專利名稱：一種凈化機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于工業(yè)用機器人技術領域，涉及一種凈化機器人，特別涉及到一種硅片傳輸凈化機器人，主要是指在集成電路制造中不同的加工模塊之間實現(xiàn)硅片傳輸?shù)囊环N凈化機器人。
背景技術：
微電子技術的發(fā)展，使得集成電路制造技術及其裝備總是處于不斷的變革之中。特別是當前隨著硅片尺寸的增大以及特征線寬的減小，對集成電路制造裝備的速度、精度以及潔凈度提出了更高的要求。硅片傳輸系統(tǒng)在集成電路的制造中是必不可少的組成部分，而凈化機器人在該系統(tǒng)中占有重要的地位。它主要承擔著硅片的精確定位與快速、平穩(wěn)的搬運任務。凈化機器人自身要實現(xiàn)三種運動，即升降運動，旋轉(zhuǎn)運動，以及徑向直線伸縮運動，最終使末端執(zhí)行器完成硅片的搬運操作。
已有的技術，如下專利名稱為工件處理機器人，專利號為CN 1344194A，其特點是Z向是驅(qū)動電機帶動螺旋絲桿旋轉(zhuǎn)再驅(qū)動絲桿螺母垂直移動來實現(xiàn)，垂直于Z向的X-Y面內(nèi)的運動分別由兩個驅(qū)動電機、剛帶、滑輪以及無縫矩形管形成的連桿等傳動機構運動來實現(xiàn)。具體地，中心支柱包括一對重疊的同心軸。第一電機設置在基體內(nèi)垂直移動各軸，第二電機設置在基體內(nèi)通過外軸驅(qū)動近端連桿，而第三電機設置在基體內(nèi)通過內(nèi)軸轉(zhuǎn)動遠端連桿。該機器人屬于間接驅(qū)動的平面關節(jié)型機器人，其機械結構復雜，對控制系統(tǒng)的要求較高，不宜制作。
專利名稱為一種傳輸機器人，專利號為CN 2762970Y，其特點是Z向、θ向運動采用滾珠螺桿花鍵副來實現(xiàn)，R向運動采用同步齒型帶輪機構與連桿機構組合來實現(xiàn)。該機器人由于R向驅(qū)動電機、減速裝置放置在手臂中使得手臂體積、重量增大，從而使整個手臂轉(zhuǎn)動慣量變大，所以不宜實現(xiàn)高速運動。同時由于未使用密封裝置，該機器人對硅片傳輸環(huán)境的潔凈度也將產(chǎn)生影響。
專利名稱為二維并聯(lián)驅(qū)動的凈化搬運機器人，專利號為CN 1779936A，其特點是采用并聯(lián)式聯(lián)結結構實現(xiàn)R向和Z向運動。由于該機器人只限于二維方向的運動，所以其運動范圍、工作空間有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是針對已有技術的不足之處，提供一種結構簡單新穎、運動慣量小、占地空間小、工作空間較大、應用潔凈度高、制作維護容易，同時可實現(xiàn)徑向直線伸縮運動、旋轉(zhuǎn)運動和升降運動的高速高精度的凈化機器人。各工作手臂的重量質(zhì)量較輕、硬度較高的材料(如硬質(zhì)鋁合金)加工制作。
本發(fā)明的技術方案是該凈化機器人是由機座I、R向直線伸縮機構III、θ向旋轉(zhuǎn)機構II、Z向升降機構II和末端執(zhí)行IV組成。R向直線伸縮機構、θ向旋轉(zhuǎn)機構、Z向升降機構的驅(qū)動部件以及對應的傳動裝置都放置在機座內(nèi)部，并在機座上蓋13的內(nèi)側安裝浮環(huán)密封裝置29。其中各向運動既可以實現(xiàn)單獨運動，也可實現(xiàn)任意兩向或3向同時運動。
