CN117083702A - 无接触式输送设备 - Google Patents
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Abstract
公开了一种输送设备，该输送设备设计用于借助运输体输送一个或者多个有效载荷、尤其是晶片。运输体能够以悬浮的方式在定子的运输面的上方运动和定位。优选地，该运动和该定位相对于全部六个自由度进行。运输体具有能够运动的悬臂或者能够运动的操纵器或者能够运动的机器人臂。在该运输体的终端执行器处能够存放或者固定有效载荷。在扩展方案中，也能够对有效载荷进行加工和/或检查。所述加工和/或检查也能够由同一输送设备的另外的运输体的终端执行器来实施。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的无接触式输送设备。尤其是，根据本发明的输送设备适合用于在装配技术、生物工业、化学工业、制药工业和食品工业中的以及在太阳能电池制造/显示器制造、医疗技术、实验室自动化和物流中的工业应用。特别优选的是输送设备在半导体工业中的应用。
背景技术
在技术生产的框架中，经常需要对有效载荷进行运输或者定位，所述有效载荷例如是材料、工件、工具或者产品。对此，不仅已知接触式输送设备、还已知无接触式输送设备，所述输送设备例如在机械工程和基础建设中应用，例如用于在包装机器中运输有效载荷、用于机器元件的定位或者用于使工具尽可能精确地对准工件(例如用于激光加工)，或者在半导体工业中用于在晶片集群设施或者说步进机设施中对衬底进行涂覆、曝光或者结构化。在此，能够使用用于磁悬浮的系统。
在磁悬浮的情况下的挑战在于，创建稳定地在磁场中悬浮的结构。另一挑战在于，根据目标预给定自动地在全部六个自由度(在平移和旋转方面各三个自由度)中定位和/或移动悬浮的结构，这也被称为完全的磁悬浮。
根据DE 102016224951 A1，能够实现相对于定子对承载有效载荷的运输体的这种类型的受控制的输送和定位，其方式是，两个元件中的一个元件具有多个调整磁铁，所述调整磁铁以至少部分能够运动的方式布置，所述调整磁铁相对于该元件的相应的位置和/或取向能够通过调整元件以受控制的方式预给定，并且两个元件中的另一个元件具有至少两个固定磁铁，所述固定磁铁以不能够运动的方式与该元件连接，其中，所述固定磁铁与调整磁铁磁性耦合。输送设备设立用于，通过调整磁铁的受控制的定位和/或取向而相对于定子输送运输体。在此，运输体也被带到并且保持到相对于定子的、期望的位置和/或取向中。
DE 102016224951 A1提供如下优点：借助相应的调整元件通过调整磁铁的对应的定位和/或取向能够实现运输体相对于定子的悬浮和/或向前运动。由此，能够省去复杂布置的提供和对磁铁线圈的操控。这不仅降低输送设备的复杂性并且因此降低制造成本，还允许使用永磁体，所述永磁体经常能够提供比能够用于这种类型的目的的磁铁线圈大得多的磁通密度。这反过来能够实现定子与运输体之间的更大的提升高度或更大的间隙，由此能够在沿Z方向或者在俯仰角度范围和滚动角度范围中运动时产生更大的运动余地。此外，这提供如下优点：电能供给的中断也不一定必然导致功能性故障或者甚至造成损坏。尤其是，功率供给的中断不导致磁场的损耗或定子与运输体之间的磁性耦合的损耗。例如，在功率供给中断的情况下，如果调整磁铁的位置和/或取向顺从于固定磁铁的吸引力作用，则调整磁铁与固定磁铁之间的耦合力能够增加，进而运输体被拉到定子上并且如此被固定以防不受控制地落下来。定子与运输体之间的磁性耦合不仅能够引起运输体的悬浮，即在定子上方的提升，还能够引起运输体相对于定子的前进、即输送，而不会为此还强制性地需要另外的接触式或者无接触式系统。
因此，能够实现无接触式运输，从而使得所公开的输送设备也能够在具有提高的清洁度要求的环境中使用。例如，运输体能够在具有提高的清洁度要求的环境中被输送，而定子布置在外面在具有较低的清洁度要求的环境中。分离元件能够伸展穿过定子与运输体之间的间隙，以便分离不同的清洁度区域。因此，所公开的输送设备还适合用于在生物方法、化学方法和/或制药方法中应用，以及例如在气密的、液密的和/或封装的区域中应用。
在典型的半导体生产线中，在生产设施(例如集群工具)中加工晶片。通常，晶片在常压下在运输容器中在生产设施之间运输，其中，该运输作为具有25件的典型批次大小的批次实现。在生产设施内，通常在超高真空(UHV)下对晶片进行加工和运输。生产设施包括用于加工晶片的至少一个过程站、根据本类属的用于在真空中运输晶片的输送设备和用于存储未经加工的和经加工的晶片的存储区域。至少一个过程站、输送设备和存储区域被围框在真空密封的腔室中，并且能够被抽成真空为UHV。所述腔室以侧向地彼此相邻的方式布置，并且——可能经由真空密封的闸门——相互连接。
为了在运输容器与生产设施之间递送晶片，并且为了在真空区域中存储多个晶片，在生产设施处存在所谓的真空装载锁。运输容器在常压下被插入到真空装载锁中，接下来将真空装载锁抽成真空。然后，真空装载锁与生产设施的输送区域之间的真空闸门打开，晶片从输送设备穿过闸门从运输容器中取出或者被插入到运输容器中。
