（机械电子工程专业论文）面向ic制造的净化机器人的研究与设计.pdf

大连理工大学硕士研究生学位论文 摘要 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的高新技 术之一。应用于i c 的制造装备是i c 产业的发展支柱，而更高性能的i c 制造装备的研制又 在整个i c 产业中扮演着技术先导的角色。净化机器人是i c 带l j 造装备中关键设备，负责半 导体硅片在各个工序之间的传输与定位工作，它的工作性能直接影响着硅片的生产效率 和制造质量。因此对净化机器人的研制和关键技术的探讨具有积极的意义。 本文首先对国内外净化机器人的研究和发展现状进行介绍，指出了其研究特点和关 键技术。然后针对i c , j j 造的环境洁净度与硅片传输任务的要求，提出净化机器人的构型 原则。并对净化机器人的两种主要构型进行了比较分析，最后确定了r - 0 型( 圆柱坐标 型) 结构作为本课题研制净化机器人的构型。 基于上述构型，进行了净化机器人机械本体的设计。首先对其末端执行器的径向直 线伸缩运动展开分析，得出了实现该运动的必要条件，并采用两组行星轮系与连杆机构 的组合形式来实现末端执行器的运动，此外还对该机构进行了运动学和动力学分析，为 电机的选择以及控制净化机器人的动态性能和静态特性提供理论基础。其次，为了满足 硅片制造环境洁净度的要求，将易产生尘埃粒子的污染源置于硅片制造环境之外，以带 传动的方式将动力从低洁净环境传输到高洁净环境，带动各节手臂运动。最终的实际结 构是将驱动电机、减速装置等置于机座内部，操作手臂鼍于工作环境之中，工作环境与 机座之间采用密封装置进行隔离，这种结构布置方式是本课题的新颖之处。 控制系统是基于p c 机与m p c 0 2 运动控制卡进行了搭建，伺服系统为半闭环结构， 同时采用安) l i ( y a s k a w a ) 交流伺服电机作为驱动元件。其中p c 机用于完成上层管理功 能，负责人机界面的管理和控制系统的实时监控方面的工作。m p c 0 2 运动控制卡作为下 层运动控制器，用于完成运动控制的所有细节，如脉冲和方向的输出、自动升降速的处 理、原点和限位等信号的检查等。由于净化机器人执行的是点对点的搬运操作，故交流 伺服电机选用位置控制模式。同时，又以w i n d o w s2 0 0 0 操作系统为开发和运行平台，采 用功能强大的应用程序开发工具v i s u a lc 抖6 o 进行净化机器人软件系统的设计与开发。 给出了软件系统用户层与控制层这两个模块的软件结构框图，并对控制层中直线运动模 块、插补运动模块和“门”形运动模块的进行了研究与编写。 最后本文完成了净化机器人整机的组装和控制系统的调试。初步调试结果表明，净 化机器人可实现硅片传输任务的要求，同时本身也具有一定的应用洁净度。 关键词：集成电路；净化机器人；动力学分析；运动学分析；运动控制卡 沈宝宏：面向1 c 制造的净化机器人的研究与设计 r e s e a r c ha n dd e s i g no fc l e a nr o b o to r i e n t e dt oi cm a n u f a c t u r i n g r b s t r a e t t h e i n t e r g r a t e dc i r c u i t “e i c ) i st h eh a r d - c o r eo f t h ee l e c t r o ni n f o r m a t i o ni n d u s t r y ，a n d o n eo ft h eh i 出t e c h n o l o g i e sw h i c ha c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n d s o c i e t yi n f o r m a t i o n 1 1 1 em a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t sp l a yt h ei m p o r t a n tr o l ei ni ci n d u s t r y t h ec l e a nr o b o t , w i t hr e s p o n s i b i l i t yf o rh a n d l i n gt h ew a f e rt os h u t t l ea m o n gt h ed i f f e r e n t m o d u l e s ，i st h ek e ye q u i p m e n to fi cm a n u f a c t u r i n g s o ，t or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h ec l e a n r o b o ti sv e r ys i g n i f i c a n t f i r s t l y ，b a s e do nt h ee x i s t i n ga e h i v e m e n t so fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nt