CN103560102A - 一种机械手操作系统 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种机械手操作系统，包括真空腔室、位于真空腔室内的双头机械手以及位于真空腔室外的驱动装置，所述的双头机械手和驱动装置之间设有传动装置，驱动装置通过传动装置将动力传递至双头机械手，并驱动所述双头机械手进行双向伸缩、升降和／或旋转，所述传动装置包括至少一个波纹管，该波纹管密封于所述驱动装置和双头机械手之间。由于采用了波纹管密封，故而能在真空度优于10-8Pa的超高真空环境中使用。又由于双头机械手的双头伸缩模式能传送两种不同类型的物品，既提高了操作效率，又提高了灵活性，比如其一头可用来传送较重的样品托，另一头可用来传送较小的样品。而且，最大传送距离大于真空腔室的半径，可达到腔体半径的1.6倍，最大程度的利用所在腔室的空间。

Description

一种机械手操作系统
技术领域
本发明涉及一种机械手，尤其涉及一种机械手操作系统。
背景技术
随着半导体技术的发展，对相关设备的真空水平要求越来越高。这是因为，真空环境可以减少周围气氛的影响。如在真空室内的压强为10-4Pa时，基底表面1秒钟就可以覆盖1个残余气体的单分子层，因此超高真空条件下沉积薄膜可以减少残余气体的参与和影响，减少表面和界面的杂质和缺陷。而在真空室内的压强为10-8Pa时，在基底上覆盖一层需要8.5小时，故已成为半导体器件制造设备的主流。在器件制造的工艺过程中，需要使用机械传动装置来传送样品，如将芯片从镀膜设备送到刻蚀设备等。所以这种能在10-8Pa下使用的真空机械手需求日趋明显。
真空传动设计中，最关键的是密封问题。目前使用较多的有磁流体密封、磁力耦合密封等方式。磁流体密封由于材料性质的限制，只能密封到10-5Pa～10-6Pa，而磁力耦合方式由于磁力滞后效应，无法实现高精度、实时的精密操作。
国内真空机械手产品最高真空度只能到10-6Pa。国外有少量产品可以实现此真空度下的样品传送，但存在以下不足：蛙式的机械手结构较为紧凑，但传送距离小于腔体直径；直线型的机械手传送距离可以大于一个半径，但都为单头模式，只能对一种类型的样品进行传送，产品产出率低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种可实现升降、旋转、双向伸缩的双头机械手，其不仅提高了操作效率和灵活性，而且可以在超高真空环境下使用。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：一种机械手操作系统，包括真空腔室、位于真空腔室内的双头机械手以及位于真空腔室外的驱动装置，所述的双头机械手和驱动装置之间设有传动装置，驱动装置通过传动装置将动力传递至双头机械手，并驱动所述双头机械手进行双向伸缩、升降和／或旋转，所述传动装置包括至少一个波纹管，该波纹管密封于所述驱动装置和双头机械手之间。
此外，本发明还提供如下附属技术方案：
所述驱动装置包括第一、第二、第三伺服电机，所述至少一个波纹管包括第一、二波纹管，所述第一、二伺服电机分别与所述第一、二波纹管相连接。
所述传动装置还包括旋转部件，所述第一伺服电机通过第一波纹管驱动所述旋转部件，所述旋转部件带动所述双头机械手旋转。
所述传动装置还包括伸缩部件，所述第二伺服电机通过第二波纹管驱动所述伸缩部件，所述伸缩部件带动所述双头机械手进行双向伸缩。
所述传动装置还包括丝杆丝母，所述第三伺服电机驱动所述丝杆丝母并带动所述双头机械手整体升降。
所述双头机械手采用C型钢结构，并且其一侧固定连接有齿条。
所述机械手操作系统还包括传送装置，所述传送装置包括导轨和分别安装在所述导轨两端的一对滑块，所述双头机械手在所述导轨上滑动，所述滑块上下两面夹持所述双头机械手。
所述机械手操作系统还包括光电传感器，所述光电传感器控制所述驱动装置的转动，实现对所述双头机械手的限位。
所述机械手操作系统还包括密封装置，所述密封装置包括密封板、密封套筒以及升降波纹管，所述密封套筒的上下两端分别与所述升降波纹管和所述密封板相固定连接。
所述机械手操作系统还包括支撑基座，所述支撑基座设置在所述驱动装置的上方和所述密封板下方。
所述双头机械手工作在真空腔室内，所述双头机械手的传送距离大于所述真空腔室的半径。
所述真空腔室内的真空度优于或等于10-8Pa。
