（机械电子工程专业论文）面向ic测试技术的硅片自动传输机械手的建模及仿真.pdf

摘要 在i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 制造业，随着i c 芯片体积的不断减小，引线密度的 不断提高，对i c 加工设备的要求也不断提高。无论是在i c 的封装还是测试设备中， 都要求实现自动化生产。这就要求硅片实现自动传输，而机械手技术是实现硅片自 动传输的关键技术。传统的接触式硅片传输机械手能够满足一定的需要，但随着i c 洁净度水平要求越来越高，传统的接触式机械手给硅片带来的污染不容忽视。因此 我们在原来接触式机械手的基础上进行改进，建立一种新型的非接触式机械手。本 文详细论证了在传统机械手和新型机械手中的重要技术，并运用虚拟样机技术进行 仿真。 本文中机械手采用的是同步带传动，同步带的柔性在传动的过程中不可避免的 带来振动，为了抑制振动使机械手运动平稳。可以通过轨迹优化、机械结构设计和 控制算法等方面来抑制同步带传动带来振动。本文中主要对机械设计和控制算法两 方面来进行了分析如何抑制振动。同是建立了柔性同步带传动的机械手的数学模 型。 本文的研究中使用虚拟样机技术来分析机械手的机械结构以及控制问题。 p r o e 、a n s y s 、和m a t l a b 是虚拟样机技术中常用的几个重要分析软件。首先， 在p r o e 中建立仿真对象的三维实体模型。其次，要计算复杂的几何模型，从p r o e 中导入a n s y s 等专业有限元分析软件中进行有限元模态分析。再次，通过建立的 数学模型，在m a t l a b 软件中进行p i d 等的控制算法仿真。通过对比不同参数的 仿真结果和选择最优的控制参数。整个模型的分析过程大概包括以下几步： 1 在p r o e 中建立三维几何模型 2 在a n s y s 中对模型进行有限元分析 3 在m a t l a b 软件中对模型进行控制算法仿真 最后，通过比较得到最优的控制算法的结果。 关键词 非接触式机械手i 同步带传动；柔性；虚拟样机技 m o d e l i n ga n ds i m u l a t l 0 n0 fw a f e ra u t o m a t i c t r a n s p o r th a n d l e rf o r i ct e s t i n gt e c h n o l o g y g e n l i a n gx i o n g at h e s i ss u b m i t t e di nc o n f o r m i t y 、i t l lt h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e r g r a d u a t ed e p a r t m e n to f m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g ， h a r b i ni n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h et e n d e n c yw i t hs m a l lv o l u m e ，h i g hd e n s i t ya n dr e d u c t i o ni nd e s i g n r u l eo fs e m i c o n d u c t o rc i r c u i t sh a sb e e nf u e l i n gt h ed e m a n df o ri cm a n u f a c t u r i n g e q u i p m e n tw i t hh i g h e rc l e a n l i n e s sa n da u t o m a t i cc h a r a c t e r s i no r d e rt oa c c o m p l i s ht h e w a f e ra u t o m a t i ct r a n s p o r t a t i o n ，t h eh a n d l e ri st h ep i v o t a lt e c h n o l a g y ，t h ec o n v e n t i o n a i c o n t a c th a n d l e re a r ls a t i s f ys o m er e q u i r e m e n t s b u t 、i t l lah i g h e rs t a n d a r do fc l e a n l i n e s s d e m a n d e df o rt h ei cc h i p ，i th a sb e e nf o u n dt h a tt h ec o n t a m i n a t i o na d d e dt ot h ew a f e rb y ac o n v e n t i o n a lc o n t a c th a n d l e ri sh i g h e rt h a nn e 斟i 西b l el e v e l s i m p r o v e m e n to v e rt h e c o n v e n t i o n a lc o n t a c th a n d l e rr e q u i r e sd e s i g na n dd e v e l o p m e n to fan e wt y p eo f n o n - c o n t a c th a n d l e r i nt h i sr e s e a r c h ，w ee x p l o r eas t a t e o f - t h e - a r tt e c h n o l o g yf o rt h e c o n v e n t i o n a lc o n t a c th a n d l e ra n dt h en e wt y p en o n - c o n t a c th a n d l e r ，a n da n a l y z et h e m o d e lw i t hv i r t u a lp r o t o t y p i u gt e c h n o l o g y b yu s i n gs i m u l a t i o n ，w ea c h i e v es i g n i f i c a n t r e s u l t si na u t o m a t i cw a f e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m i nt h i sr e s e a r c h , t h eh a n d l e ri sd r i v e nb yt i m i n gb e l t s b e c a u s eo fi t s f l e x i b i l i t y , u n a v o i d a b l ev i b r a t i o n sa r eb u i l tu pi nt h et i m i n gb e l t s i no r d e rt oa c h i e v eas m o o t h m o t i o no ft h eh a n d l e r , t h ev i b r a t i o n sm u s tb es u p p r e s s e d t h e r ea r es o m ee f f e c t i v e i i s t r a t e g i e su s e di nt h ep r o j e c ti no r d e rt op r o v i d eas t a b l ea n ds m o o t hm o t i o n ：缸司e c t o r y p l a