气动旋回流驱动非接触气爪搬运系统【开题报告】.doc

1、1毕业论文开题报告机械设计制造及其自动化气动旋回流驱动非接触气爪搬运系统一、选题的背景与意义1半导体制造的非接触要求在现代半导体生产工艺中，硅片的夹持与输送是半导体生产工艺中的一个重要环节，硅片夹持装置的性能要求由硅片夹持运输过程的特点以及硅片本身的特点决定。硅片在生产制造过程中要经过几百道加工工序，需要进行许多次夹持过程，这就要求夹持装置的可靠性和安全性要高；且硅片为贵重工件，夹持装置对硅片的损伤越小，越可以提高硅片利用率，减小利益损失，所以硅片夹持装置对硅片的损伤要尽可能小，保证硅片洁净，表面平整光亮呈镜面，无麻坑、橘皮状、波纹、划痕、雾状等缺陷。硅片的大直径化发展趋势，使得硅片更易产生翘

2、曲变形，面型精度和表面光洁度不易保持，加工效率低等一系列严重问题。硅片直径变大，每个硅片的重量增加，更主要是相应硅片的价值也急速上升，人工搬运的经济风险太大，需要自动化传输系统。如今硅片直径由200MM向300MM甚至450MM过渡，从技术上要考虑硅片的平整度及弯曲度等影响，以及硅片的表面态，所以技术难度不可低