CN112919140A - 一种近场悬浮与静压吸附相耦合的悬浮抓取系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近场悬浮与静压吸附相耦合的悬浮抓取系统，包括超声悬浮激励装置、静压吸附装置、控制系统、机械臂。超声悬浮激励装置连接机械臂；超声悬浮激励装置包括压电换能器、辐射盘，压电换能器连接辐射盘。在辐射盘上均匀开设若干气孔，同时作为静压吸附装置的吸附盘。控制系统连接超声悬浮激励装置和静压吸附装置。在运动过程中根据运动速度和压电换能器的姿态不同，调节静压吸附装置产生的静压力和超声悬浮激励装置产生的悬浮力，并且由于真空吸附和高频振动挤压气膜会产生指向盘心的粘性力，使物体在机械臂运动时始终位于辐射盘面内，提高了运输过程中被悬浮物体的稳定性。

Description

一种近场悬浮与静压吸附相耦合的悬浮抓取系统

技术领域

本发明涉及一种悬浮抓取系统，属于无接触运输领域。

背景技术

当前在晶圆、精密光学器件等行业，对产品表面质量要求较高，以半导体晶圆为例，在制作晶圆的过程中要求表面不能有任何划伤，晶圆在制作过程中的表面划伤也是半导体晶圆的生产存在良品率的原因之一，目前晶圆的运输方式以接触式真空吸附为主，各国和相关企业也在不断研发和改进晶圆的加工工艺和设备。晶圆的运输作为生产中的一个重要环节，减少抓取运输过程中的晶圆的损伤对提高良品率，降低成本有着重要作用。传统的运输方式无法实现非接触运输，只能通过单一的真空吸附，容易对产品造成损伤；而单一地采用超声波近场悬浮技术，无法保持在运输过程中被悬浮物体的稳定性。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种近场悬浮与静压吸附相耦合的悬浮抓取系统，能够保持在运输过程中被悬浮物体的稳定性。

技术方案：一种近场悬浮与静压吸附相耦合的悬浮抓取系统，包括超声悬浮激励装置、静压吸附装置、控制系统、机械臂；所述超声悬浮激励装置连接所述机械臂；所述超声悬浮激励装置包括压电换能器、辐射盘，所述压电换能器连接所述辐射盘，在所述辐射盘上均匀开设若干气孔，同时作为所述静压吸附装置的吸附盘；所述控制系统连接所述超声悬浮激励装置和静压吸附装置。

进一步的，所述超声悬浮激励装置还包括稳压电源、超声信号发生器；所述压电换能器包括超声波变幅杆、节面法兰、若干压电陶瓷片、若干电极片、绝缘套管、后盖板、预紧螺栓；所述超声波变幅杆、绝缘套管、后盖板从上至下依次设置，所述压电陶瓷片和电极片交替叠加套接在所述绝缘套管上，并通过底部的所述预紧螺栓连接所述超声波变幅杆来产生预紧力；所述辐射盘连接在所述超声波变幅杆的顶部；所述节面法兰与超声波变幅杆一体式加工，所述超声悬浮激励装置通过所述节面法兰连接所述机械臂；所述电极片与所述稳压电源电连接，所述超声信号发生器连接所述稳压电源，所述稳压电源的控制端连接所述控制系统。

进一步的，所述静压吸附装置还包括气管、分接头、调压阀、电磁阀、真空泵；所述辐射盘上的各气孔沿辐射盘的厚度方向开设，并从辐射盘的背面分别通过气管连接到分接头，所述分接头、调压阀、电磁阀、真空泵依次连接；所述调压阀的控制端连接所述控制系统。

