于币5 0 m m 币7 5 衄的硅片传输，先由人工上片至上片台，再由机械手 完成从上片台到对准台的往返传送，该传输机构性能较低，功能单一，没有标准化、通 用化、模块化【。 9 0 年代后期，随着集成电路功能和速度的飞速提高，硅片生产线开始由0 3 5 p m 、 2 0 0 m m 向o 1 8 岬、3 0 0 m m 转变。3 0 0 m m 硅片生产线工序更集中，加工速度更快，工作 环境更洁净，对硅片传输机器人的速度、定位( 重复定位) 精度、可靠度及洁净度等提 出了更高要求。2 0 0 m m 硅片传输机器人大都用于洁净度为1 0 0 级到1 0 级的环境下，无法 满足3 0 0 m m 硅片生产线所要求的l o 级到1 级、甚至无尘环境的要求。而且由于硅片直 径的增大，使得硅片的重量增加，因此硅片传输机器人的承载能力及其传输硅片加速度 控制的合理性等均需满足更高的要求。且前，日本、美国、德国、韩国及中国台湾等发 达国家及地区的半导体制造装备公司及科研机构早已开展了3 0 0 m m 硅片传输机器人的研 究，并申请了大批专利，很多成熟的硅片传输机器人已批量生产，为硅片传输机器人行 业做出了巨大贡献。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、沈阳新松机器人公司、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。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 2 国内外硅片传输机器人研究现状 硅片传输机器人按工作环境不同可分为净化机器人和真空机器人强】；按结构形式可 分为平面关节型( s c a r a 型) 硅片传输机器人和r - 0 型硅片传输机器人( 详见2 2 节) 。 应用在洁净大气环境中的硅片传输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1 0 级，少数可达l 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。净化机器人的生产厂商较多，如国外的e p s o n 、i - 1 2 w 、 d a i h e n 、k a w a s a k i 、b r o o k s 等，国内沈阳新松机器人公司、哈尔滨工业大学，大连理工大 学也己研制出净化机器人样机。 图1 3 为e p s o n 公司e c 2 5 0 系列净化机器人【1 2 1 。该机器人为典型的s c a r a 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 滑动关节傲垂直运动【1 3 j 。 图1 3e p s o n 公司e c 2 5 0 净化机器人 f i g 1 3 e c 2 5 0c l e a nr o b o to f e p s o nc o r p 图1 4 为h 2 w 公司h 2 w 3 0 0 系列净化机器入f 阐。该机器人为典型的r 0 型单臂净 化机器人，其r 向、0 向、z 向运动分别由三个无刷伺服电机驱动，各向伺服电机、伺服 放大器、运动控制卡、电源等安装在圆柱体内部，减少了机器人的体积，增大了机器人 有效运动空间，周时也提高了机器人的洁净度。该机器人转动惯量小，并采用零缝隙的 谐波传动方式，大大提高了系统的灵敏度。 硅片传输机器人设计及轨迹规划 图1 4i 2 w 自动化公司h 2 w - 3 0 0 净化机器人 f i g 1 4 h 2 w - 3 0 0c l e a nr o b o to f h 2 wa u t o m a t i o nc o r p 图1 5 为d a i h e n 公司s p r - 1 5 3 s 系列净化机器人【1 5 ) 。该机器人为典型的r - 0 型双臂净 化机器人。具有两个结构、功能相同的手臂，双臂可同时或交替运动，通过对手臂运动 的合理控制，可以大大提高硅片的传输效率。 