h ec l e a n r o b o ti nt h ew o r l d , t h ep a p e ri n d i c a t e si t si m p o r t a n tf e a t u r e sa n dk e yt e c h n o l o g i e s t h e n , a c c o f d i i l gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ee n v i r o n m e n tc l e a n l i n e s sa n dw a f e rt r a n s f e r r i n gt a s k , t h e c o n f i g u r a t i o np r i n c i p l e so f t h ec l e a nr o b o ti si n t r o d u c e d a n db a s e do nt h ec o m p a r i s o no f t w o m a i nc o n f i g u r a t i o no nt h ec l e a nr o b o t ，t h er - e ( c y l i n d r i c a lc o o r d i n a t e ) r o b o ti sa d o p t e d a c c o r d i n g t 0t h ea b o v ec o n f i g u r a t i o n , t h er o b o tm e c h a n i c a lb o d yi sd e s i g n e d n 圮r a d i a l r e c t i l i n e a rs t r e t c h i n gm o t i o ni sf i r s t l ya n a l y s e d a n di t sc o n d i t i o ni sd e d u c e d t h e nt w o p l a n e t a r yg e a rm e c h a n i s m sa l ea s s e m b l e dt or e a l i z et h em o f i o mi na d d i t i o n , t h ek i n e m a t i c s a n dd y n a m i c sa n a l y s i so fa 越m e c h a n i s mi sd o n e 。w h i c hp r o v i d et h et h e o r e t i cb a s i sf o rt h e s e l e c t i o no fs e r v o m o t o ra n df o rh o l d i n gt h eg o o dd y n a m i c sa n ds t a t i cp e r f o r m a n c eo ft h e c l e a nr o b o t s e c o n d l y , t om e e tt h er e q u i r e m e n to fe n v i r o n m e n tc l e a n l i n e s s ，t h ee q u i p m e n t s p r o d u c i n gt h ed u s tp a r t i c l e sa mp l a c e do u to fw a f e re n v i r o n m e n t 1 h eb e l tt r a n s i m i s s i o n m e c h a n i s mi su s e dt ot r a n s f e rt h ep o w e rf r o mt h el o w e rc l e a ne n v i r o n m e n tt oh i g h e rc l e a n e n v i r o n m e n t , a n dt od r i v et h ea r m 硼 l a y o u to f s t r u c t u r ei st h ei n n o v a t i o no f t h ep a p e r b a s e do np ca n d 皿c 0 2m o t i o nc o n t r o lc a r d , t h eo p e nc o n t r o ls y s t e mi sc o n v e n i e n t l y f o r m e d 。