（机械电子工程专业论文）硅片传输机器人的动力学特性与结构优化研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 集成电路( i c ) 装备制造业是高技术装备产业的典型代表，硅片传输机器人是i c 制造装备中负责硅片传输和定位的关键设备之一，其工作性能直接影响硅片的生产效率 和制造质量。针对硅片传输机器人高精度、高洁净和高可靠性的要求，研究硅片传输机 器人手臂的动力学特性，进行动力学仿真和实验，并进行手臂结构优化，从而提高其工 作性能，对硅片传输机器人的深入研究具有重要意义。 本文首先介绍了国内外硅片传输机器人的发展概况和研究现状，概述了机器人手臂 的运动学、动力学及机器人手臂结构优化设计的相关知识，提出了硅片传输机器人手臂 动力学特性分析和结构优化的研究内容。 其次，根据机器人运动学的基本理论，推导了机器人径向直线伸缩运动的运动学方 程，依据机器人动力学的基本理论，推导了机器人径向直线伸缩运动的拉格朗日运动方 程式，为后续的研究奠定理论基础。 i 然后，建立了硅片传输机器人的虚拟样机仿真模型，利用a d a m s 软件对机器人径 向直线伸缩运动进行了运动学和动力学仿真，得到了机器人大臂、小臂和末端执行器的 速度、加速度、角速度曲线等一系列重要仿真结果，验证了机器人的运动学和动力学理 论分析。 随后，根据模态分析的相关理论，应用a n s y s 软件对机器人手臂进行了有限元模 态分析，并搭建动力学实验平台对机器人手臂结构进行了试验模态分析，最后应用 m a t l a b 软件依据导纳圆模态辨识方法对实验数据进行了分析处理，并对比了实验与 仿真结果，结果表明机器人手臂的动力学特性仍需提高，结构需改进优化。 最后，根据硅片传输机器人手臂的动力学分析、仿真结果和实验结果，对机器人末 端执行器进行了结构优化设计，依据优化结果设计了符合强度和刚度要求的末端执行 器，并验证了优化的正确性。 关键词：硅片传输机器人；动力学仿真；试验模态分析；结构优化 硅片传输机器人的动力学特性与结构优化研究 r e s e a r c ho nd y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n f o rt h ew a f e rh a n d l i n gr o b o t a b s t r a c t i n t e g r a t e dc i r c u i t s ( i c ) e q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gi st h et y p i c a lr e p r e s e n t a t i v eo ft h e h i g h - t e c he q u i p m e n ti n d u s t r y ，w a f e rh a n d l i n gr o b o t i st h ek e ye q u i p m e n tw h i c hi sr e s p o n s i b l e f o rt r a n s p o r t i n ga n dl o c a t i n g ，a n di t sp e r f o r m a n c eh a sad i r e c ti m p a c to nt h ew a f e rp r o d u c t i o n e 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 y i na l l u s i o nt ot h eh i g h p r e c i s i o n , h i g hc l e a n l i n e s sa n d k g hr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t so ft h ew a f e rh a n d l i n gr o b o t ，t om a k eas t u d yo nt h ed y n a m i c a l c h a r a c t e r i s t i c ss i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t , s i m u l t a n e o u s l y ，t om a k eas t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n h a sag r e a ts i g n i f i c a n c ei nd e p t hs t u d yf o rt h ew a f e r h a n d l i n gr o b o t f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t a t u so nw a f e rh a n d l i n gr o b o t a th o m ea n da b r o a d ，f o l l o w i n g 谢也a no v e r v i e wo ft h