图1 5d a i h e n 公司s p r - 1 5 3 s 净化机器人 f i g 1 5 s p r - 1 5 3 sc l e a nr o b o to f d a i h e nc o r p k a w a s a k i 公司对净化机器人研究较早，主要有s c a r a 型n x 系列、n s 系列，r - 0 型t s 系列、t l 系列和垂直多关节型f c 系列。图1 6 所示的垂直多关节型机器人f c 0 6 n 1 1 6 】 是k a w a s a k i 公司的一种新型净化机器人。该机器人结构紧凑，共有6 个轴，6 个自由度， 手腕具备3 个自由度，可以按照3 维曲线轨迹动作，能使硅片从水平到垂直、或者到倾 斜的姿势自由变更。 大连理工大学硕士学位论文 图1 6k a w a s a k i 公司f c 0 6 n 净化机器人 f 培1 6 f c 0 6 nc l e a nr o b o to f k a w a s a k ic o r p 国内大连理工大学较早开展了净化机器人相关研究，并于2 0 0 6 年9 月研制出净化机 器人样机，如图1 7 所示。该样机为典型r - o 型结构【1 7 1 3 1 ，并将电机、传动装置等污染源 置于机器人内部，以带传动的方式将动力从低洁净环境传输到高洁净环境，其洁净等级 可达l o 级。 图1 7 大连理工大学净化机器人样机 f i g 1 7 t h ec l e a n r o b o to f d u t 应用在真空度为l o 巧p a 环境下的硅片机器人被称为真空机器人。这种机器人在设计 时即要满足净化环境的要求，同时也要考虑真空条件的要求，如脱气、散热等。目前， 真空机器人主要应用在集束型设备中，通过轨迹规划完成对硅片的定位和传输嘲。真空机 器人自1 9 8 7 年问世以来，得到了国外很多公司的注目与研究，至今已形成系列技术成 硅片传输机器人设计及轨迹规划 熟的产品，如d a i h e n 公司的s p r - 3 1 l 系列、j e l 公司的s t v h r 4 0 0 0 系列、b r o o k s 公司 的m a g n a t r a n 7 系列等。 图1 8 为d a i h e n 公司s p r - 3 1 1 系列真空机器人【1 9 1 。该系列机器人是典型的r 0 型机 器人，3 个自由度分别由3 个交流伺服电机驱动，可传输3 8 英寸的硅片，可在真空度为 1 3 3 x 1 0 * p a 的环境下工作。 图1 8d a i h e n 公司s p r - 3 1 1 系列真空机器人 f i g 1 8 s p r - 3 11v a g u u l nr o b o to f d a i h e nc r o p 图1 9 为j e l 公司s t v h r 4 0 0 0 系列真空机器人刚。该系列机器人是一种应用在集束 型装备中的双臂真空机器人，可传输3 0 0 m m 硅片，而且采用了先进的磁流体密封技术， 可工作在真空度为1 0 - ( p a 的环境下。 图1 9 1 e e 公司s t y x 4 0 0 0 系列真空机器人 f i g 1 9s t v h r 4 0 0 0v a g u u mr o b o to f j e lc r o p 8 一 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 0 为e m s 公司的m o d e m 5 真空机器人【2 n 。该机器人是一种新型真空机器人， 可用于传输3 0 0 m m 硅片，能够实现硅片3 6 0 0 大幅度旋转；该机器人的疗轴采用磁流体密 封技术，z 轴采用不锈钢风箱封装，减少了尘埃的产生，大大提高了机器人的真空度。 图1 1 0e l i s 公司的m o d e l 4 5 真空机器人 f i g 1 1 0 m o d e m 5v a c u mr o b o to f e m sc r o p 图1 1 l 为b r o o k s 公司的m a g n at r a n7 系列真空机器人阎。该系列机器人是典型的蛙 腿式双臂真空机器人，可传输1 0 0 m m 3 0 0 m m 的硅片，震向最大行程可达1 0 5 0 m m ；采用 基于d s p 技术的运动控制卡控制，减少手臂的振动，提高手臂的稳定性。 