在将所有晶片从运输容器中取出、加工并且再次保存在运输容器中之后，关闭真空闸门并且给真空装载锁通风。接下来，运输容器在常压下从真空装载锁中取出，并且例如被运输至下一个生产设施。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种输送设备，该输送设备能够实现复杂且高效的运动流程。运输体的功能范围应能够以用于搬运(Handhabung)、定位、固定(例如夹紧)、加工和/或检查有效载荷的功能来拓宽，所述有效载荷处在运输体上或者该运输体的环境中。在技术生产中或者在物流中，应以高自动化程度、高效率和高经济性来实现新的功能和流程。
该任务通过具有权利要求1的特征的输送设备来解决。在从属权利要求中描述本发明的其他有利构型。
根据本发明的输送设备设计用于至少一个运输体(移动装置)的无接触的运动，该运输体配备有操纵器。操纵器与运输体——更准确地说与该运输体的壳体——连接，要么作为能够更换的模块、要么作为该运输体的固定组成部分，并且由该运输体携带。带有相连接的操纵器的运输体能够通过定子的磁场在该运输体的六个运动自由度中相对于定子定位。除此之外，操纵器具有至少一个另外的运动自由度，该另外的运动自由度能够在运输体的悬浮运行的情况下相对于运输体的壳体定位。
通过壳体的和操纵器的自由度的同步运动控制，复杂且高效的运动流程变得可能。操纵器以用于搬运、定位、固定(例如夹紧)、加工和/或检查有效载荷的功能来拓宽运输体的功能范围，所述有效载荷处在运输体上或者该运输体的环境中。具有操纵器的运输体开辟根据本发明的输送设备的许多新的应用领域。在技术生产中或者在物流中，具有操纵器的运输体以高自动化程度、高效率和高经济性来实现新的功能和流程。
根据本发明被携带在运输体上的操纵器取代固定的操纵器，如果该运输体不具有自己的搬运功能的话，则必须在装载地点和目标地点处提供所述固定的操纵器。需要驶向的位置的数量越高，对固定部件的节省就越多，从而对整个设施的复杂性和成本的降低就越多。
在一种典型的应用中，操纵器具有终端执行器，借助该终端执行器，在装载的地点处将有效载荷装载到运输体上并且在目标地点处将有效载荷放下。操纵器还能够具有夹紧功能，借助该夹紧功能，有效载荷在运输期间被可靠地保持在运输体上。另外，操纵器能够设置用于，在运输期间进行有效载荷的重新取向，以便在目标地点处以正确的取向递送有效载荷，而无需额外的时间花费。
在另一种应用中，操纵器是运动学装置，该运动学装置引导所述终端执行器、例如过程工具或者检查器件。如此配备的运输体能够借助该工具来加工或者借助该检查器件来检查所携带的有效载荷或者在该运输体的环境中的有效载荷。在此，该运输体具有高的运动灵活性。另一个时间上的或者经济上的优点由在同时实施运输任务和操纵任务的情况下流程的并行化产生。除此之外，能够配备有一个操纵器，以便实施多个功能(例如搬运和检查)。另外，在一个运输体上能够存在有多个操纵器。
最后，能够存在有多个运输体，所述多个运输体共同完成任务。例如，将工件固定在不具有操纵器的第一运输体上并且运输该工件。具有操纵器的第二运输体陪伴该第一运输体，并且借助操纵器在所运输的工件处实施搬运任务、加工任务或者检查任务。
已经提到的对有效载荷的重新取向也能够借助根据本发明的输送设备的多个运输体来实现。
如果工件例如是晶片，则在半导体工业中使用根据本发明的输送设备的情况下，产生特殊的优点。有利地，运输体用于在生产设施的真空运输空间中输送半导体晶片。定子布置在真空运输空间的下方。在这种类型的生产设施(集群工具)中的典型的运输任务在于，从过程站的过程巢中取出晶片并且将该晶片输送到别的过程站的过程巢中。由于过程站在生产设施中侧向地布置在运输空间旁边，并且运输体因此不能够直接到达所述过程站，因此，根据本发明的操纵器桥接从过程巢到运输空间中的运输路段。根据本发明的操纵器能够实现，在空间上与运输空间或者说与输送设备错位地容纳并保存晶片，其中，晶片的重心能够远离运输体。
操纵器具有至少一个自由度，该至少一个自由度在(例如从过程巢)到运输体的运动轨道上引导终端执行器，该终端执行器可能装载有有效载荷(晶片)。在此，运动学装置收合，并且与运输体和有效载荷(晶片)一起形成紧凑的单元，该紧凑的单元所占用的运输面比类似的具有刚性终端执行器的运输体所占用的运输面小大约2-4倍。将操纵器移动出来，例如用以在过程巢前方进行装载和卸载。在运输期间，该操纵器处在收缩状态中，以便能够更好地调动运输体。能够利用所节省的运输面，以便增加在定子上方(在运输空间中)的运输体的数量并且因此提高(生产设施的)输送设备的产量和经济性。操纵器能够以可变的方式定位。在运输体在运输面上的位置相同的情况下，该运输体能够将有效载荷(晶片)移动到在该运输体的终端位置之间的任意的中间位置中。因此，在用于晶片的生产设备的情况下，能够在与定子的运输面的不同间距中给过程巢供料。
