CN102601801B - 单轴回转式机械手臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微电子制造设备技术领域，具体地说是一种单轴回转式机械手臂，包括机械手臂外罩、安装在机械手臂外罩内的无杆气缸、旋转气缸、主轴和振荡机构，所述机械手臂外罩安装在清洗设备上部的防护隔层上，所述无杆气缸配合连接旋转汽缸，所述旋转汽缸通过齿轮组连接主轴，所述主轴上设有振荡机构，所述主轴下端穿过机械手臂外罩的主轴伸出口，主轴伸出口与主轴II之间设有密封件；本发明同现有技术相比，结构新颖、简单，由于实现了主运动和振荡运动的分离，不仅在竖直轴向具有比较高的耐用性，而且实现了对振荡频率的调节，且保养和维修方便。

Description

单轴回转式机械手臂

[技术领域]

本发明涉及微电子制造设备技术领域，具体地说是一种单轴回转式机械手臂。

[背景技术]

随着机器人行业的高速发展，机械人和机械手臂的品种和数量急剧增长，比较典型的有直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、SCARA型和关节型，其中关节型和SCARA型是目前应用领域最为广泛数量也最多，根据2004年世界范围内装备的机械手和机器人的统计，关节型占62.5％，SCARA型占11.6％。为符合电子零组件和集成电路制造业中的对于零件搬运的要求，1987年，日本山梨大学的Makino教授及其学生研制出一种SCARA Robot，由于SCARA只在平面上具有很高的灵活性，而且在与平面垂直的方向具有很高的刚性，因此被大量应用于半导体行业中的装配和搬运作业。

但由于清洗设备的搬运环境具有腐蚀性气体，清洗工序中常见的振荡工序要求机械手臂既能够在竖直轴向(Z轴)具有比较高的耐用性，又可根据工序的要求实现对振荡频率的调节，而典型的SCARA Robot很难在相对低成本的条件下同时满足上诉要求。而且，目前半导体业用湿制和清洗设备大多内置式搬运机械手臂，由于长期在酸气环境中运行，增加了机械手臂酸气防护难度和使用寿命，同时由于制程设备内部结构紧凑，使得保养和维修工作异常困难。

手臂一体化设计使得竖直方向的上升下降运动和振荡运动使用同一运动组件和动力组件，长期运行振荡方向运动机构较易出现局部老化现象，此外由于振荡运动至少需要使用变速马达甚至是伺服电机，主运动和振荡运动整合后电气控制部分的设计难度也会大大增加。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种单轴回转式机械手臂，不仅在竖直轴向具有比较高的耐用性，而且实现了对振荡频率的调节，且保养和维修方便。

为实现上述目的本发明设计一种单轴回转式机械手臂，包括机械手臂外罩、安装在机械手臂外罩内的无杆气缸、旋转气缸、主轴和振荡机构，所述机械手臂外罩安装在清洗设备上部的防护隔层上，所述无杆气缸配合连接旋转汽缸，所述旋转汽缸通过齿轮组连接主轴，所述主轴上设有振荡机构，所述振荡机构包括振荡套筒、振荡连杆、减速箱、变速刹车马达及变频器，所述主轴由主轴I和主轴II组成，所述主轴I下端连接振荡套筒，所述振荡套筒下端连接主轴II，所述主轴II下端依次穿过机械手臂外罩底部、防护隔层，所述主轴II与机械手臂外罩底部、防护隔层的连接处分别设有密封件，所述振荡连杆位于机械手臂外罩内的下部，所述振荡连杆一端靠近主轴II，所述振荡连杆一端在手臂运行到下工作位置时托住与主轴II连接的振荡套筒后带动主轴II进行振荡运动，其他工作位置并不相连，所述振荡连杆另一端连接减速箱，所述减速箱连接变速刹车马达，所述变速刹车马达由电路连接变频器。