n n i n g ，p e r f e c tm e c h a n i c a ld e s i g n a n dc o n t r o la l g o r i t h mt os u p p r e s st h ev i b r a t i o n s e m b e db yt i m i n gb e k st r a n s m i s s i o n i nt h er e s e a r c hw ef o c u so nt h em e c h a n i c a ld e s i g n a n dc o n t r o l a l g o r i t h r n t o s u p p r e s s t h e v i b r a t i o n s ，a n dt od e s i g na n db u i l d t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h eh a n d l e rw i t haf l e x i b l et i m i n gb e l tt r a n s m i s s i o n p m e 、a n s y sa n dm a t l a ba r ct h em o s ti m p o r t a n ts o f t w a r ei nv i r t u a lp r o t o t y p i n g t e c h n o l o g y f i r s t ，t h et h r e e d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo ft h es i m u l a t i o no b j e c ti sb u i l ti n p r o e s e c o n d ，i no r d e rt oc a l c u l a t et h ec o m p l e xg e o m e t r i c a lc o m p o n e n t s ，t h em o d e li s i m p o r t e df r o mp r o et oa n s y s ；a n s y si su t i l i z e dt op r o c e s st h ef i n i t ee l e m e n tm o d e a n a l y s i s t h i r d ，t h es i m u l a t i o no f t h ec o n t r o la l g o r i t h mb yu s i n gm a t l a bi su s e da n di s s i m u l a t e d ，t h er e s u l t so fs i m u l a t i o nw i t hd i f f e r e n tg a i np a r a m e t e r sa r ec o m p a r e da n dt h e o p t i m a lc o n t r o lp a r a m e t e r sa r es e l e c t e d t h ef u l lp r o c e d u r eo f a n a l y z i n gt h em o d e lc o n s i s t so f t h ef o l l o w i n gm a i ns t e p s ： 1 b u i l dt h et h r e e d i m e n s i o n a lg e o m e t r ym o d e li np r o e 2 p r o c e s st h ef i n i t ee l e m e n tm o d ea n a l y s i si na n s y s 3 s i m u l a t et h ec o n t r o la l g o r i t h mo f t h em o d e l i nm a t l a b k e y w o r d s ：n o n c o n t a c th a n d l e r ；t i m i n gb e l t st r a n s m i s s i o n ； f l e x i b i l i t y ； v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e e h n o l o g y i i i n o m e n c l a t u r e p o w e ro f t h et i m i n gb e l tn e e d st ot r a n s f e ro nr l a r n e g e a rr a t i o d r i v e r sr o t a t i o ns p e e d d r i v e nr o t a t i o ns p e e d d r i v ep o w e r l o a dm o d i f i c a t i o nt o e m c i e n t p i t c hd i s t a n c e c e n t e rd i s t a n c e g e a rn u m b e r so f t i m i n gb e l t g e a rn u m b e r so f t h es m a l lg e a r g e a rn u m b e r so f t h el a r g eg e a r m a xw i d t ho fb e l t s t a n d a r dw i d t h s m a l lg e a r sd i a m e t e r l a r g eg e a r sd i a m e t e r l e n g t ho f t h el i n kl l e n g t ho f l i n k2 l e n g t ho f t h el i n k3 j o i n t1a n g u l a rp o s i t i o n j o i n t2a n g u l a rp o s i t i o n j o i n t3a n g u l a rp o s i t i o n t o m lm o m e n to fi n e r t i af o rt h ea l t n m o m e n to f i n e r t i af o rt h el i n k1 m o m e n to f i n e r t i af o rt h el i n k2 x ) m 隅 匕， n也只足异日乙互乙k而疵k岛岛岛吖 啊 m 3 ) 强 ，0 ，) _ q 最 m 。 圪 眈 见 m f 。 g 见 m g 匕， | j i 彳m k h 8 、 r e z ， m o m e mo f i n e r t i af o rt h el i n k3 c o t i o r i s c e n t r i f u g a lf o r c e j o i n t1v e l o c i t y j o i n t1a c c e l e r a t i o n j o i n tt o r q u e c o u l o m bf r i o r i o n m o m e n to f i n e r t i ao f t h ea c t u a t o r v i s c o u s 伍e t i o ne o e f f i c i e n to f t h ea c t u a t o r a c t u a t o rs h a f tv e l o c i t y a c t u a t o rs h a f ta c c e l e r a t i o n d r i v i n gt o r q u et oh a n d l e r t r a n s m i s s i o nt o r q u et oh a n d l e r c o u l o m b 衔c t i o n g e a rr a t i o h a n d l e rl i n kj o i n ta n g l e i n e r t i ao f t h eh a r r n o m ed r i v eg e a r c o r r e s p o n d i n gv i s c o u sf r i c t i o nc o e f f i c i e n t t o t a le o u l o m bf r i c t i o na tt h ea c t u a t o rs h a f t s u m o fm 。