相比于现有技术，本发明的优势在于：该机械手操作系统包括真空腔室、位于真空腔室内的双头机械手以及位于真空腔室外的驱动装置，该双头机械手和驱动装置之间设有传动装置，驱动装置通过传动装置将动力传递至双头机械手，并驱动双头机械手进行双向伸缩、升降和／或旋转，传动装置包括至少一个波纹管，该波纹管密封于驱动装置和双头机械手之间。由于双头机械手为双头伸缩模式，所以能传送两种不同类型的物品，既提高了操作效率，又提高了灵活性，比如其一头可用来传送较重的样品托，另一头可用来传送较小的样品。而且，最大传送距离大于真空腔室的半径，可达到腔体半径的1.6倍，最大程度的利用所在腔室的空间。又由于采用了波纹管密封技术，所以能在真空度优于10-8Pa的超高真空环境中使用。
附图说明
图1为对应于本发明较佳实施例的机械手操作系统立体图。
图2是图1的部分内部结构图。
图3是图1的部分内部结构图。
图4是图3中的外层轴立体图。
图5是图1的部分内部结构图。
具体实施方式
以下结合较佳实施例及其附图对本发明技术方案作进一步非限制性的详细说明。
参照图1所示，对应于本发明较佳实施例的机械手操作系统，主要用于在超高真空环境中运输物品。该机械手操作系统的底部主要有驱动装置1，并且主要包括第一伺服电机11、第二伺服电机111和第三伺服电机1111，此三个伺服电机为该机械手操作系统的动力源，并且全部工作在真空环境之外。在驱动装置1附近设置有光电传感器40。在驱动装置1的上方并靠近该机械手操作系统的中部有一块支撑基座2，该支撑基座2固定安装在工作台上，起到防止抖动的作用。在支撑基座2上是密封装置3，密封装置3相对于支撑基座2可进行上下升降，并且密封装置3起到使真空环境与自然环境相隔离的作用。从下往上，密封装置3依次包括密封板4、套筒5、升降波纹管6，其之间相互紧密地固定连接，连接方式可采用在连接处加工刀口法兰加夹无氧铜圈，然后再使用螺钉固定。升降波纹管6与真空腔室(图未示)相固定连接，这样真空腔室与密封装置3的内腔连通，密封装置3的内部便形成了一个真空环境，又由于采用的是波纹管，故而可承受优于或等于10-8Pa的真空环境。该机械手操作系统的顶部被真空腔室盖罩，其主要有传送装置7和在传送装置7上滑动的双头机械手8，其中双头机械手8采用C型钢结构，并且是双头伸缩结构。
由图1至图5可知，在密封装置3内有导致双头机械手8发生旋转和／或伸缩的传动装置9，而根据实现的功能不同，传动装置9又分为旋转部件10和伸缩部件11，其中旋转部件10和伸缩部件11主要安装在密封板4上。具体地，旋转部件10包括第一主动轮22、与第一主动轮22相啮合的第一从动轮33以及与第一从动轮33相固定连接的外层轴13。其中，第一从动轮33为内齿轮，又由图4可知，外层轴13的内部呈中空状并且整体形状大致呈T形，半径大的一端与第一从动轮33相固定连接，半径小的一端与导轨7相固定连接。伸缩部件11包括第二主动轮222、与第二主动轮222相啮合的第二从动轮333、内层轴14以及第一伞形齿轮44，其中内层轴14的两端分别连接第二从动轮333和第一伞形齿轮44。内层轴14位于外层轴13内，并通过上、下轴承组15、16相连接，但是两轴之间采用的是双层转轴的方式，即两轴的转动相互不干扰。
传动装置9还包括工作在密封装置3之外的第一波纹管55、第二波纹管555以及丝杆丝母(图未示)。其中，第一、二波纹管55、555均为偏心波纹管，并且第一波纹管55的一端与第一伺服电机11相连接，另一端与第一主动轮22相连接，第二波纹管555的一端与第二伺服电机111相连接，另一端与第二主动轮222相连接，丝杆丝母与第三伺服电机1111相连接。由于采用的是偏心波纹管，于是在利用焊接式波纹管的柔韧性进行偏心旋转的同时也起到了密封的作用，承受优于或等于10-8Pa的真空环境。
进一步参照图3和图5，传送装置7包括导轨17、分别安装在导轨17两端的一对滑块18、安装在导轨17底面的转轴19以及安装在导轨17两端并与转轴19相连接的齿轮组20。双头机械手8安装在导轨17上，并由滑块18支撑，在本实施例中一个滑块18主要包括3对上下相互对称的轴承组21。由于滑块18采用双轴承上下支撑双头机械手8，增强了双头机械手8的稳定性以及滑动性。又由于双头机械手8采用了C型钢结构，故而双头机械手8的传送距离可大于真空腔室半径的1.5倍，并且弯曲变形量小，可以更好的来回滑动。又由于双头机械手8采用了双头模式，故而双头机械手8能传送两种不同类型的物品。在双头机械手8的一侧固定连接有齿条22；在转轴19的中段安装第二伞形齿轮444，以及两端分别安装齿轮23。
由图3可知，外层轴13通过一根连接柱24与导轨17相固定连接，连接方式可采用螺钉连接。由图5可知，第一伞形齿轮44与第二伞形齿轮444相啮合，齿轮23与齿轮组20相啮合，而齿轮组20又与齿条22相啮合。
