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自动上下料机械手系统的结构设计

添加时间:2020/07/21 来源:华东理工大学 作者:李小宾
本课题设计的全新内圆切片生产形式以及设计完成的自动上下料机械手系统能够大大提高内圆切片生产的自动化水平,研究成果具有很好的实际应用前景。
以下为本篇论文正文:

摘要

  内圆切片技术是硅晶圆加工领域的主流技术之一,国内内圆切片主要通过单台机器配合工人人工上下料进行生产,自动化水平较低,越来越不能满足当今行业快速增长的对硅晶圆片的需求。基于当前内圆切片生产的现状,本文以提高内圆切片生产的自动化水平为主要目的,进行了如下研究工作: .

  (1)针对当前内圆切片生产自动化水平较低的问题,经过研究论证后设计了--种全新的内圆切片生产形式:将原有的内圆切片机进行自动化改造,将改造后的内圆切片单元并联成机组,配合为其设计的自动上下料机械手系统形成种全自动切片生产的全新生产形式。

  (2)明确了整个机械手系统所要完成的工作,根据机械手系统的功能要求确定机械手的坐标形式,并对机械手各轴的传动方案进行了设计,根据确定的各轴传动方案进行了其机械结构设计,最终将设计完成的各轴结构进行整合,从而完成了整个机械手系统结构。

  (3)以PLC为控制核心进行了机械手系统的控制程序的设计,并在VS2017环境下利用MFC进行了上位机界面程序的编写,通过后续的调试与改进,最终实现了机械手系统的自动控制。

  本课题设计的全新内圆切片生产形式以及设计完成的自动上下料机械手系统能够大大提高内圆切片生产的自动化水平,研究成果具有很好的实际应用前景。

  关键词:内圆切片:自动上下料:机械手;结构设计:自动控制

Abstract

  Inner circle slicing technology is one of the mainstream technologies in the field of  silicon wafer processing. Domestic inner circular slices are produced mainly by single  machine cooperating with workers' manual feeding and unloading, it's low level of  automation is increasingly unable to meet the rapidly growing demand for silicon wafers in  today's industry. Based on the current situation of the production of inner circle slices, the  research was carried out as follows aims at improving the automation level of the production  of inner circle slices.

  (1) In view of the low level of automation in the production of inner circle slices, a new  production mode of inner circle slices was designed: The automation transformation was  carried out on the original inner circle slicing machine. then the reformed inner circle slicing  unit was connected into a assembling unit to produce cooperate with the automatic feeding  and unloading manipulator system designed for it.

  (2) The work of the whole manipulator system was clearly defined, the coordinate form  of the manipulator was determined according to the functional requirements of the  manipulator system, and the transmission schemes of the axes of the manipulator were  designed. The mechanical structures of the axes were designed according to the determined  transmission schemes. Finally, the overall structure design of the whole manipulator system  was completed by Integrate the structure of each axis.

  (3) The control program of the manipulator system was designed with PLC as the control core, and the upper computer interface program is compiled with MFC under VS2015  environment. Through subsequent debugging and improvement, the automatic control of the  manipulator system was finally realized.  The new production form of inner circle slice and the designed automatic feeding and  unloading manipulator system can greatly improve the automation level of inner circle slice  production, and the research results have good practical application prospects.

  Keywords: Inner circular slice; Automatic feeding and unloading; Manipulator ;Structural  design; Automatic control

目录

  第1章绪论

  1.1课题研究背景

  硅晶圆片是占比最大的IC制造材料,约占制造成本的三分之一左右,目前90%以上的芯片和传感器是基于半导体单晶硅片制成,近几年全球半导体硅片都是供不应求的局面,根据Gartner的预测,硅片市场规模将在2020年达到110亿美元21.

