CN105742220A - 一种无接触输运与定位平台装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无接触输运与定位平台装置及控制方法，该装置包括运输平台、位于运输平台下方的固定平台和位于固定平台下方的基座，所述固定平台通过固定平台支撑与基座连接，所述运输平台上设有若干个凹槽，每个凹槽设有进气孔和出气孔，所述进气孔与进气软管连接，进气软管与正压气源连接，所述出气孔与出气软管连接，出气软管与负压气源连接。本发明的一种无接触输运与定位平台装置，由于空气在凹槽内呈水平流动状态，因此，可以最大程度地利用气流粘性力驱动工件运动，获得较大的运动加速度，这可以实现真正意义上的完全无接触，气流与半导体工件接触时不易产生静电污染，接触点附近不易导致应力集中。

Description

一种无接触输运与定位平台装置及控制方法

技术领域

本发明涉及无接触输运与定位平台装置及控制方法，属于半导体硅片的无接触输运与定位技术领域。

背景技术

新一代硅片制造要求其在生产传输过程中必须采用无摩擦非接触的方式以确保表面清洁无损伤。如何实现极脆极薄的硅片的安全运输与定位是一项非常重要的制造装配技术，是保证生产效率和良品率的关键一环。传统的接触式定位方式(采用滚轮、吸盘等接触方式)容易造成半导体工件表面出现刮痕、裂纹，同时还存在静电和金属污染等诸多问题，已无法适应当前技术发展的需求。新一代硅片制造对定位系统提出了高精度、高洁净和高可靠性的要求，无摩擦非接触的方式在满足这些技术要求方面具有极大优势。

当前流行的非接触式输运与定位方式是采用伯努利或旋回流真空吸盘从硅片上方实施吸附抓取。但是，这类抓取的方式在移动过程中很容易导致吸附力不稳定，存在晶圆易脱落等隐患，必须通过定位销或橡胶垫对其进行限位，否则工件极易发生侧滑脱落。另有一种利用空气静压轴承来实现无接触传输与定位的方式，通过小孔或多孔质节流元件从物体下方进行供气，在物体和装置之间形成一层空气压力薄膜从而达到减少表面接触的效果，目前已成功应用于玻璃基板生产线上。上述两种气浮方式的共同之处在于工件上下表面压力差仅起到平衡重力的作用，而工件在水平方向上的移动仍必须依靠机械接触方可实现。严格来说，这并未实现真正意义上的完全无接触。如图1所示，装置4与工件20之间的气膜仅起支撑作用，工件20通过电机驱动滚轮1进行输运，由于与滚轮1相接触，工件20易刮伤、变形或损坏。如图2所示，利用伯努利真空吸盘1对半导体工件3进行抓取，工件3与定位销2处于接触状态，否则工件容易发生侧滑脱落。此外，这类工作方式还需要另行设计驱动工件运动的可移动平台，如机械手臂，滑台等，导轨运动部件的存在大幅增加了整体平台的重量，也极易破坏工作环境的清洁度。

现有这种悬浮传输设备中，较为典型的有如中国专利申请“一种气悬浮装置”(申请公布号为CN201961843U，申请公布日为：2011年9月7日)、“气悬浮传送装置”(申请公布号为CN102363476A，申请公布日为：2012年2月29日)、“浮起装置及输送装置”(申请公布号为CN1966371B，申请公布日为：2012年8月15日)、“无触碰抓持工具”(申请公布号为CN102107782A，申请公布日为：2011年6月29日)、“涡流形成体和非接触式运送装置”(申请公布号为CN102083720A，申请公布日为：2011年6月1日)。

在现有技术中，还有一类气浮非接触式输运方式，如图3所示，在装置1表面开设斜向喷嘴2，通过斜向喷嘴2在工件3下方喷射定向气流，利用空气流动的粘性牵引作用从而驱动工件20运动。尽管利用斜向喷流可以实现对物体进行驱动，然而，这种技术方案存在如下问题：