R向直線伸縮機構通過套筒支撐板33、中心套筒11與Z向升降機構相連，θ向旋轉(zhuǎn)機構通過旋轉(zhuǎn)平臺6與機座相連，末端執(zhí)行器23通過小臂轉(zhuǎn)臺20與R向直線伸縮機構相連；機座由底座1、機座外殼29以及機座上蓋13組成，底座1與支撐臺2相連，并通過交叉滾子軸承37、旋轉(zhuǎn)機座4與旋轉(zhuǎn)平臺6相連；旋轉(zhuǎn)平臺6通過6根穿杠與旋轉(zhuǎn)平臺上蓋27相連并形成旋轉(zhuǎn)框架，旋轉(zhuǎn)框架內(nèi)部安裝滾珠花鍵副(30.1、30.2)，而旋轉(zhuǎn)平臺6的上表面上放置各向機構的驅(qū)動電機與同步齒型帶輪減速機構。交叉滾子軸承37可使整個旋轉(zhuǎn)框架在軸向和徑向保持穩(wěn)定，并防止整個臂體機構產(chǎn)生相對于水平面的傾斜。
R向直線伸縮機構由R向旋轉(zhuǎn)電機、4組(9.1、9.2、9.3；36.1、36.2、36.3；42.1、42.2、42.3；46.1、46.2、46.3)同步齒型帶輪減速機構、滾珠花鍵副(30.1、30.2)、徑向直線伸縮機構組成，如圖2、3所示。R向旋轉(zhuǎn)電機41通過3組(42.1、42.2、42.3；46.1、46.2、46.3；36.1、36.2、36.3)同步齒型帶輪減速機構、花鍵軸套35與滾珠花鍵軸30.1相連，花鍵螺母外筒31通過同步齒型帶輪機構(9.1、9.2、9.3)、外套筒14與臂體機構相連。
θ向旋轉(zhuǎn)機構由旋轉(zhuǎn)電機50、2組(51.1、51.2、51.3；55.1、55.2、55.3)同步齒型帶輪減速機構、行星輪機構(3.1、3.2、3.3)以及旋轉(zhuǎn)平臺6組成，如圖2、4所示。旋轉(zhuǎn)電機50通過2組(51.1、51.2、51.3；55.1、55.2、55.3)同步齒型帶輪機構與小同步齒型帶輪3.1相連，大同步齒型帶輪3.3與機座支撐臺2相連保持靜止，旋轉(zhuǎn)平臺6通過旋轉(zhuǎn)機座4與交叉滾子軸承37內(nèi)圈相連。
Z向升降機構由升降電機10、同步齒型帶輪機構(5.1、5.2、5.3)、滾珠絲杠副(7.1、7.2)、中心套筒11、滾珠花鍵副(30.1、30.2)和套筒支撐板33組成，如圖2所示。升降電機10上的小同步齒型帶輪5.1經(jīng)同步齒型帶5.2與大同步齒型帶輪5.3相連，滾珠絲桿7.2與角接觸軸承39內(nèi)圈相連，使用軸端擋圈40、軸套37將滾珠絲桿7.2固定在機座的中心軸線上，滾珠絲杠螺母7.1與套筒支撐板33相連，套筒支撐板33通過深溝球軸承與花鍵外筒相連，末端執(zhí)行器23與末端臂體21、末端臂體上蓋22相連，其內(nèi)部有通孔，并與氣路系統(tǒng)相連。
臂體機構是由大臂體15、同步齒型帶輪機構(16.1、16.2、16.3)、大臂轉(zhuǎn)臺17、大臂支撐臺25，小臂體18、同步齒型帶輪機構19、小臂旋轉(zhuǎn)臺20、小臂支撐臺24和深溝球軸承組成，如圖2所示。大臂體18與外套筒15相連，大同步齒型帶輪16.1與中心套筒11相連，小同步齒型帶輪16.3與大臂轉(zhuǎn)臺17相連并在大臂支撐臺25上被軸向固定，大臂支撐臺25與大臂體15相連，小臂體18與大臂轉(zhuǎn)臺17相連，小同步齒型帶輪19.1與大臂支撐臺25相連，大同步齒型帶輪19.3與小臂支撐臺20相連并在小臂支撐臺24上被軸向固定，小臂支撐臺24與小臂體18相連。
機座上蓋13內(nèi)側安裝浮環(huán)密封裝置59，同時使外套筒14與浮環(huán)密封裝置在徑向上保持較小的間隙，如圖5所表示。