  硅晶圆片加工最早使用的技术是外圆切片技术,但是外圆刀片刚性差,因此切割过程中刀口的摆动量难以控制。当采用加厚刀体的方法增加刀片刚度时,切割刀缝就会变得很宽,这就会极大地浪费被切材料,不仅切割质量较差,硅晶圆片的厚度也比较大,因此外圆切片技术很早就被内圆切片技术所取代。内圆切片技术描述如下:主轴带动内圆刃口作高速旋转运动,硅晶圆棒延内圆刃口径向运动进行进给,以此实现对硅晶圆的切片加工。内圆切片技术所使用的内圆刀片稳定性好,通过张紧能够使很薄的刀片获得较高的刚性,因此其与游离磨料线锯切片技术一样都是半导体材料切割领域关键且应用最为广泛的技术。与外圆切片技术相比,内圆切片技术以其切割损耗小、切割精度高、因切割加工而产生的变质层少、切割速度快、生产效率高等特点和优势取代了外圆切片技术,在半导体材料切割设备领域中占据着重要的地位。

  国内现有内圆切片机主要是通过单台机器配合人工上下料进行切片生产,生产过程不仅工人劳动强度较大,且浪费了大量人工成本,整体生产的自动化水平较低。工业与科学技术日新月异的进步使得当今工业生产的自动化水平越来越高,机器取代人工实现全社会工业生产的全自动化也成为了当前的必然趋势I6,因此,提高现有内圆切片生产模式的自动化水平和生产效率也成为了必然的选择。

  自动上下料一直是自动化生产领域的研究热点。在很多生产形式中,需要给设备进行周期性的上料和下料,如数控加工中心以及使用产线进行大批量生产的工厂。在这种生产形式中若采用人工上下料的方式,工人的劳动强度将会很大,且整个工作过程相当的机械与枯燥,尤其是在设备进行生产的过程中需要工人进行上料操作时,危险性将会很高。在这些生产形式中采用人工进行上下料的弊端十分突出,因此在这些生产场合中用机械手自动上料来完成整个生产过程最为合适。国内由于受制于前期投入的不足以及技术等方面的限制,使得国内工厂中给设备进行上下料的工作大多数仍然由人工完成,因此很多企业在生产过程中存在着生产效率低、精度低、工人的劳动强度大,操作者有发生安全事故的隐惠等- - 系列问题718.

  与人工上下料相比,采用机械手上下料具有如下突出的优点:

  (1)自动上下料机械手装置动作灵敏、运动惯性小。通用性强、精度高,可以长时间连续作业011,(2)采用机械手系统进行上下料操作,不仅可以使工业生产的自动化水平大大提高,同时也能够提高生产效率,在减轻了工人劳动强度的同时为企业节省了大量人工成本。

  机械手系统上下料过程统-规范, 能够保证产品的-致性,保证了产晶质量稳定的同时提高了企业的生产力加1.

  (3)与人工上下料相比,机械手自动上下料更能够适应恶劣的工作环境,例如在热处理、锻造等一些加工环境中,长时间工作不仅会使工人身心疲惫,甚至严重影响工人的身体健康。在这些环境中使用不知疲劳、不怕危险的机械手进行上下料操作能够很好地解决这些问题。

  从以上的分析中可以看出利用机械手进行自动上下料优点突出,而且其取代人工上下料也是一种必然的趋势。

  本课题基于原有内圆切片机提出了内圆切片机组配合机械手系统全自动生产的概念,结合先进控制理论实现整个机组的全自动精确控制,设计出一种自动化水平更高,整体生产布局更为符合智能制造新理念的全自动内圆切片生产机组。与原有内圆切片机相比,该全自动内圆切片生产机组具有的优点主要为:

  改人工上下料为机械手自动上下料,自动化水平大大提高:极大地减少了内圆切片生产过程的人工成本,生产过程更为安全,生产效率更高:生产布局更为合理。

  整个设计方案完全为原创性设计,在内圆切片加工领域是-一个创新。此设计对于改善内圆切片生产加工的自动化程度、提高生产效率、减少工人劳动强度等方面都有着极为重要的意义。

  1.2内圆切片机的国 内外研究现状

  国外切片技术成熟于上世纪七十年代末,到八十年代中期,大部分切片机的加工单晶直径都达到了125mm(5 英寸)以上,瑞士的迈尔布格耶公司生产的卧式内圆切片机加工晶圆直径最大可达304.8mm(12 英寸)。在八十年代中后期内圆切片技术相继商品化。

  1998年1月,日本旭日金刚石工业公司推出T-SM-300内圆切片机,标志着内圆切割技术权上了一个新的台阶,从上世纪90年代末开始,国外内圆切片技术的发展停滞了十余年14.