刃话h a l f - c l o s e d1 0 0 ps e i v os y s t e ma d o p t st h e 拗矧纾z0 fs e r v o m o t o rt oa c ta s t h ed r i v i n gp a r t s t h er o l eo fp ca c t i n ga st h eh o s ts n p e r v i s o ri st oc o m m u n i c a t ew i t hs y s t e m a n de a n yo u tt h er e a l - t i m ee o n t r o lt h r o u g ht h eu s e ri n t e r f a c e c 0 2c a r di su s e da st h e s u b s t r a t ec o n t r o l l e rw i t hr e s p o m i b i l i t yf o rc a l c u l a t i n gt h em o t i o np o s i t i o no fr o b o t b e c a u s e o fc o m p l e t i n gt h ew a f e rt r a n s f e r r i n gt a s kbe l 煳a n yt w op o i n t s t h ep o s i t i o nc o n t r o lm o d e o fs e r v o m o t o ri sa p p l i e d i nt h em e a n t i m e ，u s i n gt h ew i n d o w s2 0 0 0a st h en 】疵n gp l a t f o r m a n dv i s u a lc 卅6 0a st h ed e v e l o p m e n tt o o l ，t h ec o n t r o l l i n gs o f t w a r es y s t e mi sd e v e l o p e d 皿el i n e a r , i n t e r p o r l a t i o na n da n yt w op o i n t sm o v e m e n tm o d u l e s c o d i n gi sr e s e a r c h e d a tl a s t , t h ec l e a nm b o tm e c h a n i s ms y s t e mh 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 g t e | n w a sd e b u g g e d 1 1 地r e s u l t so f d e b u g g i n ge x p e r i m e n tp r o v e dt h a ti ti se a s yf o r t h ec l e a nr o b o t t op e r f o r mh i g ha c c m a c y , h i 曲r e p e a t a b i l i t ya n dh i e , hc l e a n l i n e s so p e r a t i o n k e yw o r d s ：t a t e r g r a t e dd l 枷i i t ；e l mr o b o t ；i d n e m a t i aa n a l y s i s ；d y n a m i e sa n a l y s i s ； m o t i o nc o n t r o lc a r d 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：之牛日期：三兰k 生 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：主盗f 塞定 导师签名：0 ：堕) 卫年旦月日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 引言 随着微电子技术的发展，使得集成电路( i c ) 制造技术及其装备总是处于不断的变 革之中。当前，集成电路已成为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【”。i c 制造装备是半导体产业发展的支柱，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半导体产业的发展中扮演着技术先导的 角色，是微电子技术中的制高点。i c 装备产业现已成为i c 产业的驱动力和重要的组成 部分。 i c 制造产业的快速发展，使得机器人技术被引入i c 制造过程【2 l 。i c 制造业的特点 是超精密化、超洁净环境和细微化，有些工艺还是在真空环境下进行的，环境与产品质 量的优劣之间直接相关。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 装备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。 硅片传输系统是一类面向i c 制造业，综合利用机械、电子、光学、磁学等技术的 自动化传输系统，通过编程和示教的方式，在i c 制造的各个工艺模块之间精确、快速 她传输并定位硅片，具有高精度、高洁净和高可靠性的特点。而机器人在该系统中占有 重要的地位，直接体现出整机系统的自动化程度和可靠性【3 】。用于硅片自动传输系统的 机器人可统称为硅片机器人，主要分为两类：一类是净化机器人，一类是真空机器人。 