进一步的，所述辐射盘和超声波变幅杆采用同种材料，所述超声波变幅杆头部加工有螺纹，与所述辐射盘通过螺纹连接。

进一步的，所述气孔通过粘接剂与气管柔性密封连接。

进一步的，所述超声悬浮激励装置的辐射盘表面产生垂直于盘面的悬浮力；所述静压吸附装置通过真空吸附在所述辐射盘表面产生垂直于盘面的静压力；通过所述悬浮力、静压力、超声波和真空吸附挤压气膜产生的粘性力以及物体的重力作用悬浮在所述辐射盘表面；在运动过程中根据运动速度和所述压电换能器的姿态不同，调节所述静压吸附装置产生的静压力和所述超声悬浮激励装置产生的悬浮力，并且超声波和真空吸附挤压气膜同时产生粘性力，使所述物体在机械臂运动时始终位于所述辐射盘面内。

进一步的，所述控制系统采用神经网络控制算法控制所述超声悬浮激励装置和静压吸附装置。

有益效果：1、本发明直接在辐射盘上加工气孔，同时作为静压吸附装置的吸盘用。压电换能器产生的超声频振动会引起辐射盘振动，继而产生垂直于盘面的悬浮力；通过真空吸附产生静压力，将物体吸附在距辐射盘一定高度处，且该装置具有自动调整被悬浮物体位置的能力，保持被运输物体始终位于辐射盘面内，提高了运输过程中被悬浮物体的稳定性。

2、本发明工作介质为空气，使用安全可靠且结构设计简单，适于普遍推广使用。

3、本发明对被悬浮物体的材料和工作环境没有特殊要求，且对周围设备影响较小。

4、通过样品多次试验可知，本发明的压电换能器工作在超声频范围，噪音小。

5、通过样品多次试验可知，本发明在正常工作状态下的悬浮高度能够达微米级。

6、本发明可以通过更换不同形状的辐射盘，对不同的物体进行悬浮。

附图说明

图1是本发明的系统示意图；

图2是本发明中机械臂与压电换能器连接结构示意图；

图3是本发明的辐射盘为圆盘形时的结构示意图；

图4是本发明中辐射盘的不同形状及开孔方式的结构示意图；

图5是本发明中压电换能器的主视结构示意图；

图6是本发明中的圆盘形辐射盘安装在压电换能器上的主视结构示意图；

图7是本发明中的图6的剖视图；

图8是本发明中气管与气孔连接示意图；

图9是本发明的辐射盘的振动示意图；

图10是本发明进行垂直抓取运输时物体的受力图；

图11是本发明与水平面成45°角进行抓取运输时物体的受力图；

图12是本发明压电陶瓷叠堆的激励方式示意图；

图13是本发明中电极片的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种近场悬浮与静压吸附相耦合的悬浮抓取系统，包括超声悬浮激励装置1、静压吸附装置2、控制系统3、机械臂4。

如图5至图7所示，超声悬浮激励装置1包括压电换能器、辐射盘1-2、稳压电源1-10、超声信号发生器1-11。压电换能器包括超声波变幅杆1-3、节面法兰1-4、若干压电陶瓷片1-5、若干电极片1-6、绝缘套管1-7、后盖板1-8、预紧螺栓1-9。超声波变幅杆1-3、绝缘套管1-7、后盖板1-8从上至下依次设置，压电陶瓷片1-5和电极片1-6交替叠加套接在绝缘套管1-7上，并通过底部的预紧螺栓1-9连接超声波变幅杆1-3来产生预紧力。其中，电极片1-6采用如图13所示的铜制圆形电极片；相邻两片压电陶瓷片1-5的极性相反，如图12所示。多片压电陶瓷片1-5中的最顶部的一片与超声变幅杆1-3的下端面相接触，多片压电陶瓷片1-5中最底部一片与后盖板1-8的上端面相接触。

节面法兰1-4与超声波变幅杆1-3一体式加工。超声悬浮激励装置1通过节面法兰1-4连接机械臂4，如图2所示。机械臂的类型可根据具体的要求而定，如三自由机械臂。辐射盘1-2和超声波变幅杆1-3采用同种材料，超声波变幅杆1-3头部加工有螺纹，与辐射盘1-2通过螺纹连接。在辐射盘1-2上均匀开设若干气孔1-1，同时作为静压吸附装置2的吸附盘。