  直到现在,全球比较有名的生产内圆切片机的厂家包括:日本Tokyo Semitsu 株式会社,其代表机型为TSK系列机:瑞士的Meyer-BurgerAG公司,其代表机型为TS系列机:日本Disco株式会社,其代表机型为DVD系列机;德国GN公司,其代表机型为IDS系列机;美国STC 公司,其代表机型为STC系列机,美国Kayex公司,其代表机型为DS系列机。这些厂商以西欧的TS系列为代表和以东亚的TSK系列为代表形成了世界切片机生产的两大阵容。从结构形式上内圆切片机主要分为卧式和立式两种形式,其中卧式内圆切片机主要由美国和瑞士所生产,英国。法国、西德和日本所生产的内圆切片机主要为立式结构。卧式内圆切片机的单晶棒料安装方式为水平安装,刀片的旋转运动则发生在竖直平面内。立式内圆切片机的棒料则为垂直安装,刀片在水平平面内旋转实现物料切割。目前全球内圆切片机的市场份额大部分都被卧式结构的机型所占据。而从内圆切片机国际市场分布来看,美国的公司基本主宰了其本土市场,瑞士的切片机则远销世界各地、英国公司的产品已逐渐撤出美国市场转向欧洲,东京精密生产的内圆切片机占据着日本的市场、全球剩余市场则由美国、瑞士公司所支配159.

  国内早在1964年时就已经开始了内圆切片机的生产,但仅有上海无专厂和西北机器厂两个生产厂家,此两个厂家最开始均以日本东京精密公司生产的切片机为原型进行仿制并生产出自己的机型。那时内圆切片机就已经全部实现了国产化,并且整机的水平对比日本厂家生产的机型毫不逊色。后来由于历史原因,此后的十年时间国内内圆切片机的生产水平停滞不前。而这时期国外已经开发出了加工晶圆直径达4寸的成套设备,国内与国外技术水平的差距被不断拉大。

  从七十年代末到八十年代中期,半导体专用设备销售市场疲软,在这--时期国内引进了大量的国外先进切片生产设备,但是在引进先进设备时缺乏对本国专业设备制造业进行保护致使国内内圆切片机的制造水平更新缓慢,对比于国外落后了2~3个更新周期。

  当时洛阳单晶硅厂'靠大量引进国外先进内圆切片机作为主要生产装备,一跃成为国内最先进的塑硅材料生产厂家。

  此后一直到本世纪初后的几年,国内专注于研制内圆切片机的仍然仅有信息产业部电子第四十五研究所以及少数的个人厂家。虽然这- -时期国内生产的内圆切片机所能加工的硅晶圆切片的直径范围覆盖了从φ50到0200mm,但是其技术水平仅相当于国外九十年代初期的水平,此后国内出现了加工效率更高的多工位内圆切片机1].其实物如图1所示。

  1.3机械手系统国内外研究现状

  机械手的发展始于上世纪50年代,直到今天已经成为一-种广为人知的科技含量较高的自动生产机械。机械手臂通过各关节之间的相互配合模仿人手臂的运动功能,并通过运动控制程序中的运动规则完成物件的抓取、搬运以及对工具的操作。机械手的出现极大地促进了工业生产自动化和机械化水平的提高,将工人从重复、繁重的劳动中解放了出来,是人类自动化研究过程中的一个里程碑171)。如今,机械手装置被广泛应用于工业自动化生产的各个场合中,随着人们对其研究的不断深入,机械手灵活性大大提高,对比人工生产其所具有的能循环重复工作而不知疲倦、恶劣工作环境中不怕危险,稳定性高、抓举载荷力量比人手大、工作环境应用范围广等一系列特点, 使其在各行各业生产中的关注度越来越高,应用也越来越广泛191.