为了确保该机械手操作系统工作环境的真空度，故而本发明中的传送装置7、双头机械手8以及传动装置9均采用在真空度中放气率低的金属材料制作而成，最佳实施例是采用不锈钢材料。套设在内层轴14上的上、下轴承组15、16以及滑块18上的轴承组21均采用陶瓷材料或者不锈钢材料制作而成。
本发明机械手操作系统按下述方式进行工作：
双头机械手8的旋转运动：第一伺服电机11主轴旋转，通过第一波纹管55带动第一主动齿轮22旋转，与第一主动齿轮22相啮合的第一从动轮33旋转，与第一从动轮33固定的外层轴13跟着旋转，从而带动整个传送装置7以及双头机械手8一起转动。由于外层轴13与内层轴14是靠着上、下轴承组15、16相连接来实现相对转动和支撑的，故而在外层轴13旋转时，内层轴14并不转动。这个旋转运动实现了机械手能往水平360度任何角度位置传送样品。
双头机械手8的伸缩运动：第二伺服电机111主轴旋转，通过第二波纹管555带动第二主动轮222旋转，与第二主动轮22相啮合的第二从动轮333旋转，继而带动内层轴14转动。内层轴14随之转动，带动第一伞齿轮44转动，通过与第一伞齿轮44啮合的第二伞齿轮444转动，实现转轴19、齿轮23以及齿轮组23的转动，最终通过与齿轮组23啮合的齿条22，实现双头机械手8往任何一个方向的伸长或收缩。
双头机械手8的升降运动：支撑基座2固定在工作台上不动，第三伺服电机1111旋转，通过丝杆丝母(图未示)，抬升或降低密封密封板4，从而密封板4以上的各个部件随之上升或下降，实现双头机械手8的升降。但是由于升降波纹管6的一端与真空腔室固定连接，由于焊接式波纹管具有可压缩性，从而升降波纹管6被压缩或伸长。光电传感器40实时监控所述双头机械手8的升降，当升降到一定距离时，便控制第三伺服电机1111停止转动，防至双头机械手8的升降幅度超过真空腔室。
需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种机械手操作系统，其特征在于：包括真空腔室、位于真空腔室内的双头机械手以及位于真空腔室外的驱动装置，所述的双头机械手和驱动装置之间设有传动装置，驱动装置通过传动装置将动力传递至双头机械手，并驱动所述双头机械手进行双向伸缩、升降和／或旋转，所述传动装置包括至少一个波纹管，该波纹管密封于所述驱动装置和双头机械手之间。
2.根据权利要求1所述的机械手操作系统，其特征在于：所述驱动装置包括第一、第二、第三伺服电机，所述至少一个波纹管包括第一、二波纹管，所述第一、二伺服电机分别与所述第一、二波纹管相连接。
3.根据权利要求2所述的机械手操作系统，其特征在于：所述传动装置还包括旋转部件，所述第一伺服电机通过第一波纹管驱动所述旋转部件，所述旋转部件带动所述双头机械手旋转。
4.根据权利要求2所述的机械手操作系统，其特征在于：所述传动装置还包括伸缩部件，所述第二伺服电机通过第二波纹管驱动所述伸缩部件，所述伸缩部件带动所述双头机械手进行双向伸缩。
5.根据权利要求2所述的机械手操作系统，其特征在于：所述传动装置还包括丝杆丝母，所述第三伺服电机驱动所述丝杆丝母并带动所述双头机械手整体升降。
6.根据权利要求1所述的机械手操作系统，其特征在于：所述双头机械手采用C型钢结构，并且其一侧固定连接有齿条。
7.根据权利要求1所述的机械手操作系统，其特征在于其还包括传送装置，所述传送装置包括导轨和分别安装在所述导轨两端的一对滑块，所述双头机械手在所述导轨上滑动，所述滑块上下两面夹持所述双头机械手。
8.根据权利要求1所述的机械手操作系统，其特征在于其还包括光电传感器，所述光电传感器控制所述驱动装置的转动，实现对所述双头机械手的限位。
9.根据权利要求1所述的机械手操作系统，其特征在于其还包括密封装置，所述密封装置包括密封板、密封套筒以及升降波纹管，所述密封套筒的上下两端分别与所述升降波纹管和所述密封板相固定连接。
10.根据权利要求9所述的机械手操作系统，其特征在于其还包括支撑基座，所述支撑基座设置在所述驱动装置的上方和所述密封板下方。
11.根据权利要求1所述的机械手操作系统，其特征在于：所述双头机械手工作在真空腔室内，所述双头机械手的传送距离大于所述真空腔室的半径。
12.根据权利要求1所述的机械手操作系统，其特征在于：所述真空腔室内的真空度优于或等于10-8Pa。
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