图1 1 1b r o o k s 公司m a g n at r a n7 1 真空机器人 f i g 1 1 1m a g n a t r a n7 1v a ( 3 u u l l r o b o t o f b r o o k s c r o p 硅片传输机器人设计及轨迹规划 1 4 论文主要研究内容 本文在分析国内外硅片传输机器人分类、发展及研究现状的基础上，对硅片传输机 器人系列产品( 单、双臂硅片传输机器人) 进行设计，针对硅片传输机器人手臂( 胄向 径向直线伸缩机构) 的运动特点，提出一种适合特定轨迹机器人手臂运动的轨迹规划方 法。具体工作主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 硅片传输机器人总体方案设计。在分析机器人5 种基本构型及其特点的基础上， 重点探讨硅片传输机器人常用的两种典型结构：s c a r a 型机器人和r - 0 型机器人；考虑 硅片传输机器人基本功能并结合实际需要，确定本课题硅片传输机器人总体方案。 ( 2 ) 硅片传输机器人手臂设计。根据已定的硅片传输机器人总体方案，分析本课题机 器人手臂基本构型，建立机器人手臂模型，并对硅片传输机器人手臂的传动原理进行研 究；设计硅片传输机器人手臂和末端执行器结构，建立手臂机构运动学和动力学模型， 进行运动学和动力学分析。 ( 3 ) 硅片传输机器入本体设计。基于硅片传输机器人设计原则，首先对单臂硅片传输 机器人各项运动的传动机构详细设计；在完成单臂机器人设计工作的基础上，开展双臂 硅片传输机器入的设计工作；确定硅片传输机器人驱动电机及滚珠螺杆型号，并进行校 核：本课题单臂硅片传输机器人样机已完成整体装配，双臂硅片传输机器人正在加工。 ( 4 ) 硅片传输机器入轨迹规划的研究。在研究机器人轨迹规划的基础上，对机器人时 间最优轨迹规划进行研究，针对特定轨迹机械手臂运动提出一种时间最优加、减速曲线 规划方法，并采用该方法对硅片传输机器人大臂运动进行规划。 1 5 本章小结 本章介绍了课题的选题背景及来源，综述了硅片自动传输系统和硅片传输机器人 的分类及发展，通过对硅片传输机器人的典型产品的介绍，分析了国内外硅片传输机 器人的研究现状，最后提出了本文的主要研究内容。 大连理工大学硕士学位论文 2 硅片传输机器人总体方案设计 机器人的作业目的和工作环境决定其本体构型，本章根据硅片传输器人的功能指标 及约束条件等确定本文设计的机器人总体方案。 硅片传输机器人是专门针对i c 制造业设计的应用于硅片自动传输系统的机器人，其 主要功能包括1 1 8 】传输功能、夹持功能、自我保护功能和人机交互功能。传输功能是硅片 传输机器人的最基本功能，实现一定范围内两点或多点问的传输，而且机器人的运动应 尽可能平滑无振动；夹持功能是硅片传输机器人抓取硅片的功能，在传输过程中保证硅 片不产生滑落和损毁，而且不能对硅片造成污染；自我保护功能是硅片传输机器人工作 过程中避免与周围的物体发生碰撞，保证机器人及硅片安全的功能，例如在机器人末端 执行器及手臂上安装传感检测和防撞装置等；人机交互功能是机器人遵照人的意图进行 作业，操作人员必须能将其意图传递给机器人，同时机器人运行中的各种状态要实时的 反映给操作人员，这些工作主要依赖于人机界面来实现。 硅片传输机器人的工作环境为洁净或真空环境，因此对硅片传输机器人本身的洁净 度也有较高要求。硅片传输机器人要结构紧凑，占地空间小，这样可更为合理地利用洁 净室空间，而且在机器人出故障时，可以迅速更换，便于洁净环境的维护；硅片传输机 器人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，机器人驱动装置和各 回转关节是机器人的主要污染源，因此要合理合理选择材料及特殊的润滑油，而且各关 节要进行良好的密封，外露部分要方便清洗等；由于硅片在各个加工模块或片盒中水平 放置，因此要求硅片传输机器人在传输过程中，尽量使硅片处于水平放置状态，同时避 免末端执行器与加工模块在洁净室中的开口、片盒的开口发生碰撞而导致硅片损坏。 