ek i n e m a t i c s ，d y n a m i c s ，s t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o nd e s i g na n de v a l u a t i o no ft h er o b o ta r m t h e nt h ep a p e rp o i n t so u tt h a ti t i s n e c e s s a r yt om a k et h er e s e a r c ho f fd y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nf o rt h e w a f e rh a n d l i n gr o b o t s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r yo fr o b o tk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s ，r e s p e c t i v e l y ， t h ep a p e rs h o w st h er o b o tk i n e m a t i c se q u a t i o n sa n dl a g r a n g ee q u a t i o no ft h er a d i a ll i n e a r s t r e t c h i n gm o t i o n , t op r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef o l l o w - u ps t u d y t h e n , t h ep a p e re s t a b l i s h e sv i r t u a lp r o t o t y p i n gs i m u l a t i o nm o d e lo ft h ew a f e rh a n d l i n g r o b o ta n dm a k e sa s t u d yo nt h er o b o tk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c ss i m u l a t i o no ft h er a d i a ll i n e a r s t r e t c h i n gm o t i o nu n d e ra d a m se n v i r o n m e n t , a n dg e t sa s e r i e so f i m p o r t a n ts i m u l a t i o nr e s u l t s o ft h eb i ga r m ，t h es m a l la r ma n dt h ee n de f f e e t o r ，s u c ha sv e l o c i t yc h iv e ，a c c e l e r a t i o nc u r v e ， a n g u l a rv e l o c i t yc u r v e t h er e s u l t sh a v ev a l i d a t e dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h er o b o t k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s s u b s e q u e n t l y ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fm o d a la n a l y s i s ，t h ep a p e rc a r r i e so na f i n i t e e l e m e n tm o d a la n a l y s i sf o rt h er o b o ta r mb ya n s y s ，a n db u i l d sk i n e t i ce x p e r i m e n t a lp l a t f o r m t op r o c e e dt h ee x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i so ft h er o b o ta r m ，t h e np r o c e s s e da n da n a l y z e st h e e x p e r i m e n t a ld a t ab a s e do nt h ea d m i t t a n c ec i r c l em o d a li d e n t i f i c a t i o nm e t h o db ym a t l a b t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c so fr o b o t i ca r m sr e q