净化机器人是指用于净化环境中的机器人，i c 制造环境的净化等级以每立方英尺中的粒 子数表示，依此称为1 0 0 级或l o 级等，并标记对粒子直径的限制，目前的净化机器人 一般在1 0 级，有的可达到1 级。净化机器人研究开发中需要解决的关键技术问题有两 点：一是如何抑制尘埃粒子的发生t 二是如何在搬运硅片的过程中产生平滑的加减速度 运动，防止振动。 本文研究目的就是基于已有的技术，研制一种面向i c 制造的净化机器人，并在关 键技术与理论方面作出一些探索。 1 2 国内外净化机器人研究发展现状及分析 i c 产品的不断变化、工艺要求的不断提高和工业机器人技术的不断进步促进了i c 制造业硅片传输系统的产生和发展。硅片传输系统随着硅片直径的变化经历了以下几个 阶段【4 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。 沈宝宏：面向l c 制造的净化机器人的研究与设计 硅片直径小于2 0 0 r a m 阶段时，由于硅片和片盒的尺寸较小，工艺尺寸相对较大， 要求的传输精度和洁净度不高，允许用简单的机构实现硅片传输的半自动化。这时采用 了镊子或真空棒来代替人手夹持或吸附硅片，采用步进电机驱动传送带和硅片升降机构 代替人工搬运硅片盒，在一定程度上减少了对硅片的污染，提高了硅片传输过程中的可 靠性。 在硅片直径2 0 0 r a r n 阶段，国外半导体市场需求增大，为了提高半导体产业的生产 能力，满足高速度、高精度和高洁净度的工艺要求，8 0 年代后期，用于硅片传输系统的 硅片机器人诞生了。从那时起，国外的一些大学、研究所和机器人制造商便开展了针对 2 0 0 m m 硅片制程的硅片机器人关键技术的研究，研究出了直接驱动电机、磁性编码器 等硅片机器人的关键组成部件，开发了一些硅片机器人产品，并申请了一些有关硅片机 器人结构设计的专利【5 j 。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，其中比较领先的是日本的安川公司、r o r z e 公司、美国b r o o k a u t o m a t i o n 公司、a d e p t 公司等。我国i c 产业起步晚，对硅片机器人的自动传输 系统的研究与国外相比有较大差距，只有少数大学和研究所开展了有关方面的研究。 进入2 l 世纪，3 0 0 r a m 的硅片生产线将逐渐代替2 0 0 m m 的硅片生产线成为主流， 到2 0 1 3 年4 5 0 m m 、o 0 3 5 p 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2 0 0 m m 系列硅片机器人的净化等级和硅片机器人的动、静态特 性已满足不了3 0 0 m m 硅片制程的需要。针对硅片机器人向更高洁净度和高速度、高精 度、高稳定性的发展要求，提出了硅片机器人关键技术的研究以及整机系统的研制课题。 1 2 1 国外净化机器人的研究概况 1 ) 真空机器人2 ) 加工模块3 ) 净化机器人4 ) 硅片盒 图1 1 硅片制造集束型设备 f i 9 1 1t h ec l u s t e rt o o l so r i e n t e dt ow a f e rm a n u f a c t u r i n g 一2 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 图1 1 所示的是典型的硅片制造集束型设备i q ( c l u s t e rt o o l s ) 。根据s e m ie 1 0 9 6 标准， 集束型设备的定义是一个由数个集成加工模块机械地连接在一起而组成的制造系统【凋。 净化机器人处于集束型设备洁净环境中，并在不同加工模块之间传输硅片，有时也称大 气硅片处理机器r ) l ( a t m o s p h e r i ew a f e rh a n d l i n gr o b o t ) 。其特点是占地空间小，操作范围 较大，手臂为单臂结构，手臂质量轻，运动惯量较小，可实现高速运动。典型结构如图 1 2 所示。 图1 2 大气硅片处理机器人 f i g 1 2 a t m o s p h e r i c w a f e r h a n d l i n g r o b o t 目前，面向i c 制造的净化机器人根据结构形式可分为两大类型：一类为平面关节 型机器人，即机器人手臂的各个关节由不同的电机进行驱动，硅片夹持机构的运动轨迹 是各关节的电机运动而合成的，而根据电机与各关节的连接方式又可分为直接驱动和间 接驱动两种类型；另一类为径向直线伸缩运动( r - 0 ) 型机器人，利用了复杂的带传动实现 了硅片夹持机构的径向直线伸缩运动，其径向运动机构是一单自由度机构，它可分为单 托盘式、双托盘反向式和双托盘同向式三种类型。平面关节型机器人，与r - 0 型相比， 具有操作简单、工作范围大、精度高等优势。目前国外先进的净化机器人都采用平面关 节型，这种结构布局的机器人可以将各个关节的驱动机构简化，采用直接驱动技术，从 而达到高精度、高洁净的效果。 