本發(fā)明的效果和益處是(1)機器人機構簡單新穎、運動慣量小、占地空間小、工作空間較大、應用潔凈度高、制作維護容易，可實現(xiàn)R向、θ向和Z向高速高精度的運動性能。
(2)在機座上蓋的內(nèi)側安裝浮環(huán)密封裝置，防止由傳動裝置產(chǎn)生的塵埃粒子進入高潔凈的制造環(huán)境，同時使用帶的傳動方式將動力從低潔凈環(huán)境傳輸?shù)礁邼崈舡h(huán)境，帶動手臂運動，從而有利于潔凈室系統(tǒng)的維護。
(3)各向運動既可以實現(xiàn)單獨運動，也可實現(xiàn)任意兩向或三向同時運動，各向運動易于控制。
(4)采用了質(zhì)量較輕、硬度較高的材料(如硬質(zhì)鋁合金)進行加工制作，減輕各工作手臂的重量。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的凈化機器人的外觀圖。
圖2是本發(fā)明的凈化機器人的整體結構剖視圖。
圖3是本發(fā)明的凈化機器人的R向驅(qū)動部件的剖視圖。
圖4是本發(fā)明的凈化機器人的θ向驅(qū)動部件的剖視圖。
圖5是本發(fā)明的凈化機器人的機座上蓋的結構剖視圖。
圖1中，I.機座，II.Z向升降、θ向旋轉(zhuǎn)機構，III.R向直線伸縮機構，IV.末端執(zhí)行器。
圖2中，1.底座，2.機座支撐臺，3.中心同步齒型帶輪，4.旋轉(zhuǎn)機座，5.1.小同步齒型帶輪，5.2.同步齒型帶，5.3.大同步齒型帶輪，6.旋轉(zhuǎn)平臺，7.1.滾珠絲桿，7.2.滾珠絲杠螺母，8.擋圈，9.1.小同步齒型帶輪，9.2.同步齒型帶，9.3.大同步齒型帶輪，10.Z向升降電機，11.中心套筒，12.穿杠，13.機座上蓋，14.外套筒，15.大臂體，16.1.大同步齒型帶輪，16.2.同步齒型帶，16.3.小同步齒型帶輪，17.大臂轉(zhuǎn)臺，18.小臂體，19.1.小同步齒型帶輪，19.2.同步齒型帶輪，19.3.大同步齒型帶輪，20.小臂轉(zhuǎn)臺，21.末端手臂，22.末端手臂上蓋，23.末端執(zhí)行器，24.小臂支撐臺，25.大臂支撐臺，26.張緊輪機構，27.旋轉(zhuǎn)平臺上蓋，28.軸承機座，29.機座外殼，30.1.滾珠花鍵軸，30.2.滾珠花鍵螺母，31.花鍵螺母外筒，32.軸承壓蓋，33.套筒支撐板，34.軸承壓蓋，35.花鍵軸套，36.同步齒型帶輪機構，37.交叉滾子軸承，38.軸套，39.角接觸球軸承，40.軸端擋圈。
圖3中，41.R向旋轉(zhuǎn)電機，42.1.小同步齒型帶輪，42.2.同步齒型帶輪，42.2.大同步齒型帶輪，43.軸承機座，44.軸套，45.軸，46.1.小同步齒型帶輪，46.2.同步齒型帶，46.3.大同步齒型帶輪，47.軸，48.軸套，49.軸承機座。
圖4中，50.θ向旋轉(zhuǎn)電機，51.1.小同步齒型帶輪，51.2.同步齒型帶，51.3.大同步齒型帶輪，52.軸承機座，53.軸套，54.軸，55.1.小同步齒型帶輪，55.2.同步齒型帶，55.3.大同步齒型帶輪，56.軸，57.軸套，58.軸承機座。
圖5中，13.機座上蓋，14.外套筒，59.浮環(huán)密封裝置。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明做更詳細地描述本發(fā)明的凈化機器人是由機座I，R向直線伸縮機構III、θ向旋轉(zhuǎn)機構II、Z向升降機構II以及末端執(zhí)行器IV組成。