1)喷嘴射出的气流流量较小，驱动能力有限，工件运动加速度小；2)斜向气流存在水平分量和竖直分量，其中竖直分量容易造成工件不稳定扰动现象的出现；3)从喷嘴射出的高速气流与半导体工件接触时容易产生静电污染，同时在接触点附近容易导致应力集中。4.喷嘴气流方向受限，不利于对工件进行运动控制。

在现有技术中，还有一种利用气流粘性力驱动工件做无接触运动的装置“一种气浮输运装置”(申请公布号为201410626307.2)，虽然该方式能够实现无接触运输，但是缺少物件的位姿检测和控制功能，无法实现对物件进行精确定位，此外，驱动单元采用全部供气的方式也导致耗气量大幅增加。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种无接触输运与定位平台装置，可以最大程度地利用气流粘性力驱动工件运动，获得较大的运动加速度，实现真正意义上的完全无接触。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种无接触输运与定位平台装置，包括运输平台、位于运输平台下方的固定平台和位于固定平台下方的基座，所述固定平台通过固定平台支撑与基座连接，所述运输平台上设有若干个凹槽，每个凹槽设有若干组成对的进气孔和出气孔，所述进气孔与进气软管连接，进气软管与正压气源连接，所述出气孔与出气软管连接，出气软管与负压气源连接；所述正压气源通过连接软管与正压减压阀连接，正压减压阀的输出端通过流量计的进气软管相连，流量计的输出端通过阀座汇流板的进气软管相连并通过阀座汇流板与气动电磁阀组连接，气动电磁阀组通过进气软管与进气孔连接；所述运输平台一侧设有若干个红外线发射装置，在运输平台相对的一侧设有红外接收装置，红外接收装置与控制器连接，控制器与输出驱动模块连接，输出驱动模块与气动电磁阀组连接。

作为优选，所述负压气源为真空泵，通过连接软管与负压减压阀相连，负压减压阀的出口与流量计的出气软管相连，流量计的入口与汇流板的出气软管相连，出气软管与气动电磁阀组连接，气动电磁阀通过软管与出气孔连接，气动电磁阀与输出驱动模块连接。

作为优选，所述运输平台通过调平螺母与固定平台连接。

一种上述的无接触输运与定位平台装置的控制方法，包括以下步骤：

1)红外发射装置发射红外线，当运送的物体通过时，红外接收装置接收不了红外线，控制器记录起始时刻，控制器物体的当前实际位置；

2)根据步骤1获得的物体的当前实际位置代入控制系统的坐标系中检测是否需要改变期望运动轨迹，如为正，进入步骤3，如为负，进入步骤4；

3)根据任务要求重新设置期望运动轨迹，对期望运动轨迹进行轨迹规划和轨迹整形，进入步骤4；

4)获得当前时间点的参考状态量，根据参考状态量和实际状态量计算物体位移偏差e(t)；

5)位移偏差量e(t)作为输入传入控制器中，由PID控制器计算控制量等式中PID控制器的比例系数K_P、积分时间常数T_I、微分时间常数T_D通过试凑法预先设定以满足系统要求；

6)根据控制量u(t)通过输出模块驱动电磁阀组工作，物体在气流驱动力的作用下移动；

7)检测是否到达目标位置，如为否，则继续重复步骤1-6；若为是，则进入步骤8；

8)检测是否需要保存数据，若为是，进入步骤9，如为否，进入步骤10；

9)向文件写上述实时采样的实际状态量、参考状态量和控制量等数据，文件保存结束后，进入步骤10；

10)输运任务结束，停止。

在本发明中，所述输运平台包含一个表面光滑的平板，平板表面呈对称分布的多个凹槽单元，各凹槽之间通过平板表面相互分隔。平板表面的凹槽可以是圆形、正方形、回字型或十字型，凹槽深度一般小于200微米。在凹槽内部成对开设进气孔和出气孔，在进气孔和出气孔所处的平板底面上开设有螺纹，用于连接气接头进行供气。进气孔供应正压力，出气孔供应负压力。每个凹槽的进气孔和出气孔均单独通过一个两位三通电磁换向阀与气源正压和负压相连通，通过对阀进行控制可以改变槽内气流方向。

