CN101664928B - 一种真空机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业用机器人，是在半导体集束型设备中用于在不同加工模块之间传输硅片的一种真空机器人。其特征是它由Z向升降机构I、θ向旋转机构II、R向直线伸缩机构III和末端执行器IV组成，利用同心三轴磁流体密封装置实现机器人R、θ及Z向动力传输过程中的完全动密封，以保证工作空间的高真空度及高洁净度。控制系统采用由人机交互层、运动规划层、运动控制层、伺服控制层构成的层次化控制结构。该机器人具有结构简单、灵活可靠，占地空间小、工作空间较大、运动惯量小等诸多特点，可实现径向直线伸缩、旋转和升降等三种高速高精度运动。

Description

一种真空机器人

技术领域

本发明属于工业机器人技术领域，涉及一种用于硅片传输的真空机器人，具体是指在半导体集束型设备中用于在不同加工模块之间传输硅片的一种真空机器人。

背景技术

集成电路(IntegratedCircuithttp://dict.baidu.com/s？wd＝integrated+circuit&tn＝dict，IC)制造产业的快速发展，促使IC制造技术及其装备不断的革新进步。特别是当今半导体硅片的直径、质量和制造工艺的逐步提高，对IC制造装备的速度、精度、真空度以及洁净度提出了更高的要求。半导体集束型设备是IC制造中必不可少的组成部分，而真空机器人在该设备中占有重要的地位，其任务是实现硅片快速、精确、平稳的传输。真空机器人自身要具备升降、旋转以及径向直线伸缩等三种运动，最终由其末端执行器完成硅片的搬运操作。

国内外相关机构在该技术领域已做了一些研究，已有技术如下：

一种平面多关节机器人，专利公开号：101176993A，其主要的技术特征是：Z向升降运动由升降电机通过同步齿形带驱动丝杆丝母垂直移动来实现。θ向旋转运动由内轴电机、外轴电机同速同向旋转合成。R向伸缩运动由内轴电机、外轴电机同速反向旋转合成。该专利有效的解决了在高真空、高洁净度环境中传输硅片的问题，结构刚性好，运动灵活。但由于Z向升降机构要承担内轴、外轴旋转驱动装置的重量，造成Z向负载变大，从而使运动惯量变大，影响Z向运动的平稳性和高速性。

工业机器人(Industrial Robot)，专利公开号：US20070151388A1，其主要的技术特征是：旋转轴与旋转套筒、旋转套筒与固定套筒间设有旋转磁流体密封装置，波纹管为直线运动密封装置，安装于固定套筒与外套筒之间。该工业机器人同时采用旋转和直线两种密封装置，增加了结构的复杂度，波纹管的使用限制了机器人Z向的运动行程，在大气压力的作用下，反复使用易产生疲劳损坏，且增加了制作成本。

传输机器人(Transfer Robot)，专利公开号：US6190114B1，其主要的技术特征是：采用两轴磁流体密封，利用内、外轴旋转运动转化为手臂的R向直线和θ向旋转运动。该真空机器人只限于在水平二维平面内进行旋转和直线运动，没有Z方向的升降运动，所以其运动范围、工作空间有限。

发明内容

针对上述已有技术的不足，本发明提供了一种能够适用于高真空度、高洁净度生产环境的用于半导体硅片搬运的真空机器人，该机器人具有结构简单新颖、运动灵活可靠、占地空间小、工作空间较大、运动惯量小等特点，实现Z向升降、R向直线伸缩和θ向旋转等三种高速高精度运动，同时也适用于其他需要小型机器人的行业和场合。

本发明的技术方案如下：

该真空机器人是由Z向升降机构、R向直线伸缩机构、θ向旋转机构和末端执行器组成，真空密封采用同心三轴磁流体密封装置。

Z向升降机构由Z向伺服电机、Z向同步齿型带轮减速机构、滚珠丝杠副、Z向支撑筒、内轴滑筒、内轴直线导轨副、内轴滑筒压盖、外轴滑筒和外轴直线导轨副组成。Z向伺服电机通过Z向同步齿型带轮减速机构与滚珠丝杠相连，丝杠螺母与Z向支撑筒固联，Z向支撑筒、内轴滑筒及外轴滑筒之间通过交叉滚子轴承相连，内轴滑筒压盖与内轴滑筒固连，内轴与内轴滑筒之间通过内轴直线导轨副相连，外轴与外轴滑筒之间通过外轴直线导轨副相连。