2 1 机器人构型 机器人通常是根据它们的坐标系来分类的，一般可分为5 种i ”，1 刀：直角坐标型机器 人( 也称笛卡儿坐标型或台架型机器人) 、圆柱坐标型机器人、平面关节型机器人( 也 称s c a r a 型机器人，s e l e c t i v ec o m p l i a n c ea s s e m b l yr o b o ta r m ) 、球坐标型机器人和链 式坐标型机器人。 直角坐标型机器人如图2 1 中1 ) 所示，该机器有3 个滑动关节，可沿3 个相互垂直 的轴( 石y z ) 移动，确定末端执行器的位置：圆柱坐标型机器人如图2 1 中2 ) 所示， 该机器人有2 个滑动关节和1 个旋转关节，可沿相互垂直的轴( 五y ) 移动，绕z 轴转 动，确定末端执行器的位置；s c a r a 型机器人如2 1 中3 ) 所示，该机器人由2 个水平 面上并联的旋转关节和1 个垂直的滑动关节组成，图1 3 为典型的s c a r a 型机器人；球 硅片传输机器人设计及轨迹规划 坐标型机器人如图2 1 中4 ) 所示，该机器人由1 个滑动关节和2 个旋转关节来确定末端 执行器的位置；链式坐标型机器人如图2 1 中5 ) 所示，该机器人的关节都是旋转关节， 与入的手臂相似。 直角坐标型机器人精度最高控制简单，避障性好，但结构庞大、复杂，与其他机器 人协调困难；圆柱坐标型机器人精度高，占地面积小，结构紧凑，控制简单，能与其他 机器人协调工作，但避障性差，设计较复杂；s c a r a 型机器人占地面积小，结构紧凑， 工作空间大，避障性好，能与其他机器人协调工作，但控制复杂，精度较低；球坐标型 机器人运动范围较大，坐标计算简单，但手臂运动空间大；链式坐标型机器人适应性好， 但坐标计算和控制复杂，精度低。 1 ) 直角坐标型 2 ) 圆柱坐标型3 ) 平面关节( s c a r a ) 型 苌 4 ) 球坐标型 5 ) 链式坐标型 图2 1 机器入坐标构型形式 f i g 2 1 t h ec o o r d i n a t ec o n f i g u r m i o nf o r m so f r o b o t 2 2 硅片传输机器人构型 硅片传输机器人主要功能是实现硅片在不同工位之间快速、高效、可靠的转移嗍。它 应该满足传输速度与硅片的粗、精加工速度同步、抓取装置应该对硅片不造成损伤、不 咚冷 大连理工大学硕士学位论文 能成为新的污染源以及在传输的过程中不应有冲击和震动等要求。另外，由于i c 产业的 自动化程度高，需要大量的硅片传输机器人布置在各个工位，这样以来每个机器人的占 地空间要尽可能小。因此，要求硅片传输机器人要具有结构紧凑，灵活性大，占地面积 小，操作空间大等特点瞄】。 目前，在半导体制造业中广泛应用的硅片传输机器人有两种基本类型f 蚓：s c a r a 型 机器人和r - 0 型( 极坐标型，圆柱坐标型机器人的一种) 机器人。这两种机器人的主要 区别在于传动原理的不同圈。 2 2 1s c a r a 型硅片传输机器人 s c a r a 型硅片传输机器人简图如图2 2 所示。该机器人具有4 个自由度，口，如，岛， z ( 升降运动) ，各手臂和末端执行器是相互独立的，末端执行器可以指向任意方向。手 臂的每一个关节都由一台独立的电机驱动，并安装检测和反馈装置。各电机既可以联动， 也可以单独运动，这样有利于动作的调整，还能够实现较高的定位精度和重复定位精度。 整个臂体的旋转和升降运动分别由两个独立的电机驱动并通过特定的机构来实现。 s c a r a 型硅片传输机器人可细分为s c a r a 型单臂硅片传输机器人、s c a r a 型双臂反 向硅片传输机器人和s c a r a 型双臂同向硅片传输机器人；按其驱动方式还可分为间接驱 动硅片传输机器人和直接驱动硅片传输机器人。 直接驱动技术是近年来机器人开发的研究热点之一，特别适用于从事硅片搬运工作 的s c a r a 型机器人。该类型硅片机器人的各关节由直接驱动电机直接驱动，中间不存在 任何减速机构。因此，不存在传动间隙和摩擦问题，为提高机器人定位精度创造了条件， 同时从根本上减少了润滑部件的数量，特别适合在净化、真空环境下使用2 7 1 。 