本发明中，气动电磁阀组中的电磁阀为两位三通电磁阀，两位三通阀的一端与气源正压连接，一端与气源负压连接，通过控制电磁阀来实现正压与负压的切换。气管将通气孔与电磁阀相连接，压缩空气进气软管和压缩空气排气软管通过电磁换向阀与气源正压和负压连通。

所述输出驱动模块为电路放大板，可以为多通道隔离数字输出卡或多通道非隔离TTL输出卡，用于将控制器信号进行放大输出驱动电磁阀动作。

所述控制器为工控机、单片机或可编程控制器，其功能有：良好的人机界面交互，物件的运动状态控制与显示，数据保存等。

当给出输运物体的目标位移和期望路径时，利用多个红外发射和接收装置，将物体的实际位置代入控制系统的坐标系中；对物件的期望位姿轨迹进行轨迹规划，得到参考位姿轨迹，为控制器的设计提供参考状态量。通过物体在系统坐标系的位置可以得到与目标位置的偏差值，用实际位姿减去参考位姿得到误差状态量e(t)；通过PID控制系统的运算得到气动电磁阀组的控制量u(t)，通过输出放大模块驱动电磁阀动作；对于不同的物件，PID控制参数通过试凑法预先设定以满足系统快速性、准确性和稳定性的要求。

本发明中，将位于同列的电磁阀统一编码，以列或驱动单元个数为基本变换单位切换正负压气源。这样可以实现列或不同驱动单元的任意组合，而不同的正负压气源组合会产生不同的粘性驱动力，对物体运动状态的影响也各不相同，从而能够使物体达到加速、减速甚至静止的运动状态满足系统输运与定位的要求。初始状态时所有电磁阀全部开启通入压缩空气形成气垫，使物体保持恒定悬浮；输入物体目标位置后高速相机传感器会得到物体当前位置并进行反馈与运动目标相比较得到误差值，由PID控制器计算得出的控制量u并对其取整。以列为基本变换单位进行控制时，控制量u与电磁阀组的对应相应的规则。u为0时，所有电磁阀均接通正压，此时物体不受驱动力作用；u为+1至+4变化时，物体受到其下方的1列至4列的单元内的粘性气流驱动将向右运动，即，u越大，驱动单元列数越多，驱动力也就越大。相反，u为-1至-4变化时，物体受到其下方的1列至4列的单元内的粘性气流驱动将向左运动。所述控制量整数与阀的列数或驱动单元个数是对应关系。(图13中原来标注有步骤序号，个人认为这样更好理解)

有益效果：本发明的无接触输运与定位平台装置及控制方法，具有以下优点：

1.由于空气在凹槽内呈水平流动状态，因此，可以最大程度地利用气流粘性力驱动工件运动，获得较大的运动加速度，这可以实现真正意义上的完全无接触，气流与半导体工件接触时不易产生静电污染，接触点附近不易导致应力集中。

2.气浮式具有清洁无污染、不发热、不生磁等优点，且气动系统较易维持，构建简单。不存在导轨运动部件，大幅降低了整体平台的重量，也极大提高了工作环境的清洁度。

3.进气孔和排气孔采用独立供气的方式，控制方式灵活。驱动单元和支撑单元布置很容易实现，可以实现高精度的非接触式输运工件，满足半导体元件传输的要求。该方式具有驱动力强，控制性能优良，不易引入扰动等优势。

4.基于多阀协调规则设计PID控制器，解决系统参数不确定、模型过于复杂和干扰对控制性能的影响问题，抑制半导体硅片在输运与定位过程中不稳定振动现象的发生，从而实现运动状态的高精度控制。

附图说明

图1是现有气浮输运装置工作情形之一的示意图；

图2是现有气浮输运装置工作情形之二的示意图；

图3是现有气浮输运装置工作情形之三的示意图；

图4为本发明的结构示意图；

图5为本发明机械部分的侧视图；

图6为本发明机械部分的主视图；

图7为本发明机械部分的俯视图；

图8为本发明机械部分的左视图；

图9为本发明的物件输运状态示意图；

图10为本发明机械部分的局部剖视图；

图11以列作为基本变换单位的控制量输入方式图；

图12以驱动单元个数作为基本变换单位的控制量输入方式图；

图13非接触式气浮输运控制平台的输运PID控制方法的程序流程图。

具体实施方式

如图4至图10所示，本发明的无接触输运与定位平台装置中，输运平台2通过调平螺母3支撑于固定平台4上方，调平螺母3可调节输运平台2水平度；固定平台4与基座8通过带螺纹的固定平台支撑15刚性连接，形成一个安装气动电磁阀组7和管路的空间，气动电磁阀组7、流量计6a、6b、阀座汇流板9、减压阀5a、5b安装在基座8上。