R向直线伸缩机构由外轴伺服电机、外轴谐波减速器、外轴同步齿型带轮减速机构、外轴、外轴直线导轨副、外轴滑筒和臂体机构组成。外轴伺服电机安装在伺服电机支撑平台上，伺服电机支撑平台与二级机座支撑台固联，外轴伺服电机通过外轴谐波减速器和外轴同步齿型带轮减速机构与外轴相连，外轴通过外轴直线导轨副和外轴滑筒与臂体机构的大臂体相连。臂体机构由大臂体、一级行星轮系、小臂体、二级行星轮系、过渡板、末端执行器组成。大臂体通过一级行星轮系与小臂体相连，小臂体再通过二级行星轮系与末端执行器相连。

θ向旋转机构由内轴旋转机构与R向直线伸缩机构组成。内轴旋转机构包括内轴伺服电机、内轴谐波减速器、内轴同步齿型带轮减速机构、内轴、内轴直线导轨副、内轴滑筒和内轴滑筒压盖组成。内轴伺服电机固联在伺服电机支撑平台上，并通过内轴谐波减速器和内轴同步齿型带轮减速机构与内轴相连，内轴通过内轴直线导轨副、内轴滑筒、内轴滑筒压盖与臂体机构中一级行星轮系的大同步齿型带轮相连。

同心三轴磁流体密封装置由分别布置于滚珠丝杠、内轴、外轴上的三个单轴磁流体密封组成。单轴磁流体密封结构由深沟球轴承、轴套、永磁体、磁极和齿形轴套组成。两个磁极与永磁体相连并分布在永磁体的两侧，深沟球轴承通过轴套与磁极相连，磁流体加注于磁极与齿形轴套的间隙内。

浮环密封装置安装于套筒内侧，同时使外轴滑筒与浮环密封装置在径向上保持较小的间隙。

Z向升降机构通过丝杠角接触球轴承与一级机座支撑台相连，R向直线伸缩机构通过外轴交叉滚子轴承与二级机座支撑台相连，内轴旋转机构通过内轴交叉滚子轴承与一级机座支撑台相连。滚珠丝杠、内轴、外轴以及套筒之间均通过同心三轴磁流体密封装置相连。交叉滚子轴承可使内轴、内轴滑筒、外轴、外轴滑筒在轴向和径向保持稳定，并防止整个臂体机构产生相对于水平面的倾斜。

本发明的效果和益处是：

(1)本真空机器人结构简单新颖、运动惯量小、工作空间大、应用真空度与洁净度高，可实现R向、θ向和Z向高速高精度运动。

(2)在机座内设计安装同心三轴磁流体密封装置，在保证制造环境真空度的同时防止大气侧以及由传动装置产生的尘埃粒子进入高洁净的真空室，从而有利于真空室系统的维护。

(3)用于实现Z向升降运动的滚珠丝杠副位于真空机器人的真空侧部位，仅承受臂体机构、滑筒以及Z向支撑筒的重量，可大大减小机器人的Z向负载及运动惯量。

(4)用于实现Z向导向功能的滚珠直线导轨副安装于套筒内部，使得真空机器人结构紧凑，节省占地空间。

(5)本真空机器人中位于真空侧的部件所需润滑处均采用耐真空、洁净润滑脂，保证能够在高真空、高洁净度生产环境中使用。

(6)臂体机构内的同步齿形带均采用钢带，避免与齿轮之间由于摩擦产生尘埃，确保生产环境的洁净度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的Z向升降机构剖视图。

图3是本发明的R向直线伸缩机构和θ向旋转机构剖视图。

图4(a)是本发明的臂体机构的主视图。

图4(b)是本发明的臂体机构的俯视图。

图5是本发明的磁流体密封装置剖视图。

图6是本发明的套筒的结构剖视图。

图7是本发明的各向驱动部件的分布示意图。

图1中：I Z向升降机构，IIθ向旋转机构，III R向直线伸缩机构，IV末端执行器。

图2中：1一级机座支撑台，2Z向同步齿型带轮减速机构，3Z向伺服电机，4滚珠丝杠，5丝杠螺母，6Z向支撑筒，7内轴滑筒，8外轴滑筒，9内轴滑筒压盖，10大臂体，11外轴直线导轨副，12内轴直线导轨副。

图3中：13外轴伺服电机，14外轴谐波减速器，15外轴同步齿型带轮减速机构，16外轴磁流体密封结构，17外轴，18丝杠磁流体密封结构，19内轴磁流体密封结构，20内轴伺服电机，21内轴，22内轴谐波减速器，23内轴同步齿型带轮减速机构，24.二级机座支撑台。