除了收缩运动之外，操纵器能够具有另外的自由度。例如，能够设置具有两个自由度的操纵器，其中，第一自由度在平行于运输面的平面中实施所描述的收缩运动，第二自由度实施垂直于运输面的提升运动。虽然提升运动能够已经作为运输体的自由度来定位，但是由于悬浮方法的原因，调整范围被限制得较窄。操纵器能够设计用于较大的提升范围。配备有该操纵器的运输体能够给布置在不同高度上的过程巢供应晶片。给在装载锁中的晶片盒供料也是可能的，其中，有针对性地给晶片盒的多个垂直地上下相叠地布置的格层中的一个格层供料。
与不具有操纵器的运输体相比，实现下述优点或者能够借助优选的构型实现下述优点：
a)拓宽的工作范围：操纵器能够具有运动学装置，该运动学装置在其自由度的框架中延展越过运输体的极限，并且因此到达位于不具有操纵器的运输体的工作范围之外的地点。例如，到达侧向地在运输面旁边的地点，或者到达在运输面的上方在不同高度上的地点。
b)整个设施的降低的复杂性：操纵器能够在不同的提供地点处容纳有效载荷，将所述有效载荷输送到运输体上，并且在目标地点处再次放下所述有效载荷，而不需要另外的固定的搬运设备。因此，一个移动的操纵器必要时能够取代多个固定的操纵器。由此降低整个设施的复杂性和成本。
c)减小的运输面：为了将具有操纵器和有效载荷的运输体的外部尺寸保持得小，操纵器能够将有效载荷输送到运输体的中心中、尤其是运输到该运输体的壳体上方。因此，在运输期间使由运输体所占用的运输面最小化，例如与具有刚性终端执行器的运输体相比小2-4倍。这具有多个有利效果，所述有利效果在d)-f)中描述。
d)更高的产量：借助在c)中描述的处理方式，能够在预给定的运输面上放置更多的运输体，从而使得产量增加。
e)小的设施尺寸：在预给定的数量的运输体的情况下，借助在c)中描述的处理方式，能够减小运输面，这例如在半导体生产中在具有高的运行成本的真空运输空间中导致产生明显的成本优势。
f)更好的可调动性：借助在c)中描述的处理方式，运输体能够呈现小的外部尺寸，然后，该运输体能够更容易调动。省去补偿运动，运动轨道变得更短，调动被加速，转向调动能够在不妨碍别的运输体的部位上执行，也能够在具有小的尺寸的运输空间中执行。
g)时间增益和效率增益。在运输有效载荷期间，能够执行在有效载荷处的搬运任务、加工任务或者检查任务。通过流程的这种并行化，减小加工的循环时间。
h)纯机械的构造：由运输体和操纵器组成的设备能够纯机械地构造，而不具有电气部件或者说电子部件。定子承担精确的定位，并且提供机械能量用于运输体的前进并且用于驱动操纵器。能量借助磁场从定子传递给运输体或者说该运输体的操纵器。由此，构造变得非常节省空间、轻便和便宜。由于不需要携带储能器，因此也不需要规划用于给储能器充电的时间和面积。在没有电子装置的情况下，不产生损耗热量，也无需进行冷却。这特别是在真空中是有利的，在真空中，热量从悬浮设备中的导出只能够在小范围中通过辐射来实现。纯机械的构造能够设计用于明显更高的运行温度，因为省去常见的用于保护电子装置和储能器的温度限制。纯机械的设备能够针对在特殊条件下的使用来优化，尤其是在真空中(在使用真空兼容的材料的情况下)、在有爆炸危险的区域中(因为不存在形成电火花的风险)、在气体环境下或者在液体中，甚至在最高的环境压力下。
i)通过模块化带来的灵活性：运输体与操纵器之间的机械接口能够具有快速夹紧设备和联接器，从而不同类型的操纵器能够交替地用到不同类型的运输体上。操纵器的更换能够快速且简单地执行，以手动的或者自动的方式，以便为新的应用来准备该运输体。
优选地，运输体和配属的有效载荷容纳在密封的运输空间中。定子布置在密封的运输空间的下方。优选地，运输体的相应的壳体同样是密封的。因此，提出一种用于有效载荷、尤其是晶片的输送设备，所述有效载荷能够在特殊环境下、即不在正常条件下在不同的过程站中被加工。同样在特殊环境中、即不在正常条件下实现借助根据本发明的输送设备的运输体对有效载荷的运输。
优选地，在密封的运输空间中，设置有气体(例如保护气体、氮气或者惰性气体)或者气体混合物(例如经清洁的空气)或者真空或者超高真空(例如直到10-7或者10-8巴)或者无菌区域或者ABC保护区域或者液体(例如直到2巴)。
附图说明
在附图中示出根据本发明的输送设备的具有运输体的不同实施例的不同实施例。
附图示出：
图1根据本发明的输送设备的三个不同实施例，
图2图1中的运输体的磁铁阵列的三个不同实施例，
图3a、3b和3d在图1a或者1b中的运输体的壳体中的磁铁阵列的布置的三个实施例，
图3c和3e在图1c中的运输体的壳体中的磁铁阵列的布置的两个实施例，
图4具有图3a中的磁铁阵列的壳体，
图5具有壳体且具有能伸缩的操纵器的运输体，该壳体对应于图3a和4的壳体，
图6具有壳体且具有能够弯折的操纵器的运输体，该壳体对应于图3a和4的壳体，
图7具有根据图5的运输体的输送设备，该运输体具有能伸缩的操纵器，
图8用于控制具有操纵器的运输体的运动轨道的方法，
图9用于半导体工业的生产设施，该生产设施具有根据本发明的输送设备，
图10借助根据本发明的输送设备快速更换过程站中的晶片的方法，
图11用于在不具有中间存放装置的情况下将晶片从运输体递送给根据本发明的输送设备的另一运输体的方法，和
图12用于借助根据本发明的输送设备递送晶片的方法，在所述递送的情况下，晶片的角度位置能够在完整的360°范围中改变。