  机械手首先是从美国开始研制的,第-台机械手于1958 年诞生于美国联合控制公司,其结构较为简单,主体结构仅包括机体以及安装在机体上的一个回转长臂,手部抓取机构通过安装于长臂顶部的电磁块实现对工件的抓取,并采用示教型的控制系统进行控制。1962年,在第- -台机械手方案的基础上,美国联合控制公司又完成了名为Unimate(即万能自动)机械手的试制,其采用数控示教再现型控制系统进行控制。整个机械手的运动系统类似于坦克炮塔,由液压驱动机械手臂的伸缩、俯仰以及回转,并且利用磁鼓作为整个控制系统的存储装置,此款机械手是后续球坐标机械手的发展基础。同年,另一款名为Vewrsatran的机械手也由美国机械制造公司试制成功,该款机械手的中央立柱可以实现升降以及回转运动,其同样采用示教再现型控制系统进行控制。此后全球机械手的发展均以此两款机械手作为基础。1962 年,美国AMF公司研制生产出了全球首个名为"尤曼特"机器人,是工业机器人领城最早的原型机器人之一121.1965年,全球首台能够通过机器视觉技术识别物体且能够实现位置辨识的机器人在美国麻省理工学院研制成功21.1978年, - -种名为Unimate-Vicarm的能将装配作业精度误差降低到+1毫米的工业机械手被美国麻省理工学院、斯坦福大学以及Unimate 公司联合研制成功,其控制系统是一台小型电子计算机。同一时期,德国KuKa公司研制成功了一种采用关节式结构进行控制的点焊机械手。80年代,加州大学伯克利的罗伯特教授以螳螂在崎岖表面的运动特征为原型研制出了一个八条腿机器人,其腿部结构利用铰链和弹簧进行连接,该机器人可以在崎岖路面上快速爬行。在此基础上,多拉尔豪通过相同的思路研制成功了具备人手部分功能的机械手,并利用传感器来模拟人手的触觉感知功能。多拉尔豪的研究成果为机械手以及机器人学界的研究方向提供了一个新的思路,极大地促进了现代工业机械手系统的发展。2005 年,日本的东京大学科研人员研制出了一种腱驱动的假手,其由手腕及5个手指组成,每一根手指拥有3个关节,指间关节通过腱驱动方式运动,肌关节通过电机驱动2.2007年,英国David Gow研制出了- -种名为i-Limb的用于临床恢复的仿生机械手2)。仿生机械手的研究是机械手发展的大趋势。图1.4为仿生机械手的结构。

  我国于20世纪70年代开始进行工业机械手的研制。1972年,上海开始研发出了第一台机械手,随后全国多个省份也相继开始了机械手的研发。七五计划期间,我国开始重视对机械手的研究与应用,并投入了大量资金,在此期间研究并加工制造出了一系列的工,业机械手,如北京机械自动化研究所成功研制了喷涂机器人并成功应用于喷涂作业。

  广州机床研究所与北京机床研究所合作研制成功了点焊型机器人,大连机床研究所独立设计研发出了氩弧焊机器人。这一时期机器人的控制系统基本上都是由北京科技大学机器人研究所与中国科学院沈阳自动化研究所联合进行开发的。与此同时,机器人系统中所使用的一-系列的关键部件如直流伺服电机,专用轴承,编码器,减震齿轮等也被开发了出来124.

  我国主要研究工作大部分都集中在扩大机械手的应用范围上,在研发专用机械手的同时,也不断进行通用机械手的研制,并且取得了- -些列的成果,成功研制出了包括计算机控制机械手、示教再现型机械手、和组合式机械手在内的多种类型机械手。我国的科研人员在机械手的研制过程中也不断总结,将机械手各主要典型的运动构件设计成为通用机构,从而能够根据不同的工作内容选用不同功能的机构,装配成满足所需工作要求的专用机械手,使机械手的各主要零部件实现了通用,既方便了设计制造,又使设备的维护变得简单。

  经过近些年在机械手方面的研发投入,我国在机械手的应用工程方面已经具备了一定的开发制造能力,井培养出了-支了解社会需求,能够根据实际工作条件研发出价格低廉,可与国外老牌公司生产的机械手竞争的机械手的研发队伍25].

  下图为工业制造中常见的几种机械手设备。

  此外,随着工业自动化的发展,轻质材料被越来越多的应用于各种复杂机械系统的部件。上,因材料本身的性质决定了部件变形将会对系统产生更大的影响。在此背景下,产生了一种新型的机械手-柔性机械手。柔性机械手与传统的刚性移动机械手相比,具有负裁重量比高、能耗低、生产成本低等优点。柔性机械手的设计及研究已经成为了国内外机械手研究领域的热点2612].

