CN1935469A

CN1935469A - 一种净化机器人

Info

Publication number: CN1935469A
Application number: CN 200610048064
Authority: CN
Inventors: 丛明; 沈宝宏; 于旭; 杜宇; 金立刚
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2026-10-17
Also published as: CN100410026C

Abstract

本发明涉及一种新型工业用机器人，主要是指在集成电路制造中不同加工模块之间实现硅片传输的一种净化机器人。其特征是它包括机座I、R向直线伸缩机构III、θ向旋转机构II、Z向升降机构II和末端执行器IV。其各向机构的驱动部件与传动装置都放置在机座内部，并采用浮环密封装置防止传动装置产生的尘埃粒子进入高洁净的硅片制造环境，同时使用同步齿型带的传动方式将动力从低洁净环境传输到高洁净环境，带动各节手臂运动。控制方式采用主控微机(PC机)与伺服运动控制卡(MPC02卡)构成的主从式控制结构。本发明的机器人机构简单新颖、运动惯量小、占地空间小、工作空间较大、应用洁净度高、制作维护容易，可实现R向、θ向和Z向高速高精度的运动性能。

Description

一种净化机器人

技术领域

本发明属于工业用机器人技术领域，涉及一种净化机器人，特别涉及到一种硅片传输净化机器人，主要是指在集成电路制造中不同的加工模块之间实现硅片传输的一种净化机器人。

背景技术

微电子技术的发展，使得集成电路制造技术及其装备总是处于不断的变革之中。特别是当前随着硅片尺寸的增大以及特征线宽的减小，对集成电路制造装备的速度、精度以及洁净度提出了更高的要求。硅片传输系统在集成电路的制造中是必不可少的组成部分，而净化机器人在该系统中占有重要的地位。它主要承担着硅片的精确定位与快速、平稳的搬运任务。净化机器人自身要实现三种运动，即：升降运动，旋转运动，以及径向直线伸缩运动，最终使末端执行器完成硅片的搬运操作。

已有的技术，如下：

专利名称为工件处理机器人，专利号为CN 1344194A，其特点是Z向是驱动电机带动螺旋丝杆旋转再驱动丝杆螺母垂直移动来实现，垂直于Z向的X-Y面内的运动分别由两个驱动电机、刚带、滑轮以及无缝矩形管形成的连杆等传动机构运动来实现。具体地，中心支柱包括一对重叠的同心轴。第一电机设置在基体内垂直移动各轴，第二电机设置在基体内通过外轴驱动近端连杆，而第三电机设置在基体内通过内轴转动远端连杆。该机器人属于间接驱动的平面关节型机器人，其机械结构复杂，对控制系统的要求较高，不宜制作。

专利名称为一种传输机器人，专利号为CN 2762970Y，其特点是Z向、θ向运动采用滚珠螺杆花键副来实现，R向运动采用同步齿型带轮机构与连杆机构组合来实现。该机器人由于R向驱动电机、减速装置放置在手臂中使得手臂体积、重量增大，从而使整个手臂转动惯量变大，所以不宜实现高速运动。同时由于未使用密封装置，该机器人对硅片传输环境的洁净度也将产生影响。

专利名称为二维并联驱动的净化搬运机器人，专利号为CN 1779936A，其特点是采用并联式联结结构实现R向和Z向运动。由于该机器人只限于二维方向的运动，所以其运动范围、工作空间有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对已有技术的不足之处，提供一种结构简单新颖、运动惯量小、占地空间小、工作空间较大、应用洁净度高、制作维护容易，同时可实现径向直线伸缩运动、旋转运动和升降运动的高速高精度的净化机器人。各工作手臂的重量质量较轻、硬度较高的材料(如硬质铝合金)加工制作。

本发明的技术方案是：该净化机器人是由机座I、R向直线伸缩机构III、θ向旋转机构II、Z向升降机构II和末端执行IV组成。R向直线伸缩机构、θ向旋转机构、Z向升降机构的驱动部件以及对应的传动装置都放置在机座内部，并在机座上盖13的内侧安装浮环密封装置29。其中各向运动既可以实现单独运动，也可实现任意两向或3向同时运动。

