硅片传输定位机器人的设计

硅片传输定位机器人的设计 张士军 1，金洙吉，康仁科，丛明（大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁大连 116024）摘要： 本文针对大直径硅片的高速自动化生产对硅片的高效、高精度、高可靠性传输要求，确定基于 3 自由度的 R-θ型硅片传输定位机器人方案，设计了大直径硅片传输定位机器人系统。在设计过程中，通过采用基于丝杠花键轴的升降旋转机构、采用周转轮系传递臂体的伸缩动力等措施，解决了现有同类传输机器人系统中存在的刚性低、结构复杂等问题。此外，本文通过运动学分析证明了径向伸缩部件的直线运动轨迹； 利用拉格朗日的分析力学的方法对该部件的模型进行了动力学分析，得出动力矩方程。调试结果表明，该机器人的径向伸缩运动的直线精度达到了使用要求。 关键词 : 硅片传输机器人；机构；运动学分析；动力学分析 中图分类号 ： TTP224 文献标识码 ： A The Design of Wafer Robot ZHANG Shijun ， JIN Zhuji ， KANG Renke ， CONG Ming (Key Laboratory Precision θ向： 300/s °； Z 轴： 300mm/s。 （ 3） 重复定位精度：R 向：± 0.2mm;θ向：± 0.03 °； Z 轴：± 0.05mm。 （ 4） 抓取质量： 1kg。 如图 1 所示，该硅片传输机器人是由基座 1，升降旋转部件 2，径向伸缩部件 3，末端翻转部件 4 等功能模块构成。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 1 硅片传输机器人总体图 3 硅片传输定位机器人的设计3.1 升降旋转部件 该部件实现硅片机器人的升降和旋转动作，其结构如图 2 所示，工作原理如下：机器人的进行升降和旋转动作时，电机 1 通过其上的转向同步齿形带轮 2，经过同步齿形带与将动力传递给转向同步齿形带轮 3。 同步齿形带轮 3 带动滚珠丝杠花键 5 旋转， 完成机器人的θ （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升降同步齿形带轮 6。同步齿形带轮 6 带动滚珠丝杠花键 5 中的滚珠螺母旋转，完成机器人的 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， 10．挡块 图 2 升降旋转部件结构图 3.2 径向伸缩部件 该部件实现硅片机器人的径向直线伸缩动作，这是 R-θ型机器人的典型标志。 3.2.1 径向伸缩部件的机构设计 OAB后臂体同步齿形带轮1电机同步齿形带轮2同步齿形带轮6 同步齿形带轮7 同步齿形带轮 10 末端臂体同步齿形带轮 12前臂体图 3 径向伸缩部件传动原理图 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3 所示，同步齿形带轮 6 与同步齿形带轮 7 的传动比为 2： 1，同步齿形带轮 10 与同步齿形带轮 12的传动比为 1：2 [ ]1 ，其中，同步齿形带轮 10 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 6 与同步齿形带轮 2 固联，也是静止的， 于是同步齿形带轮 7 与同步齿形带轮 6 构成行星轮系， 后臂体转动带动与同步齿形带轮 7 固联的前臂体转动；在前臂体中，由于同步齿形带轮 10 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 10 与同步齿形带轮 12 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时沿着径向的直线伸缩动作。 图 4 是硅片传输定位机器人的伸缩部件图，其中后臂体 3，前臂体 9 和末端臂体 15 的关节处俱采用交叉滚子轴承，在交叉滚子轴承中，因圆柱滚子在呈 90°的 V 型沟槽滚动面上通过间隔保持器被相互垂直地排列， 所以单独的交叉滚子轴承就可以承受径向负荷， 轴向负荷及力矩负荷等所有方向的负荷，且具有高刚性。1． 同步齿形带轮 2． 同步齿形带轮 3． 后臂体 4． 伸缩电机 5． 交叉滚子轴承 6． 同步齿形带轮 7． 同步齿形带轮 8．前臂转台 9．前臂体 10 ．同步齿形带轮 11 ．相位胀套 12 ．同步齿形带轮 13 ．旋转阀芯 14 ．末端执行器转台 15 ．末端臂体 16 ．翻转气缸 17 ．气缸转轴 18 ．末端执行器 19 ．前臂小带轮轴 20．胀套，图 4 径向伸缩部件 3.2.2 径向直线伸缩运动的运动学分析 径向伸缩部件的机构原理图如图 5 所示 : OAB D1 3245CVBAVAVBVAαβ1. 同步齿形带轮 2. 同步齿形带轮 3. 同步齿形带轮 4. 同步齿形带轮 5. 