u i r et ob ei m p r o v e da n d t h es t r u c t u r en e e d st ob eo p t i m i z e d e v e n t u a l l y ，a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i ca n a l y s i s ，s i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lm o d a l a n a l y s i sd a t ao ft h ew a f e rh a n d l i n gr o b o ta r n l ，t h ep a p e rc a r r i e so u tt h es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n h 一 大连理工大学硕十学位论文 d e s i g nf o rt h ee n de f f e c t o r ，a n dt h e nt h ee n de f f e c t o rt h a tm e e t st h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s s r e q u i r e m e n t si sd e s i g n e db a s e do nt h ed e s i g no p t i m i z a t i o nr e s u l t s f i n a l l y ，t h ep a p e rp r o v e st h e c o l t e c u l e s so fo p t i m i z a t i o nw h i c hc a l li m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo ft h er o b o ta i m k e yw o r d s ：w a f e rh a n d t i n gr o b o t ；d y n a m i c ss i m u t a t i o n ；e x p e r i m e n t a tm o d a a n a t y s i s ；s t r u c t u r a to p t i m i z a t i o n i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。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。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：醢邑臣登l l 狃拳厶的置勾力翌璺生垒皇纽擒随磁鳞翘 作者签名：圣皴璧日期：2 qq 9 年u 月- l l 日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：登殴输垄1 器氐厶动勾莹聱i 上璺刍坌鑫购递碰丕魂 作者签名：王筮璺 日期：2q q 鱼年陵月j 厶日 导师签名：上当j 立l 日期：j 虹年生月日 大连理： 大学硕士学位论文 1 绪论 1 1论文选题背景和课题来源 装备制造业是装备国民经济各部门和国防建设的战略性产业，是国家综合经济实力 和科技水平的重要标志。其中，集成电路( i c ) 装备制造业是高技术装备产业的典型 代表。而我国的i c 装备制造业无论从生产规模、研发水平、投资强度以及人才聚集等 方面都存在着很大的差距，尚未形成可以支撑自身可持续发展的产业规模1 2 】。集成电路 关键装备的全球市场包括国内市场均长期处于美日半导体设备制造商垄断的局面。中国 正在成为全球集成电路市场增长最快的地区之一，而此领域的国产设备所占市场份额几 乎为零【引。面对强劲的市场和产业发展需求，建立健康的i c 装备制造业，开发关键i c 制 造装备和具有自主知识产权的先进工艺，形成具有自主发展能力和核心竞争力的产业 链，实现可持续健康发展，已成为我国i c 产业亟待解决的一项具有全局性和战略性意 义的核心问题【4 j 。 为研发具有自主知识产权的关键i c 制造装备和先进工艺，国家启动了“极大规模 集成电路制造装备及成套工艺重大专项，其“十一五”期间重点实施的内容和目标分 别是：重点实现9 0 纳米制造装备产品化，若干关键技术和元部件国产化；研究开发出 6 5 纳米制造装备样机；突破4 5 纳米以下若干关键技术，攻克若干项极大规模集成电路 制造核心技术、共性技术，初步建立我国集成电路制造产业创新体系【5 刁】。其中，重大 专项关键部件与核心技术项目部分包括“洁净与直驱型真空机械手及硅片传输系统研 制 和“用于超净环境的硅片传输机械手研发与应用 子项目【8 】。 硅片传输机器人是i c 制造设备中负责硅片传输的关键部件，是硅片制造集束型设 备中传输模块的重要组成部分，负责实现硅片在不同工位之间快速、可靠的转移，满足 传输速度与硅片的粗、精加工速度同步、抓取位置不对硅片造成损伤、不产生新污染源、 传输过程中冲击和振动小等要求1 9 d 2 j 。