所述无杆气缸为磁耦式带导轨型无杆气缸。

所述旋转气缸为叶片式旋转气缸。

所述叶片式旋转气缸上设有缓冲装置及光学传感器。

所述主轴II的表面上设有防酸保护层。

所述主轴II的表面上包覆层PFA热缩管。

所述密封件采用可调位式四氟密封圈及密封圈固定块。

所述变速刹车马达采用伺服电机替代。

本发明同现有技术相比，结构新颖、简单，由于实现了主运动和振荡运动的分离，从而保证了在竖直轴向具有比较高的耐用性，并可根据工序的要求实现对振荡频率的调节，且大大降低了对电气控制部分的设计难度，使得气动控制运动速度调试和维护方便；整体安装在清洗设备上部，避开了工作区域和管道区域的腐蚀性工作环境，方便了保养和维护工作；以及PFA热缩管包覆，降低了防腐蚀成本和保证主轴的光洁度；此外，由于清洗设备中零件搬运大多为距离角度固定的往复运动，与工业用机械手臂的动力输出大多为电机相比，本发明所述的单轴回转式机械手臂提升和旋转的主运动均采用气缸，则大大降低了系统的整体成本和系统设计的难度。

[附图说明]

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中升降运动示意图一；

图3是本发明中升降运动示意图二；

图4是本发明中旋转运动示意图；

图5是本发明中振荡运动示意图一；

图6是本发明中振荡运动示意图二；

图中：1、无杆气缸  2、旋转气缸  3、主轴II  4、振荡连杆  5、主轴I6、振荡套筒  7、变频器  8、变速刹车马达9、减速箱  10、密封件  11、机械手臂外罩  12、清洗设备  13、防护隔层  14、工作区  15、清洗槽及管道区  16、密封件。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作以下进一步说明：

如附图1至附图6所示，本发明所述的单轴回转式机械手臂包括：包括机械手臂外罩11、安装在机械手臂外罩内的无杆气缸1、旋转气缸2、主轴和振荡机构，所述机械手臂外罩11安装在清洗设备12上部的防护隔层13上，所述无杆气缸配合连接旋转汽缸，所述旋转汽缸通过齿轮组连接主轴，所述主轴上设有振荡机构，所述振荡机构包括振荡套筒6、振荡连杆4、减速箱9、变速刹车马达8及变频器7，所述主轴由主轴I 5和主轴II3组成，所述主轴II的表面上包覆层PFA热缩管。所述主轴I下端连接振荡套筒6，所述振荡套筒下端连接主轴II，所述主轴II下端依次穿过机械手臂外罩底部、防护隔层，所述主轴II与机械手臂外罩底部、防护隔层的连接处分别设有密封件10、16，所述振荡连杆位于机械手臂外罩内的下部，所述振荡连杆一端靠近主轴II，所述振荡连杆一端在手臂运行到下工作位置时托住与主轴II连接的振荡套筒6后带动主轴II进行振荡运动，其他工作位置并不相连，所述振荡连杆另一端连接减速箱，所述减速箱连接变速刹车马达，所述变速刹车马达由电路连接变频器。所述无杆气缸为磁耦式带导轨型无杆气缸。所述旋转气缸为叶片式旋转气缸。所述叶片式旋转气缸上设有缓冲装置及光学传感器。所述密封件10、16采用可调位式四氟密封圈及密封圈固定块。

另外，本发明的变速刹车马达还可以采用伺服电机替代。

本发明所述的单轴回转式机械手臂类似于圆柱坐标机械手臂，但与其不同的是，单轴回转式机械手臂仅有一个关节是移动副，一个关节是转动副。由于一般的清洗槽间的搬运距离和位置是固定，不需要形成圆柱坐标系，所以单轴回转式机械手臂的设计取消了典型的圆柱坐标式机械手臂拥有2个移动副的特点。作为零件搬运作业的基本动作，轴向快速上升下降和平面方向的定角度旋转，使用旋转和直线气缸来保证运动过程的稳定和运动速度的调节。

作为腐蚀环境用搬运机械手臂的重要设计边界，确保酸气防护的效果的同时，为降低制作难度和整体成本以及便于维护的考虑，本发明所述的机械手臂设计安置在清洗设备上部，同时作为终端工件搬运动作连接者的主轴对其进行密封防护，配合主轴伸出位置的密封结构，达到机械手臂整体防酸的效果。