压电换能器的电极片1-6与稳压电源1-10连接，超声信号发生器1-11连接稳压电源1-10，稳压电源1-10的控制端连接控制系统3。当采用超声信号发生器1-11和稳压电源1-10产生的高频交流电对压电陶瓷片1-5进行激励，从而在辐射盘1-2的表面产生垂直于盘面的悬浮力。如图9所示为辐射盘的振动示意图，虚线表示振幅最大时盘面的变形量。

静压吸附装置2还包括气管2-1、分接头2-2、调压阀2-3、电磁阀2-4、真空泵2-5。辐射盘1-2上的+各气孔1-1沿辐射盘1-2的厚度方向开设，并从辐射盘1-2的背面分别通过气管2-1连接到分接头2-2，气孔1-1与气管2-1采用粘接剂1-12进行柔性密封连接。分接头2-2、调压阀2-3、电磁阀2-4、真空泵2-5依次连接，调压阀2-3的控制端连接控制系统3。真空泵2-5开启后，控制系统3根据压电换能器的姿态反馈，对调压阀2-3的开闭程度进行调节，控制在辐射盘1-2表面产生的真空度，改变产生的指向盘面的静压力。

本实施例中的辐射盘1-2为圆形，并开设3个气孔1-1，该3个气孔位于一个等边三角形的定点处，该等边三角形的中心与辐射盘1-2的圆心重合。此外，辐射盘1-2的形状可根据实际需要进行更换，如方形；其上的气孔1-1也可根据实际需要设计为多个，如图4所示。

本发明的悬浮抓取系统工作方式为：当需要进行拾取物体5时，机械臂4先进行运动，将超声悬浮激励系统1中的压电换能器和辐射盘1-2调整角度停在预定位置，当压电换能器的压电陶瓷片1-5受高频交流电压激励时，压电陶瓷片1-5会产生厚度方向的超声频振动。由于多片压电陶瓷片形成的叠堆与超声波变幅杆1-3和后盖板1-8通过预紧螺栓1-9压紧为一体，压电陶瓷片1-5产生的振动在超声波变幅杆1-3和后盖板1-8中传播，由于后盖板1-8声阻率较高，超声波变幅杆1-3及辐射盘1-2声阻率较低，绝大部分振动通过超声波变幅杆1-3向辐射盘1-2传播，辐射盘1-2受到振动在盘面产生挤压气膜，此时超声悬浮激励系统1产生悬浮力可以将物体悬浮，使物体5与辐射盘1-2盘面存在一定间隙。在真空泵2-5通电开始工作后，真空泵2-5在辐射盘1-2面形成一定的真空度，使物体5上表面产生挤压气膜，挤压气膜产生的静压力将物体5压紧。通过悬浮力、静压力以及物体5的重力作用使物体能够悬浮在辐射盘1-2表面，实现无接触运输。

在机械臂运动过程中，如图10、图11所示，根据超声悬浮激励系统1中辐射盘1-2与水平面所成的角度不同，控制系统3通过超声换能器的姿态反馈，对调压阀2-3和稳压电源1-10进行控制，调节真空吸附系统2产生的静压力和超声悬浮激励系统1产生的悬浮力，并且由于超声悬浮激励系统1和真空吸附系统2工作产生的挤压气膜存在向心的粘性力，因此本发明在运输过程中存在自调心能力，使被悬浮物体5在机械臂运动时始终位于辐射盘1-2面内。

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 (7)