具体实施方式
在图1a至c中示意性地示出根据本发明的输送设备的三种变型。所述输送设备分别具有定子3和至少一个运输体2，该运输体以受控制的方式相对于定子3无接触地被输送。为此，定子3具有在平面布置中的调整磁铁31(参见图7)，所述调整磁铁以能够运动的方式布置，所述调整磁铁的取向能够借助促动器改变。由所有调整磁铁31的磁场的叠加产生磁场，该磁场在此被称为悬浮场。该悬浮场向上穿过定子3的盖板。盖板同时形成运输面33，在该运输面上无接触地运输配备有磁铁阵列的运输体2。
传感器系统循环地以高频率和高精度检测每个运输体2(更准确地说，该运输体的壳体21)在其在运输面33上的六个运动自由度中的位置。如在任何刚性体的情况下那样，这是在壳体21的平移X、Y、Z中的三个自由度和在壳体21的旋转rX、rY、rZ中的三个自由度。调节器从中计算与预给定的额定位置或额定轨迹的位置偏差，并且如此控制磁铁角度，使得调节偏差变得最小。通过这种方式，以相对于外力稳定且稳健的方式在额定轨迹上引导运输体2的壳体21。
在根据图1a和1b的实施例中，运输体2具有用于壳体21的驱动单元23，该壳体包括至少一个固定在壳体处的磁铁阵列231(参见图2)。在运行期间，磁铁阵列231在悬浮场中经受力和力矩，所述力和力矩传递到刚性耦合的壳体21上并且驱动该壳体运动。通过这种方式，磁铁阵列231用作用于壳体21的驱动单元23。
为了使得能够以受调节的方式实现驱动，该驱动单元23包括用于壳体21的位置检测的器件。该位置检测相对于定子3进行，其方式是，在两个构件中的一个构件处安装位置传感器，在另一个构件处安装代码排列233，该代码排列由该位置传感器检测。例如，基于摄像机的方法能够用于位置检测，其方式是，紧固在壳体21处的摄像机模块32检测在定子3上的代码排列233。根据图1a和1b，集成在定子3中的摄像机模块32(参见图7)检测在壳体21处的代码排列233。
根据本发明，运输体2携带用于(在图1中未示出的)有效载荷的操纵器22，该操纵器是能运动且能够控制的，其中，操纵器22紧固在壳体21处。操纵器22包括运动学装置221，该运动学装置具有终端执行器222，视任务而定地，该终端执行器实施为存放装置、夹具、夹紧设备、工具或者检查器件。
优选地，终端执行器222作为能够快速更换的部件紧固在运动学装置221上，和/或运动学装置221作为能够快速更换的部件紧固在壳体21上，从而使得能够通过操纵器22的或者终端执行器222的手动更换或者自动更换来快速地装配运输体2用于新任务。该运动学装置包括结构构件和关节，所述结构构件和关节使终端执行器222具有相对于壳体21的至少一个运动自由度。关节例如是转动轴承、线性引导装置、具有固体关节的引导装置或者它们的组合。
为了以受控制或者受调节的方式使运动学装置221在其至少一个自由度中运动，操纵器22经由联接器26与驱动单元24连接、向运动学装置221传递运动能量并且能够实现受控制的定位。为了控制具有多个自由度的运动学装置221，能够存在有具有多个自由度的一个驱动单元24或者能够存在有多个驱动单元，所述多个驱动单元整体上操作运动学装置221的所有自由度。
图1b示出纯机械地构造的运输体2，该运输体具有用于操纵器22的机械式驱动单元24。该驱动单元包括磁铁阵列241，该磁铁阵列经由轴承244与运输体2的壳体21连接。轴承244使磁铁阵列241能够在至少一个自由度中实现相对于壳体21的运动。磁铁阵列231和241以具有侧向间距的方式布置在运输体2的下侧上，从而使得两个磁铁阵列处在悬浮场的作用范围中，并且，与所述磁铁阵列在悬浮场中所经受的力和力矩相比，在所述磁铁阵列之间起作用的力和力矩小。
定子3的悬浮场将矢量力和矢量力矩施加到能运动的磁铁阵列241上。力矢量和力矩矢量沿着轴承244的引导方向分解为两个矢量分量，所述两个矢量分量中的一个矢量分量沿轴承244的引导方向起作用，另一个矢量分量正交于引导方向起作用。沿引导方向的分量从能运动的磁铁阵列241经由从动装置245(例如轴或者推杆)和联接器26传递给运动学装置221，并且能够使该运动学装置运动。也能够设置有传动装置，以便使从动装置的回转数适配于运动学装置221的回转数。横向于引导方向的分量由磁铁阵列241经由轴承244传递给壳体21，并且影响该壳体与另外的磁铁阵列一起的运动。
在能运动的磁铁阵列241上的代码排列243能够对该磁铁阵列相对于壳体21的位置进行检测。通过这种方式，能够调节磁铁阵列241的位置。如果磁铁阵列241经由联接器26和运动学装置221与终端执行器222刚性地耦合，则借助操纵器22的数学模型，磁铁阵列241的位置能够转换为终端执行器222的位置，反之亦然。通过应用转换，也能够预给定终端执行器222的位置作为用于调节的目标参量。
对于在特殊环境条件下的使用，例如在
清洁运输体2(外湿/内干分离)时，
真空情况下的使用(外部真空/内部气体填充分离)时，
食品领域或者制药领域(外部无菌/内部非无菌分离)中，
防爆炸区域中，