图4中：25小臂体，26过渡板，27末端执行器，28一级行星轮系，29二级行星轮系。

图5中：30深沟球轴承，31轴套，32永磁体，33磁极，34齿形轴套。

图6中：35浮环密封装置，36套筒。

图7中：37伺服电机支撑平台。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

如图1所示，本发明的真空机器人是由Z向升降机构I，R向直线伸缩机构III、θ向旋转机构II以及末端执行器IV组成，真空密封采用同心三轴磁流体密封装置，浮环密封装置辅助防尘。

具体动作过程如下：

Z向运动：Z向伺服电机3通过Z向同步齿型带轮减速机构2带动滚珠丝杠4旋转，丝杠螺母5通过Z向支撑筒6带动臂体机构以及与其固联的内轴滑筒7和外轴滑筒8沿机座中心轴方向进行升降运动。滚珠丝杠4通过交叉滚子轴承与一级机座支撑台1相连，一级机座支撑台1通过二级机座支撑台24与伺服电机支撑平台37相连。内轴滑筒7与内轴21之间通过内轴直线导轨副12相连，外轴滑筒8与外轴17之间通过外轴直线导轨副11相连。Z向运动时内轴直线导轨副12及外轴直线导轨副11的滑块沿各自直线导轨运动，完成Z向上的导向功能。内轴直线导轨副12和外轴直线导轨副11分别有三组，在内轴21及外轴17的圆周方向上成120°均匀分布。

R向运动：外轴伺服电机13经外轴谐波减速器14和外轴同步齿型带轮减速机构15减速后驱动外轴17旋转，外轴17通过外轴直线导轨副11驱动外轴滑筒8以及与其固联的大臂体10围绕机座中心轴进行旋转。大臂体10经一级行星轮系28驱动小臂体25旋转，小臂体25经二级行星轮系29及过渡板26驱动末端执行器27运动。在大臂体10、小臂体25的共同作用下完成了末端执行器27的直线伸缩运动。

θ向运动：内轴伺服电机20经内轴谐波减速器22和内轴同步齿型带轮减速机构23减速后驱动内轴21旋转，内轴21通过内轴直线导轨副12驱动内轴滑筒7以及与其固联的内轴滑筒压盖9围绕机座中心轴进行旋转，进而带动臂体机构中一级行星轮系的大同步齿型带轮旋转。与此同时，控制系统控制臂体机构的大臂体10围绕机座中心轴进行旋转，旋转方向及角速度与一级行星轮系的大同步齿型带轮相同。这样，一级行星轮系的小同步齿型带轮的自转将被解藕，大臂体10和小臂体25中的同步齿型带相对于各自对应的同步齿型带轮保持静止，真空机器人在避免R向运动的同时完成θ向运动。

同心三轴磁流体密封装置：由分别布置于滚珠丝杠4、内轴21、外轴17上的丝杠磁流体密封结构18、内轴磁流体密封结构19和外轴磁流体密封结构16组成，Z向伺服电机3、内轴伺服电机20以及外轴伺服电机13的旋转动力均经过同心三轴磁流体密封装置由大气侧传递至真空侧。磁流体密封结构由深沟球轴承30、轴套31、永磁体32、磁极33和齿形轴套34组成。利用永磁体32在齿形轴套34和磁极33间的密封间隙内产生强磁场，将磁流体固定在密封间隙内，堵住泄漏通道，从而起到真空密封的效果。为避免磁通泄露，内轴21、外轴17、套筒36均采用隔磁的铝制材料。为减弱三个永磁体之间的磁场耦合，三个永磁体在机座中心轴方向上采用交错布置。

浮环密封装置：安装于套筒36内侧，使外轴滑筒8与浮环密封装置35在径向上保持较小的间隙，辅助同心三轴磁流体密封装置对内轴直线导轨副12及外轴直线导轨副11所产生的尘埃进行密封。

本发明的真空机器人的控制器选用位置控制模式。控制系统由四个层次构成，即：人机交互层(PC机)、运动规划层、运动控制层(MPC02运动控制卡)、伺服控制层。人机交互层(PC机)用于进行任务规划，形成机器人运动所需空间直线、圆弧参数，包括起点、终点等位姿参数，并负责控制系统的实时监控方面的工作。运动规划层根据空间直线、圆弧特征参数，进行在线运动规划、逆运动学求解、选出控制解等，形成各关节电机的位置。运动控制层(MPC02运动控制卡)是基于主控微机(PC机)PCI总线的数字式伺服电机的上位控制单元，从运动规划层接收到关节电机位置作为给定，以光电编码盘测量到的关节电机实际位置作为反馈，通过插值和D/A转换形成模拟量的速度信号，实现闭环控制。伺服控制层以运动控制层的速度信号作为给定，以测量到的关节电机实际速度作为反馈，由伺服控制与放大器实现速度伺服控制。