末端臂体 图 5 径向直线伸缩运动机构原理图 在图 5 中连杆 OA相当于后臂体，连杆 AB相当于前臂体，连杆 BD相当于末端臂体。其中同步齿形带轮 3 与 OA固联，同步齿形带轮 2 与 AB固联。当进行直线伸缩运动时，同步齿形带轮 1 是静止的， BD与 OB共线。 OA=AB=L运动分析如下 [ ]2 : 设瞬时初始角为φ，角速度为ω，初始位置 OB为水平方向。 根据速度合成法 VρB=VρA+Vρ BA利用速度投影法将上式向 AB方向投影有Vρ Acos (90° -2φ )= Vρ Bcosα (1) 根据已知 VρA =Lω有机构可知 BA相对 AO的相对角速度 ω BAO=2ω ω BAO= ω BA－ω AO取逆时针为负 ω AO=－ω， 则有 ω BA=ω， 所以 VρBA = L ω 由余弦定理 VρBA2= VρA2+ Vρ B2-2 Vρ A Vρ Bcosβ (2) β＝α +(90° -2φ ) 根据式（ 1） , （ 2）进行求解 , 解得 α =φ 所以 B 点的运动轨迹为直线运动，方向始终是沿着 OB直线。 另外 , 在同步齿形带轮 4 上任取一点 C,根据同步齿形带轮 1 与同步齿形带轮 2 的传动比为 2： 1，同步齿形带轮 3 与同步齿形带轮 4 的传动比为 1：2 的传动关系，可知ω CBA=ω , 方向逆时针； ω CBA＝ω CB- ω BA； ω BA＝ω，方向顺时针。 所以 ω CB＝ 0， 由于 C 是同步齿形带轮 4 上任意一点 , 可知同步齿形带轮 4 的绝对角速度为 0，即相对静坐标系无转动。 同理， BD 的运动轨迹是直线运动，方向始终是沿着 OB直线，且 V=2Lω sinφ 。 由上述运动学分析可知，要实现径向直线伸缩运动轨迹的直线性，第一要保证径向直线伸缩机构的精确传动比， 本方案采用同步带传动， 具有传动比准确， 无滑差， 可获得恒定的传动比的优点。第二 . 要保证后臂体与前臂体的同步齿形带轮中心距的一致性，因此，在加工过程中采用两个工件的轴承孔配作的工艺，确保运动精度。3.2.3 径向直线伸缩运动的动力学建模分析 根据径向伸缩部件传动原理，建立了如下的机器人手臂简图。其中第三臂体的运动轨迹是沿着 AD方向的直线。 径向直线运动型硅片传输机器人手臂中所应用的机构为平面连杆机构 , 其径向直线运动由一台电机驱动即可实现，因此，它是单自由度平面连杆机构，其中原动件为回转类型。考虑到平面连杆机构一般受非线性定常几何约束 , 因此平面连杆机构为完整平稳系统 , 其自由度和广义坐标数相等 , 即为原动件数。采用了分析力学中的质点系动能和刚体绕质心转动动能相结合 , 利用拉格朗日（ Largrange）的分析力学方法，对径向直线运动型硅片传输机器人的手臂进行了动力学建模分析。径向直线运动型硅片传输机器人手臂的平面连杆机构模型中每个构件的动能包含 2 部分 : 一部分为构件质心的平动动能可以看作质点系的动能 ; 另一部分是构件绕质心的转动动能可以看作刚体绕质心的转动动能 . m2Al 2, I 2l 1, I 1Bm1yxDm332C图 6：径向直线运动型硅片传输机器人手臂简图 图 6 中各符号的意义θ 1：第一臂角度；θ 2：第二臂与第一臂的角度；θ 3：第三臂与第二臂的角度； l1 ： 第一臂的长度； l2: 第二臂的长度； I1, 第一臂的转动惯量； I2, 第二臂的转动惯量； A，圆点； B，第一臂的质心； C ，第二臂的质心； D,第三臂的质心； m1,第一臂的质量； m2，第二臂的质量； m3，第三臂的质量； α ，第三臂运动轨迹的角度。其中，第二臂的质心位于几何对称中心。通常可用牛顿力学等方法来确定机器人的动力学方程。然而由于机器人是具有分布质量的三维，多自由度机构，所以利用牛顿力学非常困难。取而代之的是拉格朗日力学等其他方法来进行分析。拉格朗日力学基于能量项，所以在很多情况下使用起来比较方便。拉格朗日力学是基于能量项对系统变量及时间的微分的。对于简单情况，运用该方法比运用牛顿力学更繁琐，然而，随着系统复杂程度的增加，运用拉格朗日力学将变得相对简单 [ ][ ]3 4 。 拉格朗日力学以下面两个基本方程为基础：一个针对直线运动，另一个针对旋转运动。首先，定义拉格朗日函数为：L K P= - （ 3）式中 L 是拉格朗日函数，K 是系统动能，P 是系统势能。于是 ( )ii iL LtF x x? ? ?= -? ? ?&（ 4）( )iiiL LtT θθ? ? ?= -? ?? &（ 5）式中 F 是线运动中的所有外力之和，T 是转动中的所有外力矩之和，x 是系统变量。因此为了得到运动方程，需要首先推导系统的能量方程，然后根据式对拉格朗日函数求导。 