其结构设计及关键技术的研发，对于研制性能稳 定可靠的硅片传输系统，发展具有自主知识产权的关键i c 制造装备具有重要意义。 针对硅片传输机器人高精度、高洁净和高可靠性的特剧1 3 1 ，研发过程中需要解决以 下关键技术问题：如何降低硅片传输机器人对工作环境的污染；如何在搬运硅片的过程 中产生平滑的加减速度，防止振动。采用磁力传动技术f 1 4 】和磁流体密封技术f 1 5 , 1 6 应用于 硅片传输机器人上可降低其对工作环境的污染；采用轨迹优化1 1 7 , 1 8 和结构优化设计【1 9 】 可以解决传输中产生的振动问题。本文针对硅片传输机器人高精度、高洁净和高可靠性 的要求，分析了机器人手臂的动力学特性，并进行了运动学和动力学仿真，对机器人进 硅片传输机器人的动力学特性与结构优化研究 行了动力学实验，最后对机器人手臂结构进行了优化设计，提高了其工作稳定性，解决 了其工作过程中的振动问题。 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”( 项目编号：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”( 项目编号；5 0 6 7 3 0 2 7 ) 。 1 2 硅片传输机器人的发展和研究现状 硅片传输机器人是硅片自动传输系统的重要组成部分，在硅片加工过程中承担硅片 运输和定位两项重要的任务，能够实现加工设备之间完全无缝的自动化集成。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，在硅片加工系统中扮演着极其重要的角色【2 0 】。 1 ，2 1硅片传输机器人的发展历史 2 0 世纪8 0 年代后期，随着i c 制造技术的变革，机器人技术被引入到硅片传输过程 中，以代替原有的硅片升降机等半自动化传输设备。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、定位精度高、可靠性高、污染少等特点。 1 9 8 7 年，日本y a s k a w a 公司研发出世界上第一台在真空环境中传输硅片的机器 入f 2 l 】。随后国外一些机器人制造商和研究机构开始了硅片传输机器人及其关键技术的研 究，并取得了较为丰硕的成果，为后来硅片传输机器人的研究发展奠定了基础。这段时 期主要研制了直接驱动电机、磁性编码器、多系列运动控制卡等机器人的关键组成部件， 如美国a d e p t 公司开发出应用于洁净环境下的直接驱动电机，日本y a s k a w a 公司研 发的真空伺服电机、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等。 美国、德国、日本等工业发达国家先后开发了多种型号的硅片机器人传输系统并申请了 专利【2 2 1 。 9 0 年代后期，i c 制造技术及装备再次发生重大变革，3 0 0 r a m 硅片生产线开始出现， 随着硅片直径、重量的增加及环境洁净度的更高要求，硅片传输机器人的承载能力、静 动态特性等均需满足更高的要求。 目前，美国、日本、德国等发达国家先后开发了多种型号的硅片机器人传输系统， 并申请了大批专利，很多成熟的硅片传输机器人产品已批量生产，应用于世界各地的i c 生产线上。其中比较著名的是美国b r o o k sa u t o m a t i o n 公司、日本的安川公司、 r o r z e 公司等。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 2 硅片传输机器人的研究现状 目前，在半导体产业中广泛应用的硅片传输机器人有两种基本类型：r 0 型( 极坐 标型) 机器人和s c a r a 型( 平面关节型) 机器人【2 3 1 ，如图1 1 所示。 1 ) r 0 型2 ) s c a r a 型 图1 1 硅片传输机器人的两种构型 f i g 1 1 t w oc o n f i g u r a t i o n so ft h ew a f e rh a n d l i n gr o b o t r - 0 型机器人拥有3 个自由度，即r 向径向伸缩运动，0 向旋转运动，z 向升降运 动。r - 0 型机器人可细分为单托盘式、双托盘反向式和双托盘同向式三种型式。机器人 手臂的运动是通过带传动机构实现的径向运动，末端执行器始终指向旋转中心。其显著 特征是由一台电机通过带传动驱动大、小臂的关节回转，实现机器人末端执行器沿着径 向做直线运动。径向直线伸缩机构是由存在相互约束和特定传动比的同步齿型带轮和连 杆机构组成，是一个单自由度机构。典型的r - 0 型机器人有日本r o r z e 公司【2 4 】的r r 7 3 0 系列、r r 7 0 0 系列、r r 3 5 2 系列、日本安川公司 2 5 ；2 6 】的n x 5 2 0 系列等。 s c a r a 型机器人有4 个自由度，3 个旋转运动和1 个升降运动。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。