用于运输体2的密封式壳体21是有意义的。然后，在运输体2的从动装置与操纵器22之间的联接器26也能够实施为具有无接触式扭矩传递装置的磁铁联接器。例如，运输体2的壳体21在真空情况下的应用中密封地被封闭，以便将运输体2中的氛围与周围的真空分离。由于在壳体壁中的机械式转动执行装置会破坏密封性，因此，能够有利地使用磁铁联接器。
在另一种扩展方案中，驱动单元24能够与操纵器22一起形成结构组。例如，磁铁阵列241和代码排列243能够集成到运动学装置221的关节中，其中，省去轴承244和联接器26。如果磁铁阵列241处在悬浮场的作用范围中，则可以经由定子3用力和力矩加载该磁铁阵列，然后，所述力和力矩直接传递给运动学装置221。在更换操纵器22的情况下，必然也更换驱动单元24。
图1a中的操纵器22能够可选地借助电动马达被电驱动或者借助驱动单元24被机械驱动。在前一种情况(电驱动)下，经由电子装置单元25给该电动马达供给电能和用于额定位置的数据。在后一种情况(机械驱动)下，在壳体21中也能够设置有电子装置单元25，以便例如给安置在壳体21中的位置传感器供给电流。
电子装置单元25包括下述电气部件或者说电子部件，所述电气部件或者说电子部件可选地存在于运输体2中：用于提供电能的储能器251，例如蓄能器或者电容器，以及用电器，例如
用于与定子3中的基本单元通信的无线通信接口252，
用于检测运输体2的和操纵器22的自由度的传感器系统，
用于操纵器22的电驱动单元24，
应用者接口253，该应用者接口向应用者提供用于运输体2上的附加的特定于应用的单元的能量供给和数据供给。
在根据图1b的一种优选变型中，纯机械地或无源地构造具有操纵器22的运输体2。省去电子装置单元25。这具有下述优点：
减小运输体2的结构尺寸、重量和复杂性，
节省给储能器251充电所需要的时间和面积，
实现或简化在极端环境条件(例如高温、真空、高压、湿度)下的使用。
图1c示出运输体2的纯机械式构造的一种变型，在该变型中，使用用于壳体21和操纵器22的组合式驱动单元24。与图1a和1b的实施例不同，磁铁阵列241均不与壳体21固定连接，每个磁铁阵列都具有自己的轴承244和自己的运动自由度。
轴承244相对于壳体21如此设计和布置，使得随时能够实现壳体21在所有六个自由度中的受控制的运动。如果一个磁铁阵列241不能够操控壳体212的一个自由度，则存在有至少一个另外的磁铁阵列241，该另外的磁铁阵列操作该自由度。通过壳体21的和轴承244的适合的结构，排除磁铁阵列241的奇异位态(Stellungen)，在所述奇异位态的情况下，壳体21只能够在五个或者更少的自由度中控制。
图2示出示例性的环形的磁铁阵列，所述磁铁阵列具有永磁体，所述永磁体能够用作固定在壳体处的磁铁阵列231并且能够用作相对于壳体21能运动的磁铁阵列241。
图3示例性地示出在运输体2的壳体21中具有和不具有轴承244的磁铁阵列231、241的五个不同的布置。
图3a：壳体21承载刚性耦合的磁铁阵列231和以在rZ中能够转动的方式被支承的磁铁阵列241。自由度rZ能够用作用于操纵器22的驱动器，而磁铁阵列241的其余五个自由度X、Y、Z、rX、rY经由轴承和壳体21与磁铁阵列231刚性地耦合。因此，所述其余五个自由度附加地用于驱动壳体21，并且拓宽能够施加到壳体21上的力和力矩的工作范围。
图3b：如图3a那样，但是具有两个磁铁阵列231和241的同中心的布置。为了使磁铁阵列231、241之间的磁性耦合最小化，将所述磁铁阵列的间距最大化，其方式是，磁铁阵列231的内直径设计得明显大于磁铁阵列2.4.1的外直径。
图3c：壳体21，其具有两个磁铁阵列241a和b，所述磁铁阵列分别以在rZ中能够转动的方式被支承。因此，在壳体21上，两个用于驱动操纵器22的自由度供使用。对应于图1c，磁铁阵列241均不与壳体12刚性连接。然而，能够在所有六个自由度中控制壳体21。尤其是，该壳体能够在rZ中通过两个磁铁阵列241围绕共同的转动中心的旋转运动而运动。
图3d：如在图3c中那样，该布置具有两个以在rZ中能够转动的方式被支承的磁铁阵列241a和b，但是以同中心的布置的方式。附加地，存在有固定的磁铁阵列231。如果没有该固定的磁铁阵列231，则不能够在rZ中控制壳体21：因为241a和b的转动轴线重合，因此，扭矩Mz不能够施加到壳体21上。例如，能够使用两个同中心地被支承的空心轴，作为用于同中心地布置的磁铁阵列241a和b的从动装置。
图3e：用于驱动操纵器22的壳体21，该壳体具有三个自由度。与图3c类似的构造，但是具有三个以能够在rZ中转动的方式被支承的磁铁阵列241.a、b和c。
图4通过侧视图详细地示出图3a中的壳体21的构造。图4示出转动轴承244，该转动轴承引导形成为轴的从动装置245。该轴在壳体21中与磁铁载体连接，该磁铁载体承载磁铁阵列241。经由从动装置245在壳体21上提供磁铁阵列241围绕Z轴的转动，或将磁铁阵列241围绕Z轴的转动传递给壳体21的上侧。
该轴能够经由联接器26与操纵器22连接。磁铁阵列231位于其旁边，该磁铁阵列经由磁铁载体232与壳体21固定连接。在两个磁铁阵列231、241的下侧上分别安装有代码排列233、243。透过透明的壳体底部212，能够由定子3中的摄像机模块32读取代码排列233、243(参见图7)。