，m g a n d m l ( 岛) g s p r i n gc o n s t a n to f t h eb e l t d a m p i n gc o e f f i c i e n to f t h eb e l t j o i n ta n g t ei n c l u d i n gt h et o z s i o n p o s i t i o no f t h ea n ne n do f t h eh a n d l e r l e n g t hr a t i o so f ? i ? 2 x e 。，9 。 茁3 ，k 4 一c m n m 圪l k 。，k 。，k g 。( s ) ，n k ， n l n l n j n4 n o m i n a lv a l u e so f t h es t a t ev a l u a b l e s o s ，见 f e e d b a c kg a i n s t o r q u ec o m m a n d n o m i n a lv a l u e so fm m 屹i a n d r 。 d i f f e r e n t i a l ，p r o p o r t i o n a l ，i n t e g r a lg a i n s i n p u tv a l u eo f t h es y s t e m t r a n s f e rf u n c t i o n d a m p i n gc o e f f i c i e n t n m l l r a lf r e q u e n c y m o m e n to f i n e r t i am 2 = m 2 ( 岛) + m 3 ( q ) a m p l i f i e r a c k n o w l e d g e m e n t s ia md e e p l yi n d e b t e dt om ys u p e r v i s o r , p r o f e s s o rh o n gh uw h oh e l p e dg u i d em ea i l t h r o u g hi nm yr e s e a r e h o fw a f e ra u t o m a t i c a l l y t r a n s m i s s i o nh a n d l e r f o ri ct e s t t e c h n o l o g y h i st h o u g h t f u lg u i d a n c e ，s u p e r v i s i o na n dc o n s t a n te n c o u r a g e m e n th e l p e dm e t ol e a r na n de x p l o r eal o to ft h i n g si nm yr e s e a r c h ，h i se x p e r t i s ea n di n i t i a t i v ew e r e i n v a l u a b l ei nh e l p i n gm eo nc a p t u r i n gp i v o t a lp o i n t sa n df o r m u l m i n gm yo w no p i n i o n s w i t h o u th i sf r i e n d l ya d v i c ea n ds u p p o r t ，m yr e s e a r c hw o r kw o u l dn o th a v e b e e n c o m p l e t e d ia l s ol i k et o e x p r e s sm ys i n c e r eg r a t i t u d e t oa l lp r o f e s s o r so fm e c h a t r o n i c s e n g i n e e r i n gw h oh e l pm em m yr e s e a r c ha to n et i m eo ra u o t h e r ；fm o u l di 汝g 的a 1 , s o t h a n ks h e n z h e ns i d e as e m i c o n d u c t o re q u i p m e n tl t d ih a v eb e n e f i 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n gg r e a t l yt h a n k st om yd e a rp a r e n t s a tt h i st i m e1w a n tt oe x p r e s sm ys o u l f u la f f e c t i o nt om yw i f ej i n gl i ，w i t h o u th e r s u p p o r ta n dc o n e e m ，tw o u l d n o th a v ec o m p l e t e dm y s t u d ya n dr e s e a r c h v 呈! 塑堡! 坐! ! 唑竺! i n t r o d u c t i o n 1 1o r i g i n ，b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e e l e c t r o nm a n u f a c t u r i n gh a sb e c o m ev e r yi m p o r t a n ti nt h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , e s p e c i a l l yi nt h ea r e ao fi n t e g r a t e dc i r c u i t i ti s a l s oat o pl e a d e ri nt h ew o r l di n m a n u f a c t u r i n ga n dd e v e l o p m e n t ，n o wa n di nt h ef u t u r e i ns e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r e i n d u s t r y , t h et e s tt e c h n o l o g yo fw a f e r si sas y m b o lo fac o u n t r yw i t hah i g hd e v e l o p m e n t l e v e l i ne l e c t r o n i ci n d u s t r y w a f e rp r o b i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nu n d e rd e v e l o p m e