s c a r a 型机器人的两个手臂和末端执行器 是彼此之间相互独立的运动，末端执行器可以指向任意方向，每一个关节处都由一台独 立的电机驱动，由电机本身的高精度角度传感器作为位置反馈。关节处的电机既可以联 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，能够实现较高的 定位精度和重复定位精度。典型的s c a r a 型机器人有美国的a d e p t f 2 7 】公司开发的 $ 3 0 0 系列、e p s o n t 猫j 公司的e c 2 5 0 系列等。 按其驱动方式的不同，硅片传输机器人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。间接驱动硅片传输机器人通常是采用电动机、变速机构和执行元件的 硅片传输机器人的动力学特性与结构优化研究 结构。直接驱动硅片传输机器人是在关节处采用直接驱动电机直接驱动，中间不存在任 何减速机构。直接驱动消除了间接驱动的机械间隙、摩擦等问题，提高了伺服刚度及响 应速度。典型的直接驱动机器人有美国i n n o v a t i v er o b o t i cs o l u t i o n s 公司1 2 9 j 研发的i r 8 2 0 型机器人、美国b r o o k sa u t o m a t i o n 公司【3 0 l 研发的m a g 7 f 系列、日本r o r z e 公司t 2 4 】研发的r r 7 3 0 系列、r r 3 5 2 系列、日本k a w a s a k i 公司1 2 5 】研发的n x 、n s 系列 等。 按工作环境的不同，硅片传输机器人又可以分为净室机器人和真空机器人。 应用在洁净大气环境中的硅片传输机器人被称为净室机器人。净室机器人按自身洁 净等级的不同，还可分为：清洁室机器人、超净室机器人和微环境下机器人。典型的净 室机器人有e p s o n 公司1 2 8 】的e c 2 5 0 系列、d a i h e n 公司1 3 1 1 的s p r 1 5 3 s 系列、d a s a t e c h 公司【3 2 】的d r m 8 8 c 系列、k a w a s a k i 公司的sca ra 型n x 系列、n s 系列等。 应用在真空度为1 0 。5 p a 环境下的硅片传输机器人被称为真空机器人，其主要应用在 集柬型设备中，通过轨迹规划完成对硅片的定位和传输。真空机器人在设计时即要满足 净化环境的要求，同时又要考虑真空条件( 脱气、散热等) 的要求。典型的真空机器人 有d a i h e n 公司1 3 1 1 的s p r 31 1 系列、j e l 公司【3 3 1 的s t v h r 4 0 0 0 系列，美国b r o o k s a u t o m a t i o n t 3 0 】公司的m a g n at r a n7 系列等。 1 2 3 硅片传输机器人的关键技术 硅片传输机器人的关键技术包括直驱技术、密封技术、轨迹规划等。 ( 1 ) 直驱技术 直接驱动技术是将负载直接刚性地连接到电机轴上，其核心是设计专门的直接驱动 电机，以获得低速、高力矩输出，获得更高的驱动性能。直接驱动机器人的优点是：高 速、高精度、高刚性、结构简单m j 。 将直接驱动技术应用于硅片传输机器人上，不但简化了机械结构，而且还避免了传 动间隙和摩擦，更重要的是减少了润滑油、润滑脂等污染源，提高了机器人整体结构的 刚性和工作环境洁净度。 ( 2 ) 密封技术 为隔离运动尘埃，硅片传输机器人常采用密封方式，相关的密封方式有浮环密封和 磁流体密封等，其中磁性流体密封是目前研究的热点。 磁流体密封是以磁性流体为功能液体，采用聚磁结构实现非均匀磁场的分布，将磁 性流体约束在间隙中，从而实现密封目的的一种液态密封形式。磁性流体密封有着零泄 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 露、无磨损、低功耗等特点，密封效果优于其它传统机械密封，具有其它传统机械密封 所无法比拟的密封效果【3 5 j 。 ( 3 ) 轨迹规划 轨迹规划是在满足给定机器人的动力学方程、各关节驱动力、速度、加速度和加速 度变化率的约束条件下，计算机器人姿态、各关节速度、加速度和加速度率等相关参数， 并使所规定的代价函数通常为表征时间或能量等条件的函数最小化。常用的工业机械臂 的轨迹规划有能量最优、时间最优和路径最优等多种不同的算法，时间最优的运动轨迹 规划算法在硅片传输机器人上最为常用 3 6 , 3 7 1 。 1 3 机器人手臂的运动学及动力学 机器人机构可以视为一种连杆结构，其手臂结构是直接进行作业的部分，在很大程 度上影响机器人的工作性能【3 8 1 。典型的机器人手臂是多个连杆通过关节结合起来的机 构。机器人手臂的运动学及动力学是机器人的理论基础，是机器人设计的重要组成部分。 1 3 1 机器人手臂的运动学 机器人手臂运动学分析是对杆件、传感器等机器人手臂的各个部件和作业环境内的 对象等设定坐标系，然后分析这些坐标系之间的位置和姿态的关系。为运动学分析所设 定的坐标系大致分为杆件坐标系、传感器坐标系和作业坐标系。杆件坐标系是固定于手 臂各个杆件上的坐标系，它表示杆件的位置和姿态。设定于机器人上的基座坐标系和设 定于末端执行器上的末端执行器坐标系也可以将其看成是杆件坐标系的一种f 3 9 j 。 