图5结合具有一个自由度的两级式线性操纵器22示出图4中的壳体2。更准确地说，图5a在俯视图中示出线性操纵器22的收缩状态，图5b在俯视图中示出线性操纵器22的抽出状态，图5c在侧视图中示出线性操纵器22的收缩状态，图5d在侧视图中示出线性操纵器22的抽出状态。
图5中的线性操纵器22具有线性引导装置作为第一梯级2211和装配在该线性引导装置上的线性引导装置作为第二梯级2212。在第二梯级2212上紧固有终端执行器222，用于容纳有效载荷4，在此示出用于半导体工业的晶片。在磁铁阵列241的形成为轴的从动装置245上装配有皮带盘261，该皮带盘经由传动带262驱动两级式线性操纵器22。在收缩状态中，带有有效载荷4的运输体2具有非常紧凑的外部尺寸，而在扩展状态中，操纵器22能够到达在过程站PM(参见图9或者10)中的远离定子3的过程巢，以便给该过程巢装载晶片4或者以便取出晶片4。
由于操纵器22能够在其自由度中自由地被定位，因此，终端执行器222也能够到达在终端执行器222的两个终端位置之间的中间位置处的过程巢。对于具有最高的清洁度要求的应用，例如在真空中对晶片4的搬运，优选使用线性引导装置或者滚动轴承，所述线性引导装置或者滚动轴承至少部分地由陶瓷组成，或者使用固态关节。
图6结合具有一个自由度的两级式关节臂操纵器22示出图4中的运输体2。更准确地说，图6a在俯视图中示出关节臂操纵器22的收缩状态，图6b在俯视图中示出关节臂操纵器22的抽出状态，图6c在侧视图中示出关节臂操纵器22的收缩状态，图6d在侧视图中示出关节臂操纵器22的抽出状态。
如在图5中的操纵器22那样，图6中的关节臂操纵器22在线性轨道上引导有效载荷4，并且在收缩状态中呈现紧凑的外部尺寸。该操纵器22也能够自由地被定位，并且能够到达在从运输体2出发的不同间距中的过程巢。在此，如果需要满足最高的清洁度要求，也优选地使用陶瓷轴承或者固态关节。运动学装置221经由装配法兰223与壳体21连接。
在图7中示出根据本发明的输送设备的实施例，该输送设备在定子3上具有图5中的运输体2。在此，定子3由三个相同类型的定子模块形成。在剖面图中，在定子3中能够看到调整磁铁31和促动器的有规律的布置，此外能够看到摄像机模块32的有规律的布置，所述摄像机模块读取安装在磁铁阵列231、241上的代码排列233、243。代码排列233、243不仅包含位置信息，还包含辨认代码，通过该辨认代码，所述代码排列能够明确唯一地配属给在特定的运输体2中的磁铁阵列231、241。视情景而定地，代码排列233、243同时被多个摄像机模块32检测，从而使得每个磁铁阵列231、241被多次定位。能够利用该冗余，以便通过求平均来提高代码排列233、243的位置检测的精度。摄像机模块32向设施控制装置提供所检测的代码排列233、243的位置数据和辨认数据，该设施控制装置从中求取运输体2的和操纵器22的实际位置。
对根据本发明的具有操纵器22的运输体2的运动控制，在自由度的数量方面向定子3中的调整磁铁31的控制提出提高的要求。由现有技术已知的运输体2通常具有六个运动自由度，而所提出的具有操纵器22的机械运输体2具有多于六个的自由度。该数量由壳体21的和操纵器22的自由度的和得出。例如，如果操纵器22具有一个自由度，则运输体2总共具有7(＝6+1)个自由度。
图8示出一种用于控制具有操纵器22的运输体2的运动轨道的方法。该方法实现为设施控制装置中的算法。下述步骤a)-e)在程序回路中循环地以在大约100Hz-10000Hz的范围中的固定频率实施：
a)运输体2的位置在所有自由度中借助在定子3中的或者在运输体2中的分布式位置传感器、尤其是借助摄像机模块32来检测。这些分布式位置传感器观察在磁铁阵列231、241上或者在别的被移动的部件上的代码排列233、243，并且从中推导出位置传感器与代码排列233、243之间的相对位置。所有位置信息被传递给设施控制装置。
b)在设施控制装置中保存输送设备的运动学模型，在该运动学模型中，描述结构元件的几何形状以及关节、轴承、位置传感器和代码排列233、243的地点。借助几何形状转换，从模型和位置传感器的数据中计算所有磁铁阵列231、241在定子坐标系中的实际位置。
c)磁铁阵列231、241的位置偏差被计算为磁铁阵列231、241的实际位置与预给定的额定位置在所有自由度中的差。为了动态地在额定轨迹上引导具有操纵器22的运输体2，根据额定轨迹在每个回路遍历中递增地改变该额定位置。
d)位置调节器将位置偏差转化为用于每个磁铁阵列231、241的矢量额定力和矢量额定力矩。这例如借助PID算法来实现，该PID算法应用于所参与的自由度中的每个自由度。