Claims (2)

1.一种真空机器人，包括Z向升降机构(I)、R向直线伸缩机构(III)、θ向旋转机构(II)和末端执行器(27)，真空密封采用同心三轴磁流体密封装置，其特征在于：

Z向升降机构包括Z向伺服电机(3)、Z向同步齿型带轮减速机构(2)、滚珠丝杠(4)、丝杠螺母(5)、Z向支撑筒(6)、内轴滑筒(7)、内轴滑筒压盖(9)、内轴直线导轨副(12)、外轴滑筒(8)和外轴直线导轨副(11)；所述Z向伺服电机(3)通过Z向同步齿型带轮减速机构(2)与滚珠丝杠(4)相连，丝杠螺母(5)与Z向支撑筒(6)固联，Z向支撑筒(6)、内轴滑筒(7)及外轴滑筒(8)之间通过交叉滚子轴承相连，内轴滑筒(7)与内轴滑筒压盖(9)固连，内轴(21)与内轴滑筒(7)之间通过内轴直线导轨副(12)相连，外轴(17)与外轴滑筒(8)之间通过外轴直线导轨副(11)相连；

R向直线伸缩机构由外轴伺服电机(13)、外轴谐波减速器(14)、外轴同步齿型带轮减速机构(15)、所述外轴(17)、所述外轴直线导轨副(11)、所述外轴滑筒(8)、臂体机构组成；外轴伺服电机(13)安装在伺服电机支撑平台(37)上，伺服电机支撑平台(37)与二级机座支撑台(24)固联，外轴伺服电机(13)通过外轴谐波减速器(14)和外轴同步齿型带轮减速机构(15)与外轴(17)相连，外轴(17)通过外轴直线导轨副(11)和外轴滑筒(8)与臂体机构的大臂体(10)相连；臂体机构由大臂体(10)、一级行星轮系(28)、小臂体(25)、二级行星轮系(29)、过渡板(26)、末端执行器(27)组成；大臂体(10)通过一级行星轮系(28)与小臂体(25)相连，小臂体(25)再通过二级行星轮系(29)与所述末端执行器(27)相连；

θ向旋转机构由内轴旋转机构与R向直线伸缩机构组成；内轴旋转机构包括内轴伺服电机(20)、内轴谐波减速器(22)、内轴同步齿型带轮减速机构(23)、所述内轴(21)、所述内轴直线导轨副(12)、所述内轴滑筒(7)和所述内轴滑筒压盖(9)组成；内轴伺服电机(20)固联在所述伺服电机支撑平台(37)上，并通过内轴谐波减速器(22)和内轴同步齿型带轮减速机构(23)与内轴(21)相连，内轴(21)通过内轴直线导轨副(12)、内轴滑筒(7)、内轴滑筒压盖(9)与臂体机构中一级行星轮系(28)的大同步齿型带轮相连；

同心三轴磁流体密封装置由分别布置于所述滚珠丝杠(4)、所述内轴(21)、所述外轴(17)上的三个单轴磁流体密封结构组成，Z向伺服电机(3)、内轴伺服电机(20)以及外轴伺服电机(13)的旋转动力均经过同心三轴磁流体密封装置由大气侧传递至真空侧；单轴磁流体密封结构由深沟球轴承(30)、轴套(31)、永磁体(32)、磁极(33)和齿形轴套(34)组成；磁极(33)与永磁体(32)相连并分布在永磁体(32)的两侧，深沟球轴承(30)通过轴套(31)与磁极(33)相连，磁流体加注于磁极(33)与齿形轴套(34)的间隙内；永磁体(32)在齿形轴套(34)和磁极(33)间的密封间隙内产生强磁场，将磁流体固定在密封间隙内，堵住泄漏通道；用于实现Z向导向功能的外轴直线导轨副(11)和内轴直线导轨副(12)安装于套筒内部；内轴(21)、外轴(17)、套筒(36)均采用隔磁的铝制材料；三个永磁体在机座中心轴方向上采用交错布置。

2.按照权利要求1所述的真空机器人，其特征在于：用于实现Z向升降运动的滚珠丝杠(4)位于机器人的真空侧部位。

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