其中，从关节变量求末端执行器位置称为正运动学；从给定的末端执行器位置求关 节变量称为逆运动学。正运动学和逆运动学统称为运动学，将运动学方程式的两面微分 可以得到末端执行器速度和关节速度的关系，若进一步进行微分将得到加速度之间的关 系，处理这些问题也是运动学的问题。 1 3 2 机器人手臂的动力学 机器人手臂的动力学方程是机器人手臂机械系统的运动方程，它表示机器人手臂各 关节对时间的一阶导数、二阶导数、各执行器驱动力或力矩之间的关系。机器人手臂的 运动方程的求解可分为两种性质不同的问题【删。 ( 1 ) 正动力学问题 即机器人手臂各执行器的驱动力或力矩已知，求解机器人关节变量在关节变量空间 的轨迹或末端执行器在笛卡尔空间的轨迹，这称为机器人动力学方程的正面求解，简称 为正动力学问题。 硅片传输机器人的动力学特性与结构优化研究 ( 2 ) 逆动力学问题 即机器人手臂在关节变量空间的轨迹已确定，或末端执行器在笛卡尔空间的轨迹已 确定( 轨迹已被规划) ，求解机器人各执行器的驱动力和力矩，这称为机器人动力学方 程的反面求解，简称为逆动力学问题【3 8 , 4 1 , 捌。 前者属于手臂运动方程式的积分问题，主要为计算机仿真所需要：后者应用的场合 则是末端沿规划轨迹高速度、高精度的运动设计，或者是动态力控制的控制输入设计。 目前机器人手臂的动力学分析方法主要有拉格朗日法、牛顿欧拉法、凯恩法、最小约 束的高斯原理法及广义达兰贝尔法等等。典型的代表是拉格朗日法和牛顿欧拉法1 4 3 1 。 拉格朗日法是根据全部杆件的动能和势能求出拉格朗日函数，再代入拉格朗曰方程 式中，导出机械运动方程式。该方法的主要特征是可以不考虑杆件相互的内部约束力， 但其缺点是计算十分繁琐。最初用拉格朗日法列出机器人运动方程式的学者是u i c k e r 和k a h n t 4 4 j ，最后由h o l l e r b a c h 4 5 】等求出高效率的递推公式，以便实现从杆件运动来求 解关节转矩的逆动力学计算。 牛顿欧拉法是将杆件相互的约束力及相对运动作为向量进行处理，根据力和力矩 的平衡来推导运动方程式。该方法的主要特征是必须考虑三维空间内的力和力矩的平 衡，但繁复的计算少。特别是由l u h 等【4 6 】推导出的递推公式被视为是个应用于逆动力 学计算的高效率公式，它的计算量与自由度成正比。 1 4 机械结构优化设计的发展和研究现状 1 4 1结构优化设计发展和研究现状 所谓优化设计就是在规定的各种设计限制条件下，将实际设计问题首先转为最优化 问题，然后运用最优化理论和方法，在电子计算机上进行自动调优计算，从满足各种设 计要求及限制条件的全部可行方案中，选定出最优设计方案 4 7 , 4 5 j 。 从m a x w e l l ( 1 8 9 0 年) 和m i c h e l l ( 1 9 0 5 年) 4 9 , 5 0 】的铰链平面桁架结构优化工作开 始，结构优化设计已经有了一百多年的历史。早期的最优化方法可追溯到三四十年代前 的古典微分法和变分法，但由于这些方法本身的复杂性及计算工具的限制，最优化没有 得到发展。2 0 世纪6 0 年代，s c h m i t 5 1 】首先综合描述了用数学规划法来求解一个弹性 结构的非线性不等式约束结构优化问题，而且利用有限元法进行结构分析。s c h m i t 的 研究推动了数学规划法在结构优化设计中的广泛应用，为结构优化设计的发展和应用起 到了极大的促进作用。2 0 世纪7 0 年代曾经出现了两大学派，即以满应力等设计准则的 准则法和以数学规划法为理论支柱的数学规划法。优化准则法的特点是收敛快，要求重 6 - 大连理工大学硕士学位论文 分析的次数一般跟变量的数目没有多大关系，但是不同性质的约束有不同的准则，准则 又多又复杂，准则法处理非常困难，而且结构优化的目标只限于重量或体积。因此，优 化准则法一般适用于薄壁构造的航空结构。而数学规划法有着更坚实的理论基础和广泛 的适用性，使用方便，尤其是现代计算机运算速度和存储能力的高速增长，迭代次数多 的问题已经趋于淡化，这就为数学规划法在结构优化设计中的广泛应用提供了强大的动 力【5 2 1 。2 0 世纪8 0 年代以来，优化准则法和数学规划法相互渗透，并吸收对方的优点， 形成了序列近似的概念和对应的序列近似规划法，在结构优化设计中取得了很大成功， 例如序列二次规划法就是一种重要的方法，有许多成功应用的工程实例。 目前，结构优化设计的应用领域已从航空航天扩展到船舶、桥梁、汽车、机械、水 利，建筑等更广泛的工程领域，解决的问题从减轻结构重量扩展到降低应力水平、改进 结构性能和提高安全寿命等更多方面。 1 4 2 机械结构优化设计发展和研究现状 机械结构优化设计广泛应用在航空航天、通用机械与机床、机器人工程等行业，取 得了大量的研究成果。 在航空航天领域，结构优化设计得到了广泛的应用和研究。国内进行了有关飞机机 身、飞机翼面、飞机结构整体、火箭发动机壳体、航空发动机轮盘、机身承力框架等结 构优化设计方面的研究。而在国外，有关结构优化设计在航空航天工业中应用的研究更 是发表了大量的研究报告和论文，一些著名的结构优化设计专家学者都在从事该领域的 研究1 5 3 , 5 4 。 