e)力控制/力矩控制从所有磁铁阵列231、241的矢量额定力和额定力矩和所有磁铁阵列231、241的实际位置和在定子3中的所有调整磁铁31的实际位置和所有磁铁阵列231、241的几何形状模型和磁性相互作用的物理模型中求取在定子3中的调整磁铁31的额定位置。如此优化该额定位置，使得在模型中调设所有调整磁铁31的额定位置时，所预测的、作用到所有磁铁阵列231、241上的矢量力和力矩尽可能地与额定力和额定力矩一致。为此，借助误差函数来计算如下量度：该量度将经建模的力和力矩与额定力和额定力矩的偏差表达为数值。该误差函数延伸到所参与的所有磁铁阵列231、241和其全部自由度上。为了使误差函数最小化，例如使用优化算法或者神经网络。
f)向调整磁铁31的促动器输出额定角度。
图9示意性地示出用于半导体工业的生产设施。真空的运输空间VK配备有玻璃底部，其中，定子3的模块装配在运输空间VK下方的真空区域之外，从而使得悬浮场通过玻璃底部侵入到运输空间VK中。在运输空间VK中，三个运输体2a、2b和2c悬浮在悬浮场中：运输体2a和2b处在收缩状态中，而运输体2c处在扩展状态中，用于给过程站PM的圆弧形过程巢供料。通过同时运行在不同的过程站PM处的多个运输体2，实现高的晶片产量。此外，晶片4能够以个性化的顺序被运输通过过程站PM，从而使得在变型丰富的生产中，能够在一个生产设施中实现不同的过程流程。
图10在四个时间步骤1至4中绘制出用于在过程站PM的圆弧形示出的过程巢中快速更换晶片4的方法，从而使得在过程站PM中两个连续的过程流程之间的过程停顿最小化。为此，两个运输体2a和2b并排地位于过程站PM前方。在步骤2与步骤3之间，运输体2a从过程站PM中取出经处理(prozessiert)的晶片4a，并且通过该运输体的操纵器22的收缩将该晶片输送到该运输体的壳体21上方。在运输体2a的收缩运动期间，运输体2b实施扩展运动，以便将下一个待加工的晶片4b引入到过程站PM中。
在此，晶片4的轮廓能够在X/Y平面中暂时地重叠。为了避免碰撞，在不同的高度上或者以不同的倾斜度引导两个运输体2a和2b的终端执行器222。
图11a示出用于在不具有中间存放装置的情况下将晶片4从运输体2a递送给另一运输体2b的方法。
在图11b中的示意图中，根据图11a中的方法的第一变型，借助对称地构造的终端执行器222a来运输晶片4，其中，晶片中心侧向地位于终端执行器222a的对称性旁边。相同类型的第二终端执行器222b转动180°，从反面接近并且被引导到晶片4的下方。两个终端执行器222a、222b的指状件对侧向地错位，从而使得所述指状件对不碰撞。相对于终端执行器222b的对称线，晶片中心侧向地错位。该递送通过终端执行器222b的向上运动和终端执行器222a的向下运动来实现。
在图11c中的示意图中，根据图11a中的方法的第二变型，在终端执行器222a、222b处的相应的指状件略微不对称地安装，从而使得彼此以180°错位的两个终端执行器222a、222b能够沿着假想的中心线无碰撞地相向运动。
图12示出用于递送晶片4的方法，该晶片的角度位置能够在完整的360°范围中改变。为此，实现从具有操纵器22的第一运输体2a向第二运输体2b的递送，该第二运输体构型为圆形的盘，或者该第二运输体的壳体在其上侧处具有圆形的面。第二运输体2b对中地容纳晶片4(步骤2)。第二运输体2b用作用于晶片4的中间存放装置。在此，实现晶片4围绕Z轴的以预给定的角度的转动(步骤3)。然后，具有操纵器22的第三运输体2c以新的定向接收晶片4(步骤4)。
下面，描述另一种用于借助仅一个运输体2将晶片4的转动位置定向的变型。在运输体2处安装有两个操纵器22。第一操纵器22具有两个自由度，一个用于终端执行器222在径向方向上的收缩/扩展(如前所述)，另一个用于终端执行器222在Z方向上的提升。第二操纵器22接管晶片4的转动位置的定向。该第二操纵器具有一个自由度，即围绕垂直于运输平面的Z轴的转动，并且具有用于对中地容纳晶片4的终端执行器222。因此，位于终端执行器222上的晶片4能够围绕其中心点转动。该布置能够实现，借助仅一个运输体2从过程巢中取出晶片4，运输晶片4，在该运输期间将该转动位置定向，并且将晶片4以所设置的转动位置存放在目标地点处。为此，设置有下述运动流程：
a)从过程巢中取出晶片4：在提供地点处，第一操纵器22将其终端执行器222移动到位于过程巢中的晶片4的下方。在提升运动之后，晶片4位于终端执行器222上。
b)第一操纵器22的收缩运动。接下来，晶片4处在运输体2的上方，现在，第二操纵器22对中地位于晶片4的下方。
c)通过第一操纵器22的向下运动将晶片4从第一操纵器22递送给第二操纵器22。
d)通过第二操纵器22的转动将晶片4的转动位置定向。为了相对于在晶片4的边缘中的凹口(Notch)定向，能够设置有传感器，该传感器在转动运动期间监控该凹口的位置。
e)通过第一操纵器22的提升运动将晶片4从第二操纵器22递送给第一操纵器22。现在，晶片4以所设置的转动位置位于第一操纵器22上。
f)借助第一操纵器22将晶片4存放在目标地点处。
公开了一种输送设备，该输送设备设计用于借助运输体2输送一个或者多个有效载荷4、尤其是晶片。运输体2能够以悬浮的方式在定子3的运输面33的上方运动和定位。优选地，该运动和该定位相对于全部六个自由度进行。运输体2具有能够运动的悬臂或者能够运动的操纵器22或者能够运动的机器人臂。在该运输体的终端执行器222处能够存放或者固定有效载荷4。在扩展方案中，也能够对有效载荷4进行加工和/或检查。所述加工和/或检查也能够由同一输送设备的另外的运输体2的终端执行器222来实施。