R向直线伸缩机构通过套筒支撑板33、中心套筒11与Z向升降机构相连，θ向旋转机构通过旋转平台6与机座相连，末端执行器23通过小臂转台20与R向直线伸缩机构相连；机座由底座1、机座外壳29以及机座上盖13组成，底座1与支撑台2相连，并通过交叉滚子轴承37、旋转机座4与旋转平台6相连；旋转平台6通过6根穿杠与旋转平台上盖27相连并形成旋转框架，旋转框架内部安装滚珠花键副(30.1、30.2)，而旋转平台6的上表面上放置各向机构的驱动电机与同步齿型带轮减速机构。交叉滚子轴承37可使整个旋转框架在轴向和径向保持稳定，并防止整个臂体机构产生相对于水平面的倾斜。

R向直线伸缩机构由R向旋转电机、4组(9.1、9.2、9.3；36.1、36.2、36.3；42.1、42.2、42.3；46.1、46.2、46.3)同步齿型带轮减速机构、滚珠花键副(30.1、30.2)、径向直线伸缩机构组成，如图2、3所示。R向旋转电机41通过3组(42.1、42.2、42.3；46.1、46.2、46.3；36.1、36.2、36.3)同步齿型带轮减速机构、花键轴套35与滚珠花键轴30.1相连，花键螺母外筒31通过同步齿型带轮机构(9.1、9.2、9.3)、外套筒14与臂体机构相连。

θ向旋转机构由旋转电机50、2组(51.1、51.2、51.3；55.1、55.2、55.3)同步齿型带轮减速机构、行星轮机构(3.1、3.2、3.3)以及旋转平台6组成，如图2、4所示。旋转电机50通过2组(51.1、51.2、51.3；55.1、55.2、55.3)同步齿型带轮机构与小同步齿型带轮3.1相连，大同步齿型带轮3.3与机座支撑台2相连保持静止，旋转平台6通过旋转机座4与交叉滚子轴承37内圈相连。

Z向升降机构由升降电机10、同步齿型带轮机构(5.1、5.2、5.3)、滚珠丝杠副(7.1、7.2)、中心套筒11、滚珠花键副(30.1、30.2)和套筒支撑板33组成，如图2所示。升降电机10上的小同步齿型带轮5.1经同步齿型带5.2与大同步齿型带轮5.3相连，滚珠丝杆7.2与角接触轴承39内圈相连，使用轴端挡圈40、轴套37将滚珠丝杆7.2固定在机座的中心轴线上，滚珠丝杠螺母7.1与套筒支撑板33相连，套筒支撑板33通过深沟球轴承与花键外筒相连，末端执行器23与末端臂体21、末端臂体上盖22相连，其内部有通孔，并与气路系统相连。

臂体机构是由大臂体15、同步齿型带轮机构(16.1、16.2、16.3)、大臂转台17、大臂支撑台25，小臂体18、同步齿型带轮机构19、小臂旋转台20、小臂支撑台24和深沟球轴承组成，如图2所示。大臂体18与外套筒15相连，大同步齿型带轮16.1与中心套筒11相连，小同步齿型带轮16.3与大臂转台17相连并在大臂支撑台25上被轴向固定，大臂支撑台25与大臂体15相连，小臂体18与大臂转台17相连，小同步齿型带轮19.1与大臂支撑台25相连，大同步齿型带轮19.3与小臂支撑台20相连并在小臂支撑台24上被轴向固定，小臂支撑台24与小臂体18相连。

机座上盖13内侧安装浮环密封装置59，同时使外套筒14与浮环密封装置在径向上保持较小的间隙，如图5所表示。

本发明的效果和益处是：

(1)机器人机构简单新颖、运动惯量小、占地空间小、工作空间较大、应用洁净度高、制作维护容易，可实现R向、θ向和Z向高速高精度的运动性能。

(2)在机座上盖的内侧安装浮环密封装置，防止由传动装置产生的尘埃粒子进入高洁净的制造环境，同时使用带的传动方式将动力从低洁净环境传输到高洁净环境，带动手臂运动，从而有利于洁净室系统的维护。