在通用机械和机床领域，结构优化设计把有限元技术与优化技术结合起来。由于一 般的机械零部件都是连续体结构，结构分析非常复杂，进行结构优化设计比较困难。国 内的相关研究比较突出，陈立周、孙焕纯等根据机械设计中离散设计变量较多的情况， 提出了离散设计变量结构优化设计方法【5 5 , 5 6 ；孙靖民等对机床床身等部件进行了结构优 化设计【5 7 】；钟毅芳、唐增宝【5 8 】等进行了液力传动系和双级齿轮减速器的结构优化设计研 究。 目前，机械结构优化设计的研究与开发主要集中在机械结构优化设计的思想和理 论、优化方法、建模技术、结构分析技术、结构重分析技术、敏度分析技术、软件开发 技术等几个关键技术和理论方面。形状优化、拓扑优化、结构动态优化设计、智能优化 算法和仿生优化算法等方面的研究是现阶段机械结构优化设计中的热点问题【4 7 1 。 一7 一 硅片传输机器人的动力学特性与结构优化研究 1 5 论文主要研究内容 本文主要研究内容是针对硅片传输机器人如何在硅片传输过程中产生平滑的加减 速度、提高工作平稳性、减小振动可能性的问题，研究了机器人手臂的动力学特性并进 行了运动学、动力学仿真和动力学实验，依据仿真和实验结果对机器人手臂末端执行器 进行了结构优化，提高了其工作平稳性，减小了其振动可能性。 第一章首先介绍了论文的选题背景和课题来源，分析了国内外硅片传输机器人的发 展概况和研究现状，概述了机器人手臂的运动学、动力学及机器人手臂结构优化设计的 相关知识，指出了硅片传输机器人手臂动力学分析和结构优化的主要研究内容。 第二章首先介绍了硅片传输机器入的结构和运动，并根据机器人运动学的基本理 论，推导了机器人径向直线伸缩运动的运动学方程，然后依据机器人动力学的基本理论， 推导了机器人径向直线伸缩运动的拉格朗日运动方程式，为后续章节仿真和实验的研究 奠定理论基础。 第三章首先建立了硅片传输机器人的虚拟样机模型，然后利用a d a m s 动力学仿真 软件对机器人径向直线伸缩运动进行了运动学和动力学仿真，仿真结果为后续的机器人 结构设计提供参考依据。 第四章首先介绍了模态分析的相关理论，然后应用a n s y s 软件对机器人手臂进行 了模态分析，并搭建动力学实验平台对机器人手臂结构迸行了试验模态分析，最后应用 m a t l a b 软件依据导纳圆模态辨识方法对实验数据进行了分析处理，并对比了实验与 仿真结果，为后续的机器人结构优化设计提供重要的参考。 第五章根据硅片传输机器人手臂的动力学分析、仿真结果和试验模态分析结果，对 机器人末端执行器进行了结构优化设计，首先对机器人末端执行器进行了拓扑结构优 化，在此基础上对其进行了形状优化设计，依据优化结果设计了符合强度和刚度要求的 末端执行器，并验证了优化的正确性。 1 6 本章小结 本章首先介绍了论文的选题背景和课题来源，然后分析了国内外硅片传输机器人的 发展概况和研究现状，随后概述了机器人手臂的运动学、动力学及机器人手臂结构优化 设计的相关知识，最后提出了论文的研究目的和主要研究内容。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 硅片传输机器人手臂的运动学和动力学分析 2 1 硅片传输机器人手臂的运动学分析 机器人手臂机构是一种连杆机构，通过一系列关节连接组成【3 引。机器人的运动学分 析是对杆件、传感器等机器人的各个部件和作业环境内的对象设定坐标系，然后分析这 些坐标系之间的位置和姿态的关系。 2 1 1径向直线伸缩( r 向) 运动分析 径向直线伸缩运动是硅片传输机器人的关键运动，直接决定机器人的定位精度和重 复定位精度，其运动轨迹是沿着直径方向的直线，驱动末端执行器沿着径向直线进行伸 缩运动。 图2 1 是径向直线伸缩运动示意简图。整个部件的运动，是由两套相互关联的同步 齿形带机构实现的。如图所示，大臂体简化为连杆a b ，小臂体简化为连杆b c ，末端执 行器简化为连杆c d 。连杆a b 、b c 通过关节b 相连，连杆b c 、c d 通过关节c 相连。 大臂体大同步齿形带轮2 静止，通过同步齿形带3 与大臂小同步齿形带轮4 相连，当大 臂体l 被驱动运动时，大臂大同步齿形带轮2 和大臂小同步齿形带轮4 构成行星轮系。 小臂小同步齿型带轮5 与大臂体1 固联，小臂体小同步齿形带轮5 通过同步齿形带与小 臂体大同步齿形带轮7 相连，当大臂体1 驱动小臂体6 转动时，小臂体小同步齿形带轮 5 和小臂体大同步齿形带轮7 同样构成行星轮系。在两个行星轮系的作用下，末端执行 部件的运动轨迹始终沿着径向直线运动1 5 9 1 。 1 ) 大臂2 ) 大臂大带轮3 ) 同步齿形带4 ) 大臂小带轮5 ) 小臂小带轮 6 ) 小臂7 ) 小臂大带轮8 ) 末端执行器 图2 1硅片传输机器人径向直线伸缩运动示意简图 f i g 2 i t h er a d i a ll i n e a rs t r e t c h i n gm o t i o ns k e t c ho f t h e w a f e rh a n d i n gr o b o t 一9 一 硅片传输机器人的动力学特性与结构优化研究 2 1 2 径向直线伸缩( r 向) 运动学分析 图2 2 为硅片传输机器人的手臂机构简图，其径向直线运动为水平直线往复运动。 