R向運動旋轉(zhuǎn)電機41經(jīng)過3組(42.1、42.2、42.3；46.1、46.2、46.3；36.1、36.2、36.3)同步齒型帶輪減速機構、花鍵軸套35帶動滾珠花鍵軸30.1旋轉(zhuǎn)，滾珠花鍵軸30.1通過花鍵螺母30.2進行扭矩傳遞，進而使花鍵螺母30.2通過螺母外套31帶動與其相連的小同步齒型帶輪9.1旋轉(zhuǎn)，通過同步齒型帶9.2、大同步齒型帶輪9.3進而驅(qū)動外套筒15以及與其固聯(lián)的大臂體15圍繞機座中心軸進行旋轉(zhuǎn)。大臂體15中的大同步齒型帶輪16.1因與中心套筒11固聯(lián)，故在機座中心軸的旋轉(zhuǎn)方向上保持靜止，而小同步齒型帶輪16.3通過大臂轉(zhuǎn)臺17、深溝球軸承，軸向上被固定在大臂支撐臺25上，從而大同步齒型帶輪16.1、同步齒型帶16.2和小同步齒型帶輪16.3構成一套行星周轉(zhuǎn)輪系。大臂體15的運動不僅驅(qū)動小同步齒型帶輪16.3進行旋轉(zhuǎn)運動，也通過大臂轉(zhuǎn)臺17帶動小臂體18圍繞大臂支撐臺25的中心軸線進行旋轉(zhuǎn)運動。小臂體18中的小同步齒型帶輪19.1與大臂支撐臺上端面固聯(lián)并保持相對靜止，大同步齒型帶輪19.3通過小臂轉(zhuǎn)臺20、深溝球軸承，軸向上固定在小臂支撐臺24上，同樣使得小同步齒型帶輪19.1、同步帶19.2和大同步齒型帶輪19.3構成一套行星周轉(zhuǎn)輪系。小臂體18的轉(zhuǎn)動通過大同步齒型帶輪19.3、大臂轉(zhuǎn)臺20，最終驅(qū)動末端臂體21、末端臂體上蓋22以及與其固聯(lián)的末端執(zhí)行器23同時進行運動。
同步帶輪機構(16.1、16.2、16.3)的傳動比為2∶1，同步帶輪機構(19.1、19.2、19.3)的傳動比為1∶2，大臂體15和小臂體18中兩個同步齒型帶輪的中心距離相等。基于以上條件，上述的兩套行星周轉(zhuǎn)輪系的共同作用下使得末端執(zhí)行器始終沿著徑向方向做直線伸縮運動。
θ向運動旋轉(zhuǎn)電機50通過2組(51.1、51.2、51.3；55.1、55.2、55.3)同步齒型帶輪減速機構驅(qū)動小同步齒型帶輪3.1旋轉(zhuǎn)，大同步齒型帶輪3.3與機座支撐臺2相連并保持靜止。小同步齒型帶輪3.1、同步帶3.2和大同步齒型帶輪3.3構成一套行星輪周轉(zhuǎn)輪系。小同步齒型帶輪3.1的旋轉(zhuǎn)便驅(qū)動旋轉(zhuǎn)平臺6、以及其上的所有部件圍繞機座中心軸進行旋轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)整個臂體機構的旋轉(zhuǎn)運動。
Z向運動伸降電機10帶動其上的小同步齒型帶輪5.1進行旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過同步齒型帶5.2驅(qū)動大同步齒型帶輪5.3旋轉(zhuǎn)。大同步齒型帶輪5.3通過鍵帶動滾珠螺桿7.1進行旋轉(zhuǎn)，滾珠螺桿7.1帶動滾珠絲杠螺母7.2以及與其固聯(lián)的套筒支撐板33、中心套筒11、外套筒14、滾珠花鍵螺母30.2以及整體臂體機構沿滾珠花鍵軸30.1所在的方向進行運動。滾珠花鍵軸30.1安裝在與旋轉(zhuǎn)平臺6的上表面相垂直的方向上，Z向運動時滾珠花鍵螺母30.2沿滾珠花鍵軸30.1運動完成Z向上的導向功能。采用滾珠花鍵使整個臂體機構等部件始終保持在Z向的豎直方向上，而且不能偏離該方向。