(3)各向运动既可以实现单独运动，也可实现任意两向或三向同时运动，各向运动易于控制。

(4)采用了质量较轻、硬度较高的材料(如硬质铝合金)进行加工制作，减轻各工作手臂的重量。

附图说明

图1是根据本发明的净化机器人的外观图。

图2是本发明的净化机器人的整体结构剖视图。

图3是本发明的净化机器人的R向驱动部件的剖视图。

图4是本发明的净化机器人的θ向驱动部件的剖视图。

图5是本发明的净化机器人的机座上盖的结构剖视图。

图1中，I.机座，II.Z向升降、θ向旋转机构，III.R向直线伸缩机构，IV.末端执行器。

图2中，1.底座，2.机座支撑台，3.中心同步齿型带轮，4.旋转机座，5.1.小同步齿型带轮，5.2.同步齿型带，5.3.大同步齿型带轮，6.旋转平台，7.1.滚珠丝杆，7.2.滚珠丝杠螺母，8.挡圈，9.1.小同步齿型带轮，9.2.同步齿型带，9.3.大同步齿型带轮，10.Z向升降电机，11.中心套筒，12.穿杠，13.机座上盖，14.外套筒，15.大臂体，16.1.大同步齿型带轮，16.2.同步齿型带，16.3.小同步齿型带轮，17.大臂转台，18.小臂体，19.1.小同步齿型带轮，19.2.同步齿型带轮，19.3.大同步齿型带轮，20.小臂转台，21.末端手臂，22.末端手臂上盖，23.末端执行器，24.小臂支撑台，25.大臂支撑台，26.张紧轮机构，27.旋转平台上盖，28.轴承机座，29.机座外壳，30.1.滚珠花键轴，30.2.滚珠花键螺母，31.花键螺母外筒，32.轴承压盖，33.套筒支撑板，34.轴承压盖，35.花键轴套，36.同步齿型带轮机构，37.交叉滚子轴承，38.轴套，39.角接触球轴承，40.轴端挡圈。

图3中，41.R向旋转电机，42.1.小同步齿型带轮，42.2.同步齿型带轮，42.2.大同步齿型带轮，43.轴承机座，44.轴套，45.轴，46.1.小同步齿型带轮，46.2.同步齿型带，46.3.大同步齿型带轮，47.轴，48.轴套，49.轴承机座。

图4中，50.θ向旋转电机，51.1.小同步齿型带轮，51.2.同步齿型带，51.3.大同步齿型带轮，52.轴承机座，53.轴套，54.轴，55.1.小同步齿型带轮，55.2.同步齿型带，55.3.大同步齿型带轮，56.轴，57.轴套，58.轴承机座。

图5中，13.机座上盖，14.外套筒，59.浮环密封装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更详细地描述：

本发明的净化机器人是由机座I，R向直线伸缩机构III、θ向旋转机构II、Z向升降机构II以及末端执行器IV组成。

R向运动：旋转电机41经过3组(42.1、42.2、42.3；46.1、46.2、46.3；36.1、36.2、36.3)同步齿型带轮减速机构、花键轴套35带动滚珠花键轴30.1旋转，滚珠花键轴30.1通过花键螺母30.2进行扭矩传递，进而使花键螺母30.2通过螺母外套31带动与其相连的小同步齿型带轮9.1旋转，通过同步齿型带9.2、大同步齿型带轮9.3进而驱动外套筒15以及与其固联的大臂体15围绕机座中心轴进行旋转。大臂体15中的大同步齿型带轮16.1因与中心套筒11固联，故在机座中心轴的旋转方向上保持静止，而小同步齿型带轮16.3通过大臂转台17、深沟球轴承，轴向上被固定在大臂支撑台25上，从而大同步齿型带轮16.1、同步齿型带16.2和小同步齿型带轮16.3构成一套行星周转轮系。大臂体15的运动不仅驱动小同步齿型带轮16.3进行旋转运动，也通过大臂转台17带动小臂体18围绕大臂支撑台25的中心轴线进行旋转运动。小臂体18中的小同步齿型带轮19.1与大臂支撑台上端面固联并保持相对静止，大同步齿型带轮19.3通过小臂转台20、深沟球轴承，轴向上固定在小臂支撑台24上，同样使得小同步齿型带轮19.1、同步带19.2和大同步齿型带轮19.3构成一套行星周转轮系。小臂体18的转动通过大同步齿型带轮19.3、大臂转台20，最终驱动末端臂体21、末端臂体上盖22以及与其固联的末端执行器23同时进行运动。