各手臂长度分别为厶，2 ，。手臂结构三个关节旋转轴的旋转角度分别为0 1 ，0 ：，0 ，。 硅片传输机器人做径向直线运动的必要条件是【s 9 , 6 0 ： j 扣7 2( 2 1 ) lz ij 【0 l ：0 2 ：0 3 = 1 ：- 2 ：l a ( 图2 2 硅片传输机器入的手臂机构简图 f i g 2 2 t h em a c h a n i s ms k e t c ho ft h ew a f e rh a n d i n gr o b o ta r m 其中，b 、c 、d 三点的位置表达式为 x 22 ，1c o s o l y 2 = s i n o l 屯= 0 妇l + 乞咖妒+ 一划2 一c o s o j ( 2 2 ) 弘= ，ls i n 0 1 + 1 2s i n ( o l + p 2 ) = 0 。“ x 4 = c o s 0 i + ，2c o s ( 0 l + 9 2 ) + 2 r 3 = 2 l lc o s o l + 1 3 儿= l is i n 0 1 + j 2s m ( 0 i + p 2 ) = o b 、c 、d 三点的速度表达式为 x 22 - l c o ls i n 0 1 y 2 = ，1 国lc o s o l x 3 = - 2 1 l c o ls i n o l y 3 = 0 z 4 = - 2 1 i 国ls i n o l y 4 = 0 b 、c 、d 三点的加速度表达式为 x 2 = - lc 0 1s i n 0 1 - i l 1 2c o s o l y 2 = ，1 lc o s o l 一，1 ? s i n 0 1 x 3 = - 2 1 lc o ls i n o l - 2 1 l ? c o s 0 1 y 3 = 0 x 4 = - 2 1 1 1s i n o l 一2 l l ? c o s o l y 4 = 0 图2 3 所示为硅片传输机器人手臂的齐次变换矩阵计算简图。 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 图2 - 3 硅片传输机器人手臂的齐次变换矩阵计算简图 f i g 2 3 t h eh o m o g e n e o u st r a n s f o r m a t i o nm a t r i xc a l c u l a t i o nd i a g r a mo f t h ew a f e rh a n d i n gr o b o t 1 1 一 硅片传输机器人的动力学特性与结构优化研究 式。其中，p j 为由，原点指向，原点的位置向量，r ? 表示，向进行位置向量姿态 变换的矩阵，z ，为连杆间的齐次变换矩阵。 阡警阱躞= 7 5 ， f ； = 互口1 1 ； ，正占= ：b c 2 6 ， f j = 爿 f ； ，爿= 苫： c 2 7 ) f ； = 雩 f ； ，瑶= ：尝彳 c 2 8 ， 由式( 2 5 ) ( 2 8 ) 可得到 蹬= 五四巧巧 ( 2 9 ) 井阱叫量一鲁， 晓 乏= 墨 ，r ：= 量一毫： q - 。 露= 孑 ，尺；= ：l ： c 2 2 ， 式中c ，、s ，分别代c o s 0 ，、s i n o ，。 将式( 2 1 0 ) ( 2 1 2 ) 代入( 2 6 ) ( 2 8 ) 得 牡雕s 。000 1 泣 互占= i lc 1 l ( 2 1 3 ) il 1 2 - ：隆 【- 0 七 大连理工大学硕士学位论文 - c s ：乞00 1 1i i 2 ( c l c 2 一s i s ( s i c 2 + c i s i 式( 2 1 6 ) 中p 暑的分量与直接求得结果相一致。 图2 4 所示为机器人手臂的逆运动学简图。 y ag k ) ，1 ) x 图2 4 机器人手臂的逆运动学简图 f i g 2 4 t h ei n v e r s ek i n e m a t i c sd i a g r a mo ft h ew a f e rh a n d i n gr o b o ta r m 1 3 一 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 1；，j 7 q o l 1，j f 墨“喝 j 卜 1 a 0 2 r 1怕如，乞 得 岛g 撕吗巴oo c 芦是 lllj 矗0 乞 斗 + l q s i l ff，f _g。鹊懈。吨。 ，l 一啦悸謦 式将 硅片传输机器人的动力学特性与结构优化研究 从给定的末端执行器后端位置c 可以得到各关节变量。 9 ，= t a n q ( 等) 一协。1 ( 揣) ( 2 1 7 ) 9 2 = 万一口 o s 一1 ( 盥譬塑) q j 8 0 3 = 0 】 ( 2 1 9 ) 2 2 硅片传输机器人手臂的动力学分析 图2 5 为硅片传输机器人手臂的动力学模型。为简化动力学分析的复杂程度，模型 将大臂、小臂和末端执行器都简化成形状简单、质量分布均匀且质心位于几何中心的细 长杆件。并在0 = 0 ，z = z ，r - - - 9 , p 。处，采用拉格朗日法导出径向直