本發(fā)明的凈化機器人的控制器選用位置控制模式?？刂葡到y(tǒng)由四部分組成，即主控微機(PC機)、伺服運動控制卡(MPC02卡)、交流伺服電機、傳感檢測。主控微機(PC機)用于執(zhí)行上層管理功能，主要負責人機交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控方面的工作。伺服運動控制卡(MPC02卡)是基于主控微機(PC機)PCI總線的數(shù)字式伺服電機的上位控制單元，由它作為下層運動控制器，執(zhí)行運動控制的所有細節(jié)(包括脈沖和方向的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢查)。主控微機(PC機)與伺服運動控制卡(MPC02卡)相連構成主從式控制結構，它通過數(shù)據(jù)線發(fā)送位置或速度命令，設置、調(diào)節(jié)參數(shù)，并進行數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換，使輸出的模擬信號經(jīng)過交流伺服放大器后驅(qū)動交流伺服電機。交流伺服電機軸端裝有增量式光電碼盤，通過光電碼盤提供反饋信號來完成位置伺服系統(tǒng)的位置反饋，從而組成了一個半閉環(huán)控制系統(tǒng)。
權利要求
1.一種凈化機器人，是包括機座(I)、R向直線伸縮機構(III)、θ向旋轉(zhuǎn)機構(II)、Z向升降機構(II)和末端執(zhí)行器(IV)，其特征在于R向直線伸縮機構通過中心套筒(11)、套筒支撐板(33)與Z向升降機構相連，θ向旋轉(zhuǎn)機構通過旋轉(zhuǎn)平臺(6)與機座相連，末端執(zhí)行器(23)通過小臂轉(zhuǎn)臺(20)與R向直線伸縮機構相連，機座由底座(1)、機座外殼(29)以及機座上蓋(13)組成，底座(1)與支撐臺(2)相連，并通過交叉滾子軸承(37)、旋轉(zhuǎn)機座(4)與旋轉(zhuǎn)平臺(6)相連。旋轉(zhuǎn)平臺(6)通過6根穿杠(12)與旋轉(zhuǎn)平臺上蓋(27)相連并形成旋轉(zhuǎn)框架，旋轉(zhuǎn)框架內(nèi)部安裝滾珠花鍵副(30.1、30.2)，旋轉(zhuǎn)平臺(6)的上表面上放置各向機構的驅(qū)動電機與同步齒型帶輪減速機構，交叉滾子軸承(37)可使整個旋轉(zhuǎn)框架在軸向和徑向保持穩(wěn)定，并防止整個臂體機構產(chǎn)生相對于水平面的傾斜；R向直線伸縮機構由R向旋轉(zhuǎn)電機(41)、4組(9.1、9.2、9.3；36.1、36.2、36.3；42.1、42.2、42.3；46.1、46.2、46.3)同步齒型帶輪減速機構、滾珠花鍵副(30.1、30.2)、徑向直線伸縮機構組成，R向旋轉(zhuǎn)電機41通過3組(42.1、42.2、42.3；46.1、46.2、46.3；36.1、36.2、36.3)同步齒型帶輪減速機構、花鍵軸套(35)與滾珠花鍵軸(30.1)相連，花鍵外筒31通過同步齒型帶輪機構(9.1、9.2、9.3)、外套筒(14)與臂體機構相連；θ向旋轉(zhuǎn)機構由旋轉(zhuǎn)電機(50)、2組(51.1、51.2、51.3；55.1、55.2、55.3)同步齒型帶輪減速機構、行星輪機構(3.1、3.2、3.3)和旋轉(zhuǎn)平臺6組成，旋轉(zhuǎn)電機50通過2組(51.1、51.2、51.3；55.1、55.2、55.3)同步齒型帶輪機構與小同步齒型帶輪(3.1)相連，大同步齒型帶輪(3.3)與機座支撐臺(2)相連保持靜止，旋轉(zhuǎn)平臺(6)通過旋轉(zhuǎn)機座(4)與交叉滾子軸承(37)內(nèi)圈相連；Z向升降機構由升降電機(10)、同步齒型帶輪機構(5.1、5.2、5.3)、滾珠絲杠副(7.1、7.2)、中心套筒(11)、滾珠花鍵副(30.1、30.2)和套筒支撐板(33)組成，。