n ta n du s e df o rs e v e r a ld e c a d e s 【1 2 1 i to r i g i n e df r o mm a n u a lt e s ta n dh a se x p a n d e dt os e m i a u t o m a t i cp r o b ef o ra n a l y t i c a l w o r k m a n u a lp r o b es t a t i o n su s u a l l yh a v et h r e et of o u rp r o b e st oc o n t a c tt h ep a d so ft e s t d e v i c e s o h m i cc o n t a c ti sf o r m e dt h r o u g hm a n u a l l ym o v i n gt h ep r o b et os c r a p et h r o u g h s b i 蕾a c eo x i d ef i l m sa n dm a k ec o n t a c tw i t ht h ec o n t a c tp a d s 。b e c a u s ei ti sd i f f i c u l tt o c o n t r o la n dw o r k 、i t hal a r g en u m b e ro ft e s tp r o b e s t e s tw o r ku s i n gt h i sp r o b es t a t i o ni s t i m ec o n s u m i n ga n de v e ni m p o s s i b l ei fm a n ye l e c t r i c a lp a d sn e e dt ob ep r o b e di ni c m a n u f a c t u r e 【3 】 a se l e c t r o n i cd e v i c es i z e sd e c r e a s e da n dd e v i c ee l e c t r i c a lp a d si n c r e a s e d ，m a n u a lt y p e p r o b es t a t i o n s1 1 0l o n g e rm e tb a s i cr e q u i r e m e n t so ft h es e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y , a n dt h e c o n c e p to fa u t o m a t i cw a f e rp r o b i n gs y s t e mw a sd e v e l o p e di w a f e rp r o b i n gs y s t e mi sa p r e c i s i o ni n s t r u m e n tw h i c hm o v e sw a f e r st h r o u g ht h et e s tp r o c e s sq u i c k l y , a c c u r a t e l y , a n ds a f e l y t h ei n s t r u m e n to p e r a t e si n a s p e c i f i cs e q u e n c e w h i c hc o m b i n e s p r e p r o g r a m m e di n s t r u c t i o n sa n do p e r a t o rc o n t r o lg u i d e db ym e n u sa n dp r o m p t s t h eb a s i cu n i ti sa ni n d e p e n d e n tw a f e rp r o b i n gu n i tw h i c hp e r f o r m sm a n u a ll o a d ， s e m i a u t o m a t i cm i g n m e n t ，a u t o m a t i cp r o b e ，a n dm a n u a lu n l o a do p e r a t i o n i ti n c l u d e sf o u r a s s e m b l i e s ：( 1 ) b a s ea s s e m b l y ；( 2 ) m o n i t o rc o n s o l e ；( 3 ) o p e r a t o rc o n s o l e ；( 4 ) p o w e r c o n t r o la s s e m b l y p r o b e d - r e l a t e ds u b u s s e m b i i e s ，m o u n t e dt o ab a s e c a s t i n g ， 里1 9 塑! ! 坚堡型唑 i n c l u d i n gt h ef o r c ep o s i t i o n i n gs y s t e m ，c h u c ka s s e m b l y , r i n gc a r r i e ra s s e m b l y , a n d m i c r o s c o p ep o s t t h ex yt a b l e ，f i x e do nt h ef o r c ep o s i t i o nb yb a l l s c r e w , a n dm o u n t i n gc o n n e c t i o n s f o rt h ec h u c ka s s e m b l y t h ec h u c ka s s e m b l yi sm o u n t e do nt h ef o r c e ra n ds u p p o r t st h e w a f e rt ob ep r o b e d t h ew a f e ri sv a c u u m - l o c k e dt ot h et o po ft h ec h u c k b a s i c a l l y , a l l o p t i o n sp e r f o r m t h es a m et a s k ：t h e yc o n t r o lb o t ht h ev e r t i c a lzp o s i t i o n i n g ( u pa n dd o w n c h u c kt r a v e l ) a n dt h et h e t aa x i sp o s i t i o n i n g ( c h u c k - t o pr o t a t i o ni nt h eh o r i z o m a lp l a n e ) o f t h ew a f e r t h er i n gc a r d e ra s s e m b l yi sap l a t ew h i c hi ss u p p o r t e da b o v et h ex - yt a b l e a n df o r c e ro nf o u rp r e c i s i o na l i g n m e n tp o s t sw i t l lq u i c k r e l e a s ec o l l a r sf o ri n s t a n t a c c e s s i b i l i t y t h er i n gc a r r i e ri su s e dt om o u n tt h ea d j u s t a b l ep r o b er i n gi n s e r t ， f