图1 3 直接驱动式硅片传输机器人 f i g , 1 3d i r e c td r i v ew a f e ra n dr e t i c l eh a n d l i n gr o b o t 沈宝宏：面向i c 制造的净化机器人的研究与设计 图1 3 所示是美国a d e p tt e c h n o l o g h ，i n c 公司研制的直接驱动式净化机器 人( 也称a d e p ta w a r d ) ，属于直接驱动的平面关节型机器人【l0 】，用于3 0 0 n a n 硅片的传 输操作，末端执行器采用真空吸附方式来夹持硅片。其特点是在各关节处采用无刷大扭 矩直驱电机驱动各节手臂运动，整体机构中回避了齿轮、同步带机构，避免了由齿轮或 同步带传动间隙而产生的传动误差。同时采用与电机直接连接的1 9 位绝对编码器，使 机器人具有很高的精度和位置重复精度，运动启动和校准工作变的更加容易。其次，直 接驱动技术也使该机器人的机械机构进一步简化，使机器人的整体布局更加合理。这种 结构节省空间，减轻了整机的重量。再次，直接驱动电机在高洁净度的环境中工作而不 污染环境。同时把控制用的电子部件全部放置在机座内部，采用真空插头与外部电源连 接。上述措施减少了尘埃粒子的产生，同时能保持自身的尘埃，使其不致扩散到洁净室 内，使该机器人具有很高的应用洁净度。 该机器人具有如下性能指标【l l 】，重复定位精度：0 轴为o 0 1 0 ，r 轴为0 0 3 m m ，z 轴为0 0 3 m m ，应用洁净度为i s oc l a s sl 级( 洁净度国际标准i s 0 1 4 6 4 4 1 ) 。 图i 4i r 8 2 0 型硅片机器人 f 嘻1 4i r 8 2 0w a f e rh a n d l t n gr o b o t 图1 4 是美国i n n o v a t i v er o b o t i cs o l u t i o n s , l n e 公司研制的i r 8 2 0 型机器人i l 工1 3 l ，具 有4 个自由度，也属于直接驱动型机器人。该机器人肩、肘、腕的关节处放置直接驱动 器，其运动范围可i 盘士3 2 0 ，具有很大的工作操作范围，完全消除了r - 0 型机器人的工 作死区。同时配制绝对位置编码器，使该机器人具有较高的位置重复精度，x 、y 轴为 土0 0 5 m m ，z 轴为i - 0 0 5 r a m , 应用洁净度可达i s oc l a s sl 。此外直接驱动的平面关节型机 器人还有美国b r o o ka u t o m a t i o n 公司开发出机器人m a g 7 f 系列；日本r o r z e 公司开发出极坐标型机器人r r 7 3 0 系列、r r 3 5 2 系列；日本f a n u c 公司开发出机器 人e - m o d e 3 0 l 系列；川崎重工k a w a s a l dr o b o t 开发的n x 、n s 系列；英国的s t a v b l i u n i m a t i o n 公司开发出机器人r s 8 4 系列等。 一4 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 书国u 过岁 图i 5 工件处理机器人 f i g 1 5w o r k p i e c e h a n d l i n gr o b o t 图1 5 是美国阿西斯特技术公司( a s y s tt e c h n o l o g i e s ，i n c ) 研制的工件处理机器人，属 于问接驱动的平面关节型机器人1 1 4 1 。间接驱动方式是把驱动力矩通过减速器或钢丝绳、 皮带、平行连杆等传递给关节，带动关节运动。间接驱动通常其驱动器的输出力矩大大 小于驱动关节所需要的力矩，所以必须使用减速器。该机器人的特点是各向驱动电机都 被放置在机座内部，采用机械机构来传递动力驱动各节手臂运动。z 向运动是驱动电机 带动滚珠丝杠副的螺母作垂直直线运动来实现的，垂直于z 向的x - y 面内的运动分别 由两个驱动电机、刚带、滑轮以及无缝矩形管形成的连杆等传动机构运动来实现。实际 结构是：中心支柱包括一对重叠的同心轴，第一电机设置在基体内垂直移动各轴，第二 电机设置在基体内通过外轴来驱动近端手臂，而第三电机设置在基体内通过内轴转动远 端手臂。该机器人机械机构较为复杂，对控制系统的要求也较高。 图1 6 腿7 0 0r - 0 型净化机器人 f 培1 6 r r 7 0 0 r - 0 t y p e c l e a nr o b o t 图1 6 是r o r z e 公司开发的r r 7 0 0 系列净化机器人【1 5 1 ，是典型的r - o 型结构。r - 0 型净化机器人至少拥有三个自由度，分别为r 向( 径向直线伸缩运动) 、0 向( 旋转运动) 和z 向( 直线升降运动) 。其特征是r 向机构是由同步齿型带( 或钢带) 机构与连杆机构 组合而成，驱动电机通过复杂的带传动驱动前、后臂同时运动，最终使机器人末端执行 沈宝宏：面向i c 制造的净化机器人的研究与设计 器沿着径向做直线运动。该机器人r 向重复定位精度可达士o 0 5 r a m ，0 向重复定位精度 可达士0 0 1 2 0 ，z 向重复定位精度可达士o 0 2 m m 。