  1.4课题研究意义

  迄今为止,国内内圆切片的生产形式- - 直是以单台机器配合人工上下料进行生产,生产自动化水平较低,工人劳动强度较大,整个生产过程存在一-定的安全隐患。本课题研发出一种全新的内圆切片生产形式,即首先对原有小型内圆切片机进行自动化改造,并将改造后的内圆切片机并连成机组,结合自动上下料的生产理念,配合为其配套设计的自动上下料机械手系统完成内圆切片的全自动化生产,改变了原有内圆切片生产过程中机械、枯燥,而且还有一-定 的危险性的人工上下料生产形式的弊端,极大地提高了内圆切片的自动化水平。整个内圆切片机组生产模式新颖,整体布局合理,功能原理先进,具有很好的应用前景。

  1.5课题的研究内容及论文 总体结构

  论文的主要研究内容和论文总体结构如下:

  第1章:对课题的研究背景和意义进行了详细介绍,并介绍了内圆切片技术以及机。

  械手系统的国内外发展现状,引出了内圆切片生产的发展趋势,突出了本研究的运用前景和意义。

  第2章:以现有内圆切片生产的突出缺点为依据,对内圆切片机的自动化改造方案。

  以及整个内圆切片机组的布置方案进行了设计,并叙述了自动化改造过程中的重点改造部分。

  第3章:完成了机械手整体结构形式选择以及各轴传动方案设计,然后对各轴传动方案进行整合并完成了其结构设计,并对因机械手结构变形引起的运动定位精度误差及消除方式进行了分析,最后对机械手系统中的关键零部件进行了选型计算。

  第4章:完成了机械手系统控制系统的设计,包括控制系统硬件选择、传感器布局、控制程序各模块功能设计及实现,以及上位机界面程序开发设计等内容。

  第5章完成了机械手控制系统软硬件系统的搭建,在完成控制系统。上下位机通讯的同时对控制程序的功能实现进行了调试。

  第6章:总结整个研究所做出的工作成果,并对后续工作的完善进行了展望。






  第2章内圆切片机自动化改造及机组整体方案设计
  2.1全新内圆切片机组方案论证
  2.1.1针对现有内圆切片机各缺点的解决方案研.
  2.1.2新机组方案研究设计
  2.2新机组各系统组成及功能分析与研究
  2.3主要结构与自动化改造研究
  2.3.1切片机工作单元改造设计研究
  2.3.2刀架系统改造方案研究
  2.4本章小结

  第3章上下料机械手系统设计
  3.1上下料机械手总体方案设计
  3.1.1上下料机械手工作环境
  3.1.2上下料机械手系统总体要求
  3.1.3内圆切片机组组成及设备布局
  3.2.上下料机械手方案设计
  3.2.1机械手系统本体结构设计方案,
  3.2.3机械手各轴传动方案设计

  3.3.上下料机械手主要结构设计
  3.3.1旋转轴结构设计
  3.3.2水平轴結构设计
  3.33垂直轴结构设计
  3.3.4移动轴结构设计
  3.3.5驱动轴结构设计
  3.3.6承料架及料仓结构设计
  3.3.7机械手爪结构设计
  3.3.8机械手系统整体结构

  3.4主要结构形变对机械手系统运动精度的影响分析
  3.4.1支架顶板形变分析
  3.4.2承载架形变分析
  3.4.3料仓支架形变分析
  3.4.4因构件形变引起的定位运动误差消除方式分析

  3.5.上下料机械手关键零部件计算,
  3.5.1机械手各轴关键参数确定
  3.5.2夹紧气缸选型
  3.5.3锿珠丝杆选型
  3.6本章小結

  第4章机械手控制系统设计
  4.1机械手控制系统整体组成
  4.2机械手控制系统硬件设计
  4.2.1机械手系统传感器布置方案
  4.2.2控制器介绍及选型
  4.2.3步进电机介绍及选型

  4.3机械手系统PLC控制程序设计
  43.1PLC控制程序組成
  4.3.2初始化程序设计
  4.3.3运动模式选择程序设计
  4.3.4原点回归程序设计
  4.3.5手动控制程序设计
  4.3.6自动控制程序设计

  4.4控制系统上位机界面开发
  4.4.1界面程序主体结构设计
  4.4.2界面程序各模块功能实现
  4.5本章小结

  第5章控制系统搭建及调试
  5.1控制系统描建
  5.1.1控劊系统接线
  5.1.2控制柜设计
  5.2系统调
  5.2.1通讯调试
  5.2.2程序功能实现调试