升降電機(10)上的小同步齒型帶輪(5.1)經(jīng)同步齒型帶(5.2)與大同步齒型帶輪(5.3)相連，滾珠絲桿(7.2)與角接觸軸承(39)內(nèi)圈相連，使用軸端擋圈(40)、軸套(37)將滾珠絲桿(7.2)固定在機座的中心軸線上，滾珠絲杠螺母(7.1)與套筒支撐板(33)相連，套筒支撐板(33)通過深溝球軸承與花鍵螺母外筒(31)相連，末端執(zhí)行器(23)與末端臂體(21)、末端臂體上蓋(22)相連，其內(nèi)部有通孔，并與氣路系統(tǒng)相連；臂體機構是由大臂體(15)、同步齒型帶輪機構(16.1、16.2、16.3)、大臂轉(zhuǎn)臺(17)、大臂支撐臺(25)，小臂體(18)、同步齒型帶輪機構(19.1、19.2、19.3)、小臂旋轉(zhuǎn)臺(20)、小臂支撐臺(24)和深溝球軸承組成，大臂體(18)與外套筒(15)相連，大同步齒型帶輪(16.1)與中心套筒(11)相連，小同步齒型帶輪(16.3)與大臂轉(zhuǎn)臺(17)相連并在大臂支撐臺(25)上被軸向固定，大臂支撐臺(25)與大臂體(15)相連，小臂體(18)與大臂轉(zhuǎn)臺(17)相連，小同步齒型帶輪(19.1)與大臂支撐臺(25)相連，大同步齒型帶輪(19.3)與小臂支撐臺(20)相連并在小臂支撐臺(24)上被軸向固定，小臂支撐臺(24)與小臂體(18)相連。
2.按照權利要求1所述的凈化機器人，其特征在于各方向的驅(qū)動電機、減速機構都放置機座內(nèi)部，并被安裝在旋轉(zhuǎn)平臺(6)的上表面上，旋轉(zhuǎn)平臺(6)通過旋轉(zhuǎn)機座(4)、交叉滾子軸承(37)、機座支撐臺(2)和底座(1)相連。
3.按照權利要求1所述的凈化機器人，其特征在于在機座上蓋(13)中的內(nèi)側安裝浮環(huán)密封裝置(59)。
4.按照權利要求1所述的凈化機器人，其特征在于工作手臂采用輕硬質(zhì)材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型工業(yè)用機器人，主要是指在集成電路制造中不同加工模塊之間實現(xiàn)硅片傳輸?shù)囊环N凈化機器人。其特征是它包括機座I、R向直線伸縮機構III、θ向旋轉(zhuǎn)機構II、Z向升降機構II和末端執(zhí)行器IV。其各向機構的驅(qū)動部件與傳動裝置都放置在機座內(nèi)部，并采用浮環(huán)密封裝置防止傳動裝置產(chǎn)生的塵埃粒子進入高潔凈的硅片制造環(huán)境，同時使用同步齒型帶的傳動方式將動力從低潔凈環(huán)境傳輸?shù)礁邼崈舡h(huán)境，帶動各節(jié)手臂運動。控制方式采用主控微機(PC機)與伺服運動控制卡(MPC02卡)構成的主從式控制結構。本發(fā)明的機器人機構簡單新穎、運動慣量小、占地空間小、工作空間較大、應用潔凈度高、制作維護容易，可實現(xiàn)R向、θ向和Z向高速高精度的運動性能。
文檔編號B25J18/04GK1935469SQ20061004806
公開日2007年3月28日 申請日期2006年10月17日 優(yōu)先權日2006年10月17日
發(fā)明者叢明, 沈?qū)毢? 于旭, 杜宇, 金立剛 申請人:大連理工大學