同步带轮机构(16.1、16.2、16.3)的传动比为2∶1，同步带轮机构(19.1、19.2、19.3)的传动比为1∶2，大臂体15和小臂体18中两个同步齿型带轮的中心距离相等。基于以上条件，上述的两套行星周转轮系的共同作用下使得末端执行器始终沿着径向方向做直线伸缩运动。

θ向运动：旋转电机50通过2组(51.1、51.2、51.3；55.1、55.2、55.3)同步齿型带轮减速机构驱动小同步齿型带轮3.1旋转，大同步齿型带轮3.3与机座支撑台2相连并保持静止。小同步齿型带轮3.1、同步带3.2和大同步齿型带轮3.3构成一套行星轮周转轮系。小同步齿型带轮3.1的旋转便驱动旋转平台6、以及其上的所有部件围绕机座中心轴进行旋转运动，从而实现整个臂体机构的旋转运动。

Z向运动：伸降电机10带动其上的小同步齿型带轮5.1进行旋转，经过同步齿型带5.2驱动大同步齿型带轮5.3旋转。大同步齿型带轮5.3通过键带动滚珠螺杆7.1进行旋转，滚珠螺杆7.1带动滚珠丝杠螺母7.2以及与其固联的套筒支撑板33、中心套筒11、外套筒14、滚珠花键螺母30.2以及整体臂体机构沿滚珠花键轴30.1所在的方向进行运动。滚珠花键轴30.1安装在与旋转平台6的上表面相垂直的方向上，Z向运动时滚珠花键螺母30.2沿滚珠花键轴30.1运动完成Z向上的导向功能。采用滚珠花键使整个臂体机构等部件始终保持在Z向的竖直方向上，而且不能偏离该方向。

本发明的净化机器人的控制器选用位置控制模式。控制系统由四部分组成，即主控微机(PC机)、伺服运动控制卡(MPC02卡)、交流伺服电机、传感检测。主控微机(PC机)用于执行上层管理功能，主要负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控方面的工作。伺服运动控制卡(MPC02卡)是基于主控微机(PC机)PCI总线的数字式伺服电机的上位控制单元，由它作为下层运动控制器，执行运动控制的所有细节(包括脉冲和方向的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检查)。主控微机(PC机)与伺服运动控制卡(MPC02卡)相连构成主从式控制结构，它通过数据线发送位置或速度命令，设置、调节参数，并进行数模(D/A)转换，使输出的模拟信号经过交流伺服放大器后驱动交流伺服电机。交流伺服电机轴端装有增量式光电码盘，通过光电码盘提供反馈信号来完成位置伺服系统的位置反馈，从而组成了一个半闭环控制系统。