所述正压气源通过连接软管15a与正压减压阀5a相连，正压减压阀5a的输出端通过流量计的进气软管14a相连，流量计6a的输出端通过阀座汇流板9a的进气软管13a相连并通过阀座汇流板9b与气动电磁阀组7连接；负压气源为真空泵，通过连接软管15b与负压减压阀5b相连，减压阀5b的出口与流量计6b的出气软管14b相连，流量计6b的入口与汇流板的出气软管13b相连。

所述气动电磁阀组7的控制端口与输出转换模块10的输出端口电连接，输出转换模块10的输入端口与控制器11的输出端口连接，高速摄像机1的传输端口与输入转换模块12的输入端口相连，输入转换模块12的输出端口与控制器11的输入端口连接。

所述非接触式气浮输运控制平台的电控部分包括输出转化模块10、控制器11、输入转化模块。输出转化模块10由多通道数字输出卡及相关电路组成，用于传输气动电磁阀组的控制量。输入转化模块由红外发射装置和红外接收装置组成用于物体位移的采集，根据物体阻挡红外，利用红外接收装置的位置信息可以精确知道物体的位置。控制器11为工控机、单片机或可编程控制器。输运与定位平台控制系统的位移控制根据实时采集的物体位移，代入坐标系中获得误差值，根据一定的控制要求和控制算法，输出气动电磁阀组的控制变量，从而改变驱动单元内气体粘性力的方向和大小，最终实现对物体位移的控制。

图9和图10所示是一个包含36个具有相同结构的凹槽驱动单元的气浮输运与定位装置结构示意图及其局部剖视图。参照图10，平板表面开设有呈对称分布的正方形凹槽1-1，凹槽1-1边长为13毫米，深度200微米。在凹槽1-1内部成对开设进气孔1-2和出气孔1-3，直径均为2毫米，进气孔1-2和出气孔1-3所处的平板底面上开设有螺纹，用于与进气软管和排气软管连通。进气孔1-2供应正压力，出气孔1-3供应负压力。各凹槽1-1之间通过导轨表面1-4相互分隔。若装置表面放置有工件20，当压缩空气从进气孔1-2和1-5输入时，由于凹槽1-1底面与工件20下表面所形成的流道较宽，流阻小，绝大部分空气便从出气孔1-3和1-6排出，少量空气流入到工件20与平板表面所构成的缝隙中，形成一层空气压力薄膜，使工件20与平台表面不发生任何接触。空气在凹槽1-1内从进气孔1-2向出气口1-3流动时，其粘性效果会使工件20受到力作用，从而使工件20运动。每个进气孔和出气孔均通过两位三通电磁阀与气源正压和负压相连通。通过控制电磁阀的通断可以改变每个凹槽单元内的气流粘性力方向，使工件20朝着一定的方向运动。

图11所示为以列作为基本变换单位进行控制时，控制量u与电磁阀组的对应规则。u为0时，所有电磁阀均接通正压，此时物体不受驱动力作用；u为+1至+4变化时，物体受到其下方的1列至4列的单元内的粘性气流驱动将向右运动，即，u越大，驱动单元列数越多，驱动力也就越大。图中黑色实心圆点表示通入负压，空心为正压。相反，u为-1至-4变化时，物体受到其下方的1列至4列的单元内的粘性气流驱动将向左运动。

图12所示也是控制量u与电磁阀组的对应规则。它与图11不同的是以驱动单元个数作为基本变换单位进行控制。u为0时，所有电磁阀均接通正压，此时物体不受驱动力作用；u为+1至+8变化时，驱动单元数目越多，驱动力也就越大。相反，u为-1至-8变化时，反向驱动的单元数目越多。