第6章总结与展望

  6.1研究总结

  内圆切片机是半导体加工行业的关键设备,在硅晶圆加工领域占据着重要地位。国内的内圆切片主要以单台机器配合人工上下料进行生产,自动化水平较低,在IC产业飞速发展,对硅晶圆片需求越来越大的今天,这种生产形式越来越不能满足社会对硅品圆片的需求。针对这-行业现状,本文以内圆切片生产的突出缺点为出发点,对国内现在广泛使用的小型内圆切片机进行了自动化改造,并将改造后的内圆切片单元井联成机组,为整个机组设计了自动上下料机械手系统,实现了机械手系统的自动控制,设计完成的内圆切片机组及其自动上下料机械手配合生产,最终极大地提高了内圆切片生产的自动化水平,并具有良好的应用前景。

  本文的主要研究成果总结如下:

  (1)针对现有内圆切片生产形式自动化水平较低的缺点,对现有的内圆切片机进行了自动化改造,提出了一种全新的内圆切片生产形式:即将改造后的内圆切片机并联成机组,然后配合为其设计的自动上下料机械手系统进行全自动化内圆切片生产。最终,确定了内圆切片机组整体布置方案及整个切片生产形式的系统组成,明确了各个机械系统所需要完成的工作。

  (2)在明确了机械手系统所要实现的主要功能的基础上,根据功能需求确定了机械手系统的结构形式和结构组成,完成了机械手系统各轴传动方案的研究与设计,根据设计的各轴传动方案进行了各轴传动的结构实现,同时在对料仓的上下料方式设计的基础。上完成了料仓部分结构的设计,最终将设计完成的各轴传动结构以及料仓结构进行整合,完成了整个上下料机械手系统的结构设计,并对因机械手结构变形引起的运动定位精度误差及消除方式进行了分析,最后对机械手系统中主要零部件进行了选型与校核计算。

  (3)根据整个机械手系统所要完成的功能对整个系统的运动形式进行了具体分析与规划,根据规划好的运动流程最终完成了系统各个运动模式下控制程序的编写。同时根据控制程序的具体功能完成了机械手控制系统上位机界面程序的编写,并对上位机界面中各控制模块的功能进行了实现。

  (4)在明确了控制系统硬件组成的基础上完成了整个控制系统的搭建,实现了上位机与PLC的通讯,通过后续的调试修改了控制程序以及界面程序的不足,最终实现了机械手系统的自动控制,为后续实际生产中控制系统的实现和调试提供了理论基础。

  6.2展望

  本次研究设计了一种自动上下料机械手配合内圆切片单元的全新内圆切片生产形式,并完成了机械手系统的总体结构设计,实现了机械手系统的自动控制,极大地提高了内圆切片生产的自动化水平。但因个人水平和时间的局限,整个研究仍有-些不足之处,需要后续进行补充和完善:

  1、整个机械手系统完成了整体结构设计以及零部件的结构设计,并在SolidWorks中进行了虛拟装配,后续还将进行样机的加工与调试,以验证系统实际应用过程中的协调性和可靠性。

  2.在实验室中对整个控制系统进行了调试,并对控制程序和上位机界面的不足之处进行了修改,整个控制系统后续还需要进行现场工作调试,以验证整个控制系统在实际工作中的稳定性。后续现场调试时还需根据整个控制程序的实际运行情况对其进行进一步的修改和完善。

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致谢

  忙碌的研究生生活已接近尾声,在课题论文即将截稿之际,我想借此机会向在学习期间帮助过我的老师和同学致上最真诚的感谢。

  首先要感谢的人就是我的导师高志教授,从研究生生涯初始阶段-直到现在论文即将截稿之际,高老师都给予了我无私的关心和帮助,无论是其在科学研究中专注负责的态度,还是对学生倾注心血的无私教导和培养,都对我的生活和学习态度产生了深刻的影响,使我受益良多。

  其次,我要感谢实骑室同窗。以及我的室友们在学习和生活中给子我的支持和鼓励,因为有你们,我的研究生生活变得丰富多彩。

  最后我要感谢我的父母多年以来对我默默的付出,是你们的爱和支持让我能够一直走到今天。在今后的生活中,我会继续努力,不辜负你们的期望。

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