同时在手臂关节处使用磁流体密封防止 尘埃粒子的挥发，应用洁净度较高，可应用i s oc l a s s1 的净化环境中。 1 2 2 国内净化机器人的研究概况 由于国内的i c 产业起步晚，面向i c 制造的净化机器人研究很少。但由于目前i c 产 业的高速发展，使得研究具有自主知识产权的净化机器人变的十分迫切。 当前，国内大连理工大学针对净化机器人展开了相关研究，并提出了机构与控制方案， 并设计了原理样机，其结构如图1 7 所示。该机器人是4 自由度机器人，包括r 向、0 向、 z 向以及末端执行器1 8 0 0 翻转运动，机构方式属于r - 0 型。其特点是z 向、0 向运动采用 驱动电机带动滚珠螺杆花键副来实现，r 向运动由驱动电机通过同步齿型带轮机构带动直 线伸缩机构来实现，末端执行器与翻转汽缸连接实现1 8 0 0 翻转运动。其中0 向运动需要r 向、0 向电机进行同步反向耦合运动才能实现。该机器人结构简单、刚度较高，z 向和0 向传动精密。但由于r 向驱动电机、谐波减速器放置在手臂中，使得手臂体积、重量增 大，从而使整个手臂转动惯量变大，所以不宜实现高速运动。同时有部分传动机构外露于 整体结构之外，容易产生尘埃粒子，所以使该机器人的应用洁净等级受到限制。 图1 7 硅片传输机器人 f i g 1 7 w a f c r w - a a s f e r r i n gr o b o t 综上，针对已有技术和当前的研究基础，对净化机器人相关技术展开深入研究具有积 极的现实意义。 1 3 净化机器人的研究特点 目前，先进的硅片机器人的发展趋势可以归纳为以下几点： 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，机器人的重复定位精度能够保证硅片的精确定位。如z 向升降运动的重复定 一6 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 位精度可达0 0 1 m m ，r 向直线伸缩运动的重复精度可达0 0 2 r a m ，0 向旋转运动的重复 定位精度可达0 0 0 8 0 。 高速度、高可靠性国外的净化机器人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。能够使机器人在高加速度下启动，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。国内在开发机器人的控制系统，有的也采用了先进的控制卡，如美 国d e l t at a u 公司生产的p m a c 、u m a c 、q m a c 多轴运动控制产品，它能够为机 器人的开发提供快速的解决方案。 高通用性净化机器人工作范围大，占地空间少，整机的质量也开始减轻。满足 高洁净度环境的要求，在整个硅片的加工过程中可以广泛应用。 商洁净化由于在机构设计技术和密封技术的进步，净化机器人一般可以满足 1 0 0 级，甚至是1 0 级或l 级的净化要求。机构技术采用平面关节型的构型，即在机器人 关节处使用直接驱动电机。这样可大大减少机器人的部件，使机器人的运动惯量减少， 可提高机器人的定位精度，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器人关节处的使用，对于提高净化机器人的洁净度要求有着 重要的意义。 可扩展性净化机器人的尺寸规格可根据不同尺寸硅片的加工方式进行扩展。 1 4 净化机器人的关键技术 ( 1 ) 密封技术 硅片的主流生产线由8 0 年代的0 8 m l ，6 英寸，到9 0 年代的0 3 5 t t m 、8 英寸，直 至今天的o 1 8 p r o 、1 2 英寸，逐渐向0 0 5 p r o 、1 8 英寸方向迈进。特征尺寸的减小，带 来的是对i c 生产设备更高洁净度的要求，净化机器人也不例外。提高净化机器人的洁 净度，除了要选用更加洁净的材料，如在机器人的表面上喷涂聚氨酯、在手腕处镀镍外， 还要尽可能地避免运动尘埃的产生和做好产尘后的隔离工作，如减少机器人的复杂设计， 以及采用密封方式相关的密封方式有如下几种。 浮环密封 浮环密封属于转子与密封环与轴之间保持有一定装配间隙的非接触动密封【1 6 1 无机 械磨损，使用可靠，寿命长。当轴旋转或轴向运动时，在浮动环与轴之间的密封液形成 液膜。由于液体动力作用，这种液膜具有支撑力r 。当它足以克服环与端面的摩擦力f 和环的自重g 时，环就被密封液托起。其结果是环与轴自动同心，它们之间形成一道刚 一7 一 沈宝宏：面向i c 制造的净化机器人的研究与设计 度极大的膜，起阻止介质泄露的作用。浮环密封结构如图所示。图1 8 中浮环l 、3 、4 在 自动对中作用下浮起，与轴的径向保持极小的间隙，故能起到较大的节流密封作用。 1 ) 、3 ) 、4 ) 浮环2 ) 注油孔 图1 8 浮环密封装置 f i g 1 8f l o a tr i n gs e a l 磁性流体密封 磁性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。应用洁净度较高的净化机器人采用三轴轴封结构与磁性流体 密封17 - 1 町来隔绝硅片制造环境与外界大气环境，同时该结构被作为机械动力的传递手 段。