附图标记列表：
2 运输体
21 壳体
212 壳体底部
22 操纵器
221运动学装置
2211第一梯级
2212第二梯级
222 终端执行器
223 装配法兰
23(用于壳体的)驱动单元
231固定在壳体处的磁铁阵列
232磁铁载体
233(用于壳体的)代码排列
24(用于操纵器的)驱动单元
241(相对于壳体能运动的)磁铁阵列
243(用于操纵器的)代码排列
244(用于磁铁阵列相对于壳体的)轴承
245 从动装置
25 电子装置单元
251 储能器
252 通信接口
253 应用者接口
26 联接器
261 皮带盘
262 传动带
3 定子
31 调整磁铁
32 摄像机模块
33 运输面
4有效载荷/晶片
LL 装载锁
PM 过程站
VK 运输空间
Claims (15)
1.用于输送至少一个有效载荷(4)的输送设备，其中，每个有效载荷(4)配属有至少一个运输体(2、2a、2c)，所述至少一个运输体能够以悬浮的方式在定子(3)的运输面(33)的上方运动和定位，其中，悬臂或者操纵器(22)或者机器人臂在所述运输体(2)的终端执行器(222)与壳体(21)之间延伸，其中，所述终端执行器(222)能够与所述有效载荷(4)作用连接，其特征在于，所述悬臂或者操纵器(22)或者机器人臂能够实现并且控制所述终端执行器(222)相对于所述壳体(21)的至少一个第一运动自由度。
2.根据权利要求1所述的输送设备，其中，所述第一运动自由度是所述终端执行器(222)相对于所述壳体(21)沿着或者平行于所述运输面(33)的能够改变的间距。
3.根据上述权利要求中任一项所述的输送设备，其中，所述作用连接是能够由所述终端执行器(222)在所述有效载荷(4)实施的承载和/或搬运和/或定位和/或固定和/或加工和/或检查。
4.根据上述权利要求中任一项所述的输送设备，其中，所述悬臂或者操纵器(22)或者机器人臂具有运动学装置(221)，所述运动学装置具有至少两个梯级(2211、2212)或者区段。
5.根据权利要求4所述的输送设备，其中，所述梯级(2211、2212)或者区段相对于彼此能够线性移位或者能够枢转。
6.根据上述权利要求中任一项所述的输送设备，其中，侧向地与所述运输面(33)相邻地布置有多个过程站(PM)，用于加工所述有效载荷(4)。
7.根据权利要求2和6中任一项所述的输送设备，其中，在所述过程站(PM)中布置有过程巢，所述过程巢与所述运输面(33)具有侧向的间距，其中，所述间距能够借助在所述悬臂或者操纵器或者机器人臂的抽出状态中的悬臂或者操纵器(22)或者机器人臂来桥接。
8.根据上述权利要求中任一项所述的输送设备，其中，在所述悬臂或者操纵器(22)或者机器人臂的收缩状态中，所述有效载荷(4)的中心点或者所述有效载荷(4)区段地或者所述有效载荷(4)完全地布置在所述运输体(2)的壳体(21)的上方。
9.根据上述权利要求中任一项所述的输送设备，其中，至少一个磁铁阵列(231)容纳并紧固在所述运输体(2)的壳体(21)中，所述至少一个磁铁阵列能够与所述定子(3)磁性相互作用并且能够由所述定子移动。
10.根据上述权利要求中任一项所述的输送设备，其中，至少一个磁铁阵列(241)以能够运动的方式容纳在所述运输体(2)的壳体(21)中，所述至少一个磁铁阵列机械地耦合到所述悬臂或者操纵器(22)或者机器人臂处，并且所述至少一个磁铁阵列能够与所述定子(3)磁性相互作用并且能够由所述定子移动。
11.根据权利要求10所述的输送设备，其中，所述磁铁阵列(241)以能够旋转的方式支承在轴承(244)中，并且其中，皮带盘(261)抗扭地紧固或者耦合在所述磁铁阵列(241)处，所述皮带盘经由传动带(262)机械地耦合到所述悬臂或者操纵器(22)或者机器人臂处。
12.根据上述权利要求中任一项所述的输送设备，所述输送设备具有两个运输体(2)，所述两个运动体的终端执行器(222a、222b)能够以具有侧向错位的方式相向运动，所述终端执行器优选是对称的。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的输送设备，所述输送设备具有两个运输体(2)，所述两个运动体的终端执行器(222a、222b)具有两个不对称的指状件。
14.根据上述权利要求中任一项所述的输送设备，所述输送设备具有附加的运输体(2b)，所述附加的运输体的壳体(21)是或者具有能够转动的盘。
15.根据上述权利要求中任一项所述的输送设备，其中，在所述运输面(33)的上方形成有运输空间(VK)，在所述运输空间中设置有气体或者气体混合物或者液体或者真空或者超高真空或者无菌区域或者ABC保护区域，并且其中，所述至少一个运输体(2)容纳在所述运输空间(VK)中。
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