如图13所示，一种无接触输运与定位平台装置的控制方法，包括以下步骤：

1控制器通过高速摄像机拍摄运输平台获取物体的当前实际位置；

2根据步骤1获得的物体的当前实际位置代入控制系统的坐标系中检测是否需要改变期望运动轨迹，如为正，进入步骤3，如为负，进入步骤4；

3根据任务要求重新设置期望运动轨迹，对期望运动轨迹进行轨迹规划和轨迹整形，进入步骤4；

4获得当前时间点的参考状态量，根据参考状态量和实际状态量计算物体位移偏差e(t)；

5位移偏差量e(t)作为输入传入控制器中，由PID控制器计算控制量等式中PID控制器的比例系数K_P、积分时间常数T_I、微分时间常数T_D通过试凑法预先设定以满足系统要求；

6根据控制量u(t)通过输出模块驱动电磁阀组工作，物体在气流驱动力的作用下移动；

7检测是否到达目标位置，如为否，则继续重复步骤1-6；若为是，则进入步骤8；

8检测是否需要保存数据，若为是，进入步骤9，如为否，进入步骤10；

9向文件写上述实时采样的实际状态量、参考状态量和控制量等数据，文件保存结束后，进入步骤10；

10输运任务结束，停止。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种无接触输运与定位平台装置，其特征在于：包括运输平台、位于运输平台下方的固定平台和位于固定平台下方的基座，所述固定平台通过固定平台支撑与基座连接，所述运输平台上设有若干个凹槽，每个凹槽设有若干组成对的进气孔和出气孔，所述进气孔与进气软管连接，进气软管与正压气源连接，所述出气孔与出气软管连接，出气软管与负压气源连接；所述正压气源通过连接软管与正压减压阀连接，正压减压阀的输出端通过流量计的进气软管相连，流量计的输出端通过阀座汇流板的进气软管相连并通过阀座汇流板与气动电磁阀组连接，气动电磁阀组通过进气软管与进气孔连接；所述运输平台一侧设有若干个红外线发射装置，在运输平台相对的一侧设有红外接收装置，红外接收装置与控制器连接，控制器与输出驱动模块连接，输出驱动模块与气动电磁阀组连接。

2.根据权利要求1所述的无接触输运与定位平台装置，其特征在于：所述负压气源为真空泵，通过连接软管与负压减压阀相连，负压减压阀的出口与流量计的出气软管相连，流量计的入口与汇流板的出气软管相连，出气软管与气动电磁阀组连接，气动电磁阀通过出气软管与出气孔连接，气动电磁阀与输出驱动模块连接。

3.根据权利要求1所述的无接触输运与定位平台装置，其特征在于：所述运输平台通过调平螺母与固定平台连接。

4.一种如权利要求2所述的无接触输运与定位平台装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)红外发射装置发射红外线，当运送的物体通过时，红外接收装置接收不了红外线，控制器记录起始时刻，控制器物体的当前实际位置；

2)根据步骤1获得的物体的当前实际位置代入控制系统的坐标系中检测是否需要改变期望运动轨迹，如为正，进入步骤3，如为负，进入步骤4；

3)根据任务要求重新设置期望运动轨迹，对期望运动轨迹进行轨迹规划和轨迹整形，进入步骤4；

4)获得当前时间点的参考状态量，根据参考状态量和实际状态量计算物体位移偏差e(t)；

5)位移偏差量e(t)作为输入传入控制器中，由PID控制器计算控制量等式中PID控制器的比例系数K_P、积分时间常数T_I、微分时间常数T_D通过试凑法预先设定以满足系统要求；

6)根据控制量u(t)通过输出模块驱动电磁阀组工作，物体在气流驱动力的作用下移动；

7)检测是否到达目标位置，如为否，则继续重复步骤1-6；若为是，则进入步骤8；

8)检测是否需要保存数据，若为是，进入步骤9，如为否，进入步骤10；

9)向文件写上述实时采样的实际状态量、参考状态量和控制量等数据，文件保存结束后，进入步骤10；

10)输运任务结束，停止。