图1 9 中，1 ) 磁性流体三轴轴封结构示意图，2 ) - - 轴轴封结构在净化机器人上的应用。 1 ) 磁性流体三轴轴封的结构示意图 2 ) 磁性流体三轴轴封在净化机器人上的应用 图1 9 三轴轴封结构与应用 f i g 1 9t h e s l r u e t u r ea n da p p l i e a l i o no f t h r e e - a x i sf e r r o f l u i ds e a l s 一8 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 直接驱动技术 传统的电机常使用减速器降低转速和增大转矩，以满足工作的需要。由于减速器内 部传动元件之间存在间隙、有摩擦，降低了机电系统的精度。机器人回转关节的每一微 小误差，都会引起末端执行器的较大误差。同时如果机器人拥有多个自由度，误差也会 不断累积增大，严重影响了工作精度。机器人的本身结构( 操作手臂一般为悬臂梁结构) ， 其刚性要比一般的机械低，装上减速器后，会使机器人的动态柔度增加，易产生振动， 对高速作业不利。又减速器内部常使用有挥发性并易污染环境的润滑油或润滑脂，所以 在硅片的高洁净制造环境中不宜使用减速器。 直接驱动技术是将负载直接刚性地连接到电机轴上。它解决了非直接驱动中遇到的 绝大多数问题，如齿轮减速器的内部摩擦引起的内部电机力矩损失，以及齿轮传动引入 新的转动惯量等。直接驱动技术的核心是设计专门的直接驱动电机，以获得低速、高力 矩输出，从而免除了使用齿轮减速器的必要，同时也可以获得更高的驱动性能( 2 0 l 。直接 驱动机器人具有的优点：高速、高精度、重量轻、高刚性、机械结构设计简单。 直接驱动技术应用于净化机器人上，不但可避免减速装置引起的传动误差和环境污 染，而且也简化了机械机构，提高了机器人整体结构的刚性和应用洁净度等级，以及减 轻机器人整机的重量。同时直接驱动电机配合在真空环境中使用的光学编码器、磁性编 码器，可实现机构的精确反馈与定位。图1 1 0 是直接驱动电机在机器人关节处的应用。 1 ) 绝对编码器2 ) 直接驱动电机3 ) 末端执行器 图1 1 0 直接驱动电机在机器人关节处的应用 f i g 1 1 0 d i r e c t d r i v e m o t o r u s e d t o r o b o t j o i n t ( 3 ) 运动轨迹规划与控制的研究 运动轨迹规划就是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 业机器人操作臂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。针对硅 一9 一 沈宝宏：面向l c 制造的净化机器人的研究与设计 片传输系统而言，为了配合硅片生产线快速生产节拍的要求，时间最优的运动轨迹规划 算法【2 1 ，2 2 l 应用最为广泛。 在轨迹规划方面，需要对现有的时间最优轨迹规划算法进行分析与综合，结合加速 度变化率最优轨迹规划，提出适用于净化机器人控制的运动轨迹规划理论，并对其进行 计算机仿真分析和样机试验测试。 运动控制是指对机械运动部件的位置、速度和加速度等进行是实时的控制管理，使 其按照预期的运动轨迹和规定的数值进行运动。运动控制技术主要是伴随着数控( c n c ) 技术、机器人技术和工厂自动化技术的发展而发展起来的，其主要功能和应用是多轴插 补和连续插补、电子齿轮和电子凸轮、比较输出及探针信号锁存等，某些特定型号的运 动控制器甚至具有初步的轨迹规划功能，可直接作为机器人的控制器使用。根据预定的 轨迹规划算法选择合适的运动控制策略是实现机器人运动控制的基础。 净化机器人轨迹规划算法有着精度高、约束条件复杂等特点，结合净化机器人轨迹 规划的自身特点提出符合净化机器人功能需求的运动控制策略是净化机器人的关键技 术之一。 1 5 课题来源与主要研究内容 1 5 1 课题来源 本课题来源于大连市科技计划项目“集成电路( i c ) 制造系统中硅片精密自动传输系 统的开发”( 2 0 0 4 a 1 g x 0 8 6 ) 和国家自然科学基金项目“面向i c 制造的净化机器人关键技 术研究”( 项目编号：5 0 6 7 3 0 2 7 ) 。 1 5 2 论文主要研究内容 本论文针对i c 制造中的环境洁净度与硅片传输任务的要求，提出了一种由径向直 线伸缩机构以及旋转、升降运动模块组成的新型三自由度的r - e 型净化机器人。主要涉 及到机械本体的设计，运动学、动力学模型的建立与分析，硬件控制平台的搭建和人机界 面的开发具体集中在以下几个方面： ( 1 ) 绪论 首先通过追溯国内外硅片传输用的净化机器入的研究与发展现状，从中总结出了净 化机器人的研究特点和关键技术。本课题的工作是要研制一台净化机器人，针对其研究 特点展开其机械本体结构和控制系统研究和设计。 ( 2 ) 净化机器人构型及设计原则的研究 大连理工大学硕士研究生学位论文 本章要在分析净化机器人的约束条件和基本功能的基础上，提出净化机器人的构 型，并分析其结构特征和设计原则，为此类机器人的构型设计提供理论基础。