1.一种近场悬浮与静压吸附相耦合的悬浮抓取系统，其特征在于：包括超声悬浮激励装置(1)、静压吸附装置(2)、控制系统(3)、机械臂(4)；所述超声悬浮激励装置(1)连接所述机械臂(4)；所述超声悬浮激励装置(1)包括压电换能器、辐射盘(1-2)，所述压电换能器连接所述辐射盘(1-2)，在所述辐射盘(1-2)上均匀开设若干气孔(1-1)，同时作为所述静压吸附装置(2)的吸附盘；所述控制系统(3)连接所述超声悬浮激励装置(1)和静压吸附装置(2)。

2.根据权利要求1所述的近场悬浮与静压吸附相耦合的悬浮抓取系统，其特征在于：所述超声悬浮激励装置(1)还包括稳压电源(1-10)、超声信号发生器(1-11)；所述压电换能器包括超声波变幅杆(1-3)、节面法兰(1-4)、若干压电陶瓷片(1-5)、若干电极片(1-6)、绝缘套管(1-7)、后盖板(1-8)、预紧螺栓(1-9)；所述超声波变幅杆(1-3)、绝缘套管(1-7)、后盖板(1-8)从上至下依次设置，所述压电陶瓷片(1-5)和电极片(1-6)交替叠加套接在所述绝缘套管(1-7)上，并通过底部的所述预紧螺栓(1-9)连接所述超声波变幅杆(1-3)来产生预紧力；所述辐射盘(1-2)连接在所述超声波变幅杆(1-3)的顶部；所述节面法兰(1-4)与超声波变幅杆(1-3)一体式加工，所述超声悬浮激励装置(1)通过所述节面法兰(1-4)连接所述机械臂(4)；所述电极片(1-6)与所述稳压电源(1-10)电连接，所述超声信号发生器(1-11)连接所述稳压电源(1-10)，所述稳压电源(1-10)的控制端连接所述控制系统(3)。

3.根据权利要求1所述的近场悬浮与静压吸附相耦合的悬浮抓取系统，其特征在于：所述静压吸附装置(2)还包括气管(2-1)、分接头(2-2)、调压阀(2-3)、电磁阀(2-4)、真空泵(2-5)；所述辐射盘(1-2)上的各气孔(1-1)沿辐射盘(1-2)的厚度方向开设，并从辐射盘(1-2)的背面分别通过气管(2-1)连接到分接头(2-2)，所述分接头(2-2)、调压阀(2-3)、电磁阀(2-4)、真空泵(2-5)依次连接；所述调压阀(2-3)的控制端连接所述控制系统(3)。

4.根据权利要求2所述的近场悬浮与静压吸附相耦合的悬浮抓取系统，其特征在于：所述辐射盘(1-2)和超声波变幅杆(1-3)采用同种材料，所述超声波变幅杆(1-3)头部加工有螺纹，与所述辐射盘(1-2)通过螺纹连接。

5.根据权利要求3所述的近场悬浮与静压吸附相耦合的悬浮抓取系统，其特征在于：所述气孔(1-1)通过粘接剂与气管(2-1)柔性密封连接。

6.根据权利要求1-5任一所述的近场悬浮与静压吸附相耦合的悬浮抓取系统，其特征在于：所述超声悬浮激励装置(1)的辐射盘(1-2)表面产生垂直于盘面的悬浮力；所述静压吸附装置(2)通过真空吸附在所述辐射盘(1-2)表面产生垂直于盘面的静压力；通过所述悬浮力、静压力、超声波和真空吸附挤压气膜产生的粘性力以及物体(5)的重力作用悬浮在所述辐射盘(1-2)表面；在运动过程中根据运动速度和所述压电换能器的姿态不同，调节所述静压吸附装置(2)产生的静压力和所述超声悬浮激励装置(1)产生的悬浮力，并且超声波和真空吸附挤压气膜同时产生粘性力，使所述物体(5)在机械臂运动时始终位于所述辐射盘(1-2)面内。

7.根据权利要求6所述的近场悬浮与静压吸附相耦合的悬浮抓取系统，其特征在于：所述控制系统(3)采用神经网络控制算法控制所述超声悬浮激励装置(1)和静压吸附装置(2)。

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