岛 图2 2s c a r a 型硅片传输机器人图 f i g 2 2 s c a r aw a f e rh a n d l i n gr o b o t 2 3r - 8 型硅片传输机器人 f i g 2 3 r - ow a f e rh a n d l i n gr o b o t 硅片传输机器人设计及轨迹规划 2 2 2r - 0 型硅片传输机器人 r - 0 型硅片传输机器人是对圆柱坐标型机器人的水平面移动机构进行改进而得到的， 其简图如图2 3 所示。该机器人具有3 个自由度：胄( 径向直线伸缩运动) 、p ( 旋转运动) 和z ( 升降运动) 。运动过程中，末端执行器始终指向机器人轴心，相对机器人轴线作变 速直线运动。旋转运动和升降运动同样由两个独立的电机通过特定的机构实现。r - 0 型硅 片传输机器人手臂的关节处一般采用同步齿形带的方式2 8 9 1 ，但由于这种带的弹性变形 和磨损，仍然可以引起传动误差，所以，也有采用钢带设计的，传动精度与同步齿形带 相比有较大提高。r - 0 型硅片传输机器人也可细分为r - 0 型单臂硅片传输机器人、r - 0 型 双臂反向硅片传输机器人和r - 0 型双臂同向硅片传输机器人。 2 3 硅片传输机器人总体方案确定 s c a r a 型硅片传输机器人与r - 0 型硅片传输机器人相比，其位置精度较高和补偿性 能较好，但其控制难度大，成本高。因此，从本课题实际出发，在满足现场需要、实现 功能及技术指标要求的基础上，选择成本较低，可行性较高的r - 0 型机器人方案。 2 4 本章小结 本章介绍了机器人的5 种基本构型及其特点，重点探讨了硅片传输机器人常用的 两种典型结构：s c a r a 型机器人和r - 0 型机器人，比较两种机器人性能，结合实际需 要，确定了本文设计的硅片传输机器人为r - 0 型机器人。 大连理工大学硕士学位论文 3 硅片传输机器人手臂设计 r - 0 型硅片传输机器人手臂( 即径向直线伸缩机构) 是硅片传输机器人的核心部件之 一，它直接影响着机器人的各项性能。 3 1硅片传输机器人手臂方案确定 3 1 1 硅片传输机器人手臂机构选择 r - 0 型硅片传输机器人手臂机构是用来实现末端执行器径向直线伸缩运动的，可通过 直线引导机构来实现。常用的直线引导机构包括直线导轨机构、对心式滑块机构和精确 引导组合机构 2 5 ，3 0 1 。但是，直线导轨机构和对心式滑块机构实现方式不适用于本课题， 因此，选择精确直线引导组合机构作为可行性方案，图3 1 为几种常用的精确引导组合机 构。 一、 心秭 2 34 图3 1 精确直线引导组合机构 f i g 3 1 t h ep r e c i s el i n e a rg u i d i n gc o m p o u n d i n gm e c h a n i s m s 硅片传输机器人设计及轨迹规划 图3 1 中1 ) 为两个对称的曲柄滑块机构，且n 丫2 ，彳= 占猡，a c = b c ，两啮合齿 轮反向转动，实现c 点沿直线工运动。该机构刚性好，负载较大，但机构复杂，而且通 过齿轮啮合运动实现c 点径向直线运动，对两齿轮同步转动精度有很高要求。 图3 1 中2 ) 为行星齿轮机构，且r l = 2 r 2 ，则行星齿轮上c 点沿直线工运动。如果固 定的中心齿轮转过几个齿，则行星齿轮上c 点位置变动( 即c 点位置可调) ，直线上变 为另一条通过中心齿轮中心如的直线，调节方便。 图3 1 中3 ) 和4 ) 为相似的行星轮系，a o b o = b o c ，r 1 = 2 r 2 ，4 ) 中采用带传递，c 点 的直线轨迹较长。3 ) 机构较紧凑，但与4 ) 相比由于中间齿轮的存在，增加了传动机构 的重量，降低了刚性。4 ) 机构中带传动的采用，减轻了传动机构的重量，提高了刚性。 4 ) 机构如果能采用高精度的传动方式，可使带轮具有较高的同步传动精度，通过比较分 析，同步齿型带和传动刚带能够达到要求。因此，本课题采用图3 1 中4 ) 的精确直线引 导连杆机构作为径向直线伸缩机构的模型。 图3 1 中4 ) 机构仅保证c 点的轨迹为直线，要实现与c 点连接的末端执行器的运动 轨迹为直线，必须保证末端执行器相对幺点无转动。因此，若使该机构适用于本课题硅 片传输机器