同时，对 净化机器人两种主要构型平面关节型( s c a r a 型) 和r - 0 型( 圆柱坐标型) 进行比较， 确定本课题要研制的净化机器人的构型。 ( 3 ) 净化机器人机械结构的实现 本章要对径向直线伸缩运动进行分析，得出实现该运动的必要条件。然后提出实现 该运动机构的形式，并对该机构进行运动学与动力学分析。接着给出要研制的净化机器 人整体方案和性能参数，并对各向机构与结构的实现进行详细地论述。 ( 4 ) 净化机器人控制系统硬件结构设计 本章要讨论机器人控制系统的分类与设计原则，提出净化机器人控制系统的要求， 并确定其控制系统结构形式。同时在分析伺服系统的基础上，确定了净化机器人的伺服 系统，给出了交流伺服电机及其驱动器的选型。最后设计硬件平台控制电路，并对各向 电子齿轮比进行设定。 ( 5 ) 控制系统的软件设计及其实现 本章要分析净化机器人控制系统的工作过程，指出控制系统的软件结构。然后针对 净化机器人要实现直线运动、插补运动以及“门”型运动的形式进行研究与编码。 ( 6 ) 结论与展望 总结本文所研究的内容，并对研究不足的方面提出展望。 1 6 本章小结 本章介绍了国内外净化机器人的研究概况和发展趋势，指出了净化机器人研究特点 以及关键技术，同时也提出了本论文要研究的主要内容。 沈宝宏：面向i c 制造的净化机器人的研究与设计 2 净化机器人构型及设计原则的研究 2 1 引言 采用何种构型是机器人研制中的首要问题，不同的构型有着自身的特点，如何根据 它们的特点并结合设计要求得到最为合理的机器人构型是净化机器人设计中必须面对 的问题。作为面向集成电路( i c ) 制造的净化机器入，为了适应作业环境的苛刻要求， 在构型上应该满足以下要求： ( 1 ) 应用洁净度高，机器人自身结构不宜产生尘埃粒子，同时还能够防止尘埃粒子挥发。 ( 2 ) 结构紧凑，布局合理，同时占地面积要小，操作空间要大。 ( 3 ) 运动快速、灵活性好。 2 2 净化机器人的约束关系 机器人的构型主要取决于作业目的和工作环境，净化机器人的构型是根据机器人的 模型构建、功能指标及约束条件进行选择。 ( 1 ) 环境约束 净化机器人的工作环境为一个狭小的、高洁净的空间区域。该区域为微洁净环境 ( m i n i e n v i r o n m e n t ) ，也称为洁净室1 2 3 1 。洁净室是使用洁净空气通过高效过滤器和静压箱 在该区域形成层流气流，利用层流洁净室的“活塞”式工作原理，控制工艺过程的污染， 并在系统中形成一定的正压，以防止外界污染从缝隙渗入筇】。用于集成电路制造的洁 净室一般为垂直式洁净室，具有如下特点：可以提高产品的质量及成品率；可以提高生 产效率，节约成本：可以降低维修费用。 在制造环境洁净度提高的同时，也对其中的传输设备诤化机器人自身的洁净度提 出了更高的要求：不将尘埃带进洁净室内；不在洁净室中产尘；能尽快地将产生的尘埃 吸收掉。因此在设计净化机器人时应注意： 机器人操作机和控制器占地要小。这可使洁净室空间更为合理地应用，便于达到 高洁净度。在机器人出故障时，可以迅速更换，避免由于维修人员长时间的进入而破坏 洁净条件。 机器人自身产生的尘埃极少。据测定，机器人驱动装置和各回转关节是机器人的 主要污染源。为此，应合理选择材料颗粒不易脱落的摩擦面材料，以及采用表面不易锈 蚀的材料，并经特殊防锈处理。同时考虑到油的飞溅和挥发，应采用特殊的润滑油( 如 真空油脂和含氟油脂) 。 大连理工大学硕士研究生学位论文 能保持自身的尘埃，使其不致于扩散到洁净室内。为此，要对各关节进行良好的 密封( 如采用迷宫密封结构或磁性流体介质密封) ，并使用抽气机使机器人手臂内部保持 适当的负压。同时操作手臂的外表面要光滑、坚硬，不要有沟槽，外露部分要能承受清 洁液( 异丙基乙醇、t f 氟利昂等) 的清洗作用。机器人的运动部件如电机、减速器、传动 部件等，最好安放在机器人壳体内，电线、气管等尽量内藏。以上这些要求都是为了便 于定期地清理外表面和清除积累的尘粒。 机器人操作机构的运动不破坏洁净室内的气流流向，从而不易使产生尘埃粒子的 积累i 6 。故在设计时应使机器人操作手臂和末端执行器尽可能地成为流线型。 ( 2 ) 功能结构约束 硅片形状为薄片形状，质量很轻，如3 0 0 m m 的硅片质量为2 0 0 9 左右。硅片在各个 加工模块或片盒中存放都处于水平放置状态，没有倾斜的位置姿态。那么要求净化机器 人在传输硅片的过程中，尽量使硅片处于水平放置状态，避免整个硅片的倾斜，防止硅 片滑落或损毁。 其次由于硅片制造的各个加工模块在洁净室中的开口、片盒的开口与硅片尺寸十分 相近，因此要求净化机器人的末端执行器能以水平直线运动通过各个加工模块的开口， 以避免末端执行器与各个开口发生碰撞而致使硅片损坏。 2 3 净化机器人的功能 净化机器人是一种专门用于洁净空间内传输硅片的机器人，其所有的功能都是以该 作业目的为基础。 ( 1 ) 传输功能 这是净化机器人所要完成的最基本功能，即实现操作范围内任意点之间的搬运操 作。净化机器人的运动应尽可能平滑、无振动，操作手臂的刚度要高。 ( 2 ) 夹持功能 硅片要牢固地固定在净化机器人的末端执行器上，从而在传输过程中不产生滑落与 损毁。目前所使用的夹持方式有机械夹持与真空夹持。机械夹持的方法很容易使硅片