Claims

1、一种净化机器人，是包括机座(I)、R向直线伸缩机构(III)、θ向旋转机构(II)、Z向升降机构(II)和末端执行器(IV)，其特征在于：

R向直线伸缩机构通过中心套筒(11)、套筒支撑板(33)与Z向升降机构相连，θ向旋转机构通过旋转平台(6)与机座相连，末端执行器(23)通过小臂转台(20)与R向直线伸缩机构相连，机座由底座(1)、机座外壳(29)以及机座上盖(13)组成，底座(1)与支撑台(2)相连，并通过交叉滚子轴承(37)、旋转机座(4)与旋转平台(6)相连。旋转平台(6)通过6根穿杠(12)与旋转平台上盖(27)相连并形成旋转框架，旋转框架内部安装滚珠花键副(30.1、30.2)，旋转平台(6)的上表面上放置各向机构的驱动电机与同步齿型带轮减速机构，交叉滚子轴承(37)可使整个旋转框架在轴向和径向保持稳定，并防止整个臂体机构产生相对于水平面的倾斜；

R向直线伸缩机构由R向旋转电机(41)、4组(9.1、9.2、9.3；36.1、36.2、36.3；42.1、42.2、42.3；46.1、46.2、46.3)同步齿型带轮减速机构、滚珠花键副(30.1、30.2)、径向直线伸缩机构组成，R向旋转电机41通过3组(42.1、42.2、42.3；46.1、46.2、46.3；36.1、36.2、36.3)同步齿型带轮减速机构、花键轴套(35)与滚珠花键轴(30.1)相连，花键外筒31通过同步齿型带轮机构(9.1、9.2、9.3)、外套筒(14)与臂体机构相连；

θ向旋转机构由旋转电机(50)、2组(51.1、51.2、51.3；55.1、55.2、55.3)同步齿型带轮减速机构、行星轮机构(3.1、3.2、3.3)和旋转平台6组成，旋转电机50通过2组(51.1、51.2、51.3；55.1、55.2、55.3)同步齿型带轮机构与小同步齿型带轮(3.1)相连，大同步齿型带轮(3.3)与机座支撑台(2)相连保持静止，旋转平台(6)通过旋转机座(4)与交叉滚子轴承(37)内圈相连；

Z向升降机构由升降电机(10)、同步齿型带轮机构(5.1、5.2、5.3)、滚珠丝杠副(7.1、7.2)、中心套筒(11)、滚珠花键副(30.1、30.2)和套筒支撑板(33)组成，。升降电机(10)上的小同步齿型带轮(5.1)经同步齿型带(5.2)与大同步齿型带轮(5.3)相连，滚珠丝杆(7.2)与角接触轴承(39)内圈相连，使用轴端挡圈(40)、轴套(37)将滚珠丝杆(7.2)固定在机座的中心轴线上，滚珠丝杠螺母(7.1)与套筒支撑板(33)相连，套筒支撑板(33)通过深沟球轴承与花键螺母外筒(31)相连，末端执行器(23)与末端臂体(21)、末端臂体上盖(22)相连，其内部有通孔，并与气路系统相连；

臂体机构是由大臂体(15)、同步齿型带轮机构(16.1、16.2、16.3)、大臂转台(17)、大臂支撑台(25)，小臂体(18)、同步齿型带轮机构(19.1、19.2、19.3)、小臂旋转台(20)、小臂支撑台(24)和深沟球轴承组成，大臂体(18)与外套筒(15)相连，大同步齿型带轮(16.1)与中心套筒(11)相连，小同步齿型带轮(16.3)与大臂转台(17)相连并在大臂支撑台(25)上被轴向固定，大臂支撑台(25)与大臂体(15)相连，小臂体(18)与大臂转台(17)相连，小同步齿型带轮(19.1)与大臂支撑台(25)相连，大同步齿型带轮(19.3)与小臂支撑台(20)相连并在小臂支撑台(24)上被轴向固定，小臂支撑台(24)与小臂体(18)相连。

2、按照权利要求1所述的净化机器人，其特征在于：各方向的驱动电机、减速机构都放置机座内部，并被安装在旋转平台(6)的上表面上，旋转平台(6)通过旋转机座(4)、交叉滚子轴承(37)、机座支撑台(2)和底座(1)相连。

3、按照权利要求1所述的净化机器人，其特征在于：在机座上盖(13)中的内侧安装浮环密封装置(59)。

4、按照权利要求1所述的净化机器人，其特征在于工作手臂采用轻硬质材料。