i x e d - p o i n tp r o b ec a r di n s e r t s ，o rt e s th e a d s t h em i c r o s c o p ea l t na s s e m b l yi sn o r m a l l y f a s t e n e dt ot h er i n gc a r r i e ra s s e m b l y i tp r o v i d e st h em o u n t i n gf o rt h eo p t i c a ls y s t e m w h i c hp e r m i t sm a n u a lo rv i d e ov i e w i n go f t h e w a f e ra n dp r o b et i p s t h em o n i t o rc o n s o l ec o n s i s t so fas c r e e n ( c r t ) a n dk e y b o a r d ( i l l u s t r a t e d ，o n m o u n t i n gp e d e s t a l ) f o re n t e rb a s i co p t i o n s ，m o d e s ，a n dp a r a m e t e r s ，a n df o ra c t i v a t i n g s p e c i f i cf u n c t i o n s t h eo p e r a t o rc o n s o l ec o n s i s t so ff o u rm a i ne l e m e n t s - k e y b o a r d ，j o y s t i c k ，t h e t as v d t c h ， a n df o r c e rr e l e a s es w i t c h t h i sc o n s o l eo p e r a t e si n d e p e n d e n t l yb u ta l s oa c t sa sa n e x t e n s i o no ft h em o n i t o rc o n s o l e ，a n di sd e t a c h e df r o mt h ep r o b ef o rr e m o t eo p e r a t i o n t h e t aa l i g n m e n tr e g u l a t e sc h u c k - t o pr o t a t i o ni no r d e rt op r e c i s i o n 。a l i g nt h ew a f e rp r i o r t ot h ep r o b eo p e r a t i o n t h i sr o t a t i o nc a nb ec o n t r o l l e dm a n u a l l yb yt u r n i n gt h et h e t a s w i t c ha st h ew a f e rc y c l e st h r o u g ht h e a l i g ns c a n ”，o rb ys y s t e mc o n t r o ld u r i n gt h e a u t o a l i g ns e q u e n c e t h ew a f e ri sa l i g n e di nr e l a t i o nt ot h ex a x i s t h ep o w e r c o n t r o la s s e m b l yi sas e p a r a t em o d u l ed e t a c h e df r o mt h ew a f e rp r o b eb a s e u n i t i tc o n t a i n st h es y s t e mp o w e rs u p p l i e s ，c o n t r o le l e c t r o n i c s ，x yp o s i t i o n i n gd r i v e c o m p o n e n t s ，a n dp n e u m a t i cg a u g e sf o rb o t ha i ra n dv a c u u ms u p p l i e s j a c k sm o u n t e do n t h er e a rp a n e la c c o m m o d a t ec o n n e c t o r sf o rs u b s y s t e m sa n dt e s t e ri n t e r f a c i n g t h em a i n s w i t c hf o rt h ew a f e rp r o b eb a s eu n i ti sm o u n t e do nt h ef r o n tp a n e lo ft h ep o w e r c o n t r o l u n i t t h em a i ns w i t c hi n d i c a t o rl i g h tg l o w sw h e nt h es w i t c hi ss e tt o 。o n t h ec o r r e c t c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n p o w e r “o n s e q u e n c ei s ： 1 。p r o b es y s t e mp o w e rc o n t r o l l e r 2 m a t e r i a lh a n d l e rm o d u l e 3 v i s i o nm o d u l e i ft h ep o w e rc o n t r o l l e ra n d o rm a t e r i a lh a n d l e rm o d u l ea r et u r n e do f ff o ra n yr e a s o n w h i l et 1 1 ev i s i o nm o d u l er e m a i n s “o n ”t h ev i s i o nm o d u l em u s tb er e s e ta f t e rt h e c o n t r o l l e ra n d o rh a n d l e ra r ep o w e r e db a c k “o n ” i no r d e rt ol o a dt h ew a f e ra u t o m a t i c a l l ya n du n l o a d ，t h ea u t o m a t i ca l i g n m e n tm o d u l e a n dt h em a t e r i a lh a n d l i n gm o d u l ea r en e e d e d t h e ya r et w om a j o ro p t i o n a ls u b s y s t e m s 1 1 1a u t o m a t i ca l i g n m e n tm o d u l e t h e a l i g n m e n tm o d u l eo p e r a t e sw i t ht h ep r o b eb a s eu n i tt oa l i g nw a f e r sa u t o m a t i c a l l y u s i n gap a t t e m r e c o g n i t i o nt e c h n i q u e aw a f e ri sp r e - a l i g n e da n dl o