密封结构为清洗设备搬运机械手臂的重中之重，为满足防腐蚀效果需要在金属材质的主轴表面进行四氟材质(如PFA薄膜或者粉末)的处理，本发明选择对应主轴直径热缩后内壁尺寸小0.5-2mm的PFA热缩管来进行包覆，可以大大降低防腐蚀表面处理的成本；另外，对于外置式机械手臂外罩的主轴伸出口，采用四氟(PFTE)密封圈及密封圈固定块孔位调节，吸收装配误差，配合顶部放置的防酸气效果可额外追加使用氮气输入形成正压进一步优化防腐蚀密封效果。

本发明中，对于升降运动的实现，无杆气缸由于推缸内置，具有节省空间的特点，同时由于推缸两侧受压面积相等，推力相同，有利于提高定位精度，而无杆气缸一般分为机械式和磁耦式，机械式的承载和抗扭矩能力虽然强，但是有轻微外漏，两端结构较大会增加机械手臂的竖直高度。为进一步减小竖直运动件所占的空间，本发明采用磁耦式无杆型气缸来对应上升下降。同时，磁耦式无杆气缸对于机械式无杆气缸的无外泄的特点特别适用于SEMI认证标准中的设备运动中打断，运动件中位停止的需求。大多数清洗设备由于清洗对象的尺寸关系清洗槽体设计深度一般都比较长，故导致缸径行程长，一般需要额外布置导轨，以进行导向确保运动的准确和稳定性。为降低手臂的整体制造成本和降低制造装配难度，竖直向主运动的外购件特别适用强力磁石型磁耦式带导轨型无杆气缸，如对象件重量过大也可更换机械式无杆气缸。

本发明中，对于旋转运动的实现，由于旋转动力件将与负载、主轴以及振荡连杆在同一运动平台上被无杆气缸推动所以为了降低总体重量和所占空间的体积，采用输出效率相对较低(低于80％)的叶片式旋转气缸，同时由于清洗件大多为精密部件气缸需要配置缓冲装置，并使用直接式位移测量，如在移动终端布置光学传感器来确定转动角度的正确性。

本发明中，对于振荡运动的实现，使用变频器对应变速刹车马达或伺服电机以及振荡机构来达到相对低成本的振荡频率和振荡次数的控制，同时，振荡机构与手臂主运动部件采用套筒结构的形成两段式主轴，实现振荡运动和主运动的分离，使得手臂整体的耐用性和振荡机构的可互换性大大提高。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单轴回转式机械手臂，包括机械手臂外罩、安装在机械手臂外罩内的无杆气缸、旋转气缸、主轴和振荡机构，其特征在于：所述机械手臂外罩安装在清洗设备上部的防护隔层上,所述无杆气缸配合连接旋转气缸，所述旋转气缸通过齿轮组连接主轴，所述主轴上设有振荡机构，所述振荡机构包括振荡套筒、振荡连杆、减速箱、变速刹车马达及变频器，所述主轴由主轴Ⅰ和主轴Ⅱ组成，所述主轴Ⅰ下端连接振荡套筒，所述振荡套筒下端连接主轴Ⅱ，所述主轴Ⅱ下端依次穿过机械手臂外罩底部、防护隔层，所述主轴Ⅱ与机械手臂外罩底部、防护隔层的连接处分别设有密封件，所述振荡连杆位于机械手臂外罩内的下部，所述振荡连杆一端靠近主轴Ⅱ，所述振荡连杆另一端连接减速箱，所述减速箱连接变速刹车马达，所述变速刹车马达由电路连接变频器。

2.如权利要求1所述的单轴回转式机械手臂，其特征在于：所述无杆气缸为磁耦式带导轨型无杆气缸。

3.如权利要求1或2所述的单轴回转式机械手臂，其特征在于：所述旋转气缸为叶片式旋转气缸。

4.如权利要求3所述的单轴回转式机械手臂，其特征在于：所述叶片式旋转气缸上设有缓冲装置及光学传感器。

5.如权利要求4所述的单轴回转式机械手臂，其特征在于：所述主轴Ⅱ的表面上设有防酸保护层。

6.如权利要求5所述的单轴回转式机械手臂，其特征在于：所述主轴Ⅱ的表面上包覆层PFA热缩管。

7.如权利要求3所述的单轴回转式机械手臂，其特征在于：所述密封件采用可调位式四氟密封圈及密封圈固定块。

8.如权利要求1所述的单轴回转式机械手臂，其特征在于：所述变速刹车马达采用伺服电机替代。

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