由图 1 分析，第三臂实现的径向伸缩直线运动的条件是：1 2 32θ θ θ= - =& & & 1 2l l l= =其中第三臂的速度为： 112 sin( )V l α θθ= -&第三臂的动能为：22 2 23 3 3 111 1 ( )2 2 sinm V m lK α θθ= = -&对第二臂的质心位置求导得到其速度：由于 c 点位于第二臂的对称中线上，所以 c 点坐标是关于 θ 的函数， 对质心 c 的位置求导后， 可知该点速度， 因此连杆 2 的质心总速度是关于 1θ &和 θ 的函数，设为：( )1 1C ,V θ θ& （ 6）连杆 1 和连杆 2的动能之和 .由连杆绕定轴转动 (对连杆 1)和绕质心转动 (对连杆 2)的动能计算公式 ,可以得出 : K =.21 112 I θ? ?? ?? ?+ ( )221 22 2 C1 1( ) ,2 2 m VI θ θ θ θ? ?+ +? ?? ?& & & +22 23 111 ( )2 sinm l α θθ -&（ 7）由于计算的是 X-Y 平面的动力学方程， 所以不必计算 3 个臂体的势能， 因此 0P = 。 径向直线运动型硅片传输机器人手臂的拉格朗日函数为 :L K P= - =.21 112 I θ? ?? ?? ?+ ( )221 22 2 C1 1( ) ,2 2 m VI θ θ θ θ? ?+ +? ?? ?& & & +22 23 111 ( )2 sinm l α θθ -&（ 8）由图 1 的分析可知，径向直线运动部件实际上是一种单自由度机构，因此只需要求出 1T 即可。对（ 8）式进行拉格朗日函数求导并代入式（ 5） ，得到下面的动力学方程。( )( )2 2 21 1 11 1 2 3 1 2 C 3 112 2 21 1 12 C 3 11 1(2 2 sin( )) , 2 cos( )4 21 1, sin 2( )2 2tm l m V m lT I Im V m lθ θ θθθ θ θθα θ α θθα θ? ?? ?= + + - + - -? ?? ?? ??? ?- - -? ??? ?& &&& &&（ 9）从上式（ 9）可以看出只需要知道1θ &和1θ &&即第一臂的加速度和角加速度就可以得到硅片传输机器人径向直线运动部件运动所需要的驱动力矩。 这对于该部件驱动电机的选择具有指导意义。 同时， 动力学方程的建立对于该类型机器人及其控制具有重要的意义。 尤其在于控制和保证机器人保持优良的动态性能和静态特性 , 研究机器人的工作精度、稳定性、空间分辨率等具有重要意义 [ ]5 。3.3 末端翻转部件 末端翻转部件的结构如图 3 所示， 当末端执行器 18 利用真空将硅片吸附后， 由翻转气缸 16 驱动，转动 180°，再运动下一工位。真空的产生是由真空发生器来实现。翻转气缸有 0°和 180°两个极限位置， 其位置信号的作用是通知控制器翻转动作是否可靠到位。 为了在臂体内布置气动管路和翻转气缸的信号线采用中空的旋转接头作为过渡。 旋转接头由同步齿形带轮 12， 旋转阀芯 13，O形密封圈组成。两个气压管路，一个真空管路通过管接头与旋转接头相连，避免了气管相对末端执行器转台 14 转动所引起的管线缠绕。信号线通过旋转阀芯的中空部分与气动管路会合，经过中空的前臂小带轮轴 19，与交流伺服电机的电源线和控制线一起经过中空的滚珠花键 5 引入到基体内。 3.4 控制系统设计 本方案采用交流伺服电机，控制系统采用 PMAC多轴控制器＋ PC 上位机 . 上位 PC通过 RS232接口将运动程序下载道 PMAC中的 FLASH中。 PMAC运行该程序，控制伺服电机的运动。气缸的运动由PMAC中的通用 I/O 口，控制固体继电器操作电磁阀动作，完成气缸的翻转。同样，真空吸附也由PMAC中的通用 I/O 口，控制固体继电器操作电磁阀动作，完成真空的生成和释放。 4 结论 本方案在满足设计要求的同时， 充分考虑到性能价格比， 采用目前国内市场上比较成熟的部件，缩短设计周期，采用模块化设计，方便安装调试。该机器人的主体结构采用高强度铝合金，降低了重量，保证了刚性。本文通过对机构进行以运动学和动力学分析，为径向直线运动的设计提供理论指导，并据此采用更加合理的结构，使得所需的零部件具有良好的加工工艺性，保证了传动精度，获得了良好的效果。实践证明，本方案的径向伸缩运动的直线精度达到了设计要求。本文对硅片传输机器人的设计进行了有益的探索，为实现国产化打下了坚实的基础。参考文献 : 1 李正贤 . 一种机械手式上下片传输机构 . 电子工业专用设备， 1995， 24（ 4） ： 32-33. 2 哈尔滨工业大学理论力学教研室编 . 《理论力学》第四版 . 北京：高等教育出版社， 1993. 3 Saeed B.Niku 著 . 孙富春，朱纪洪，刘国栋等译 . 机器人学导论 - 分析、系统及应用 . 北京：电子工业出版社， 2004： 108， 113-115. 4 殷际英，何广平 . 关节型机器人 . 北京：化学工业出版社， 2003： 53. 5 谈世哲， 杨汝清 . 基于 SCARA本体的开放式机器人运动学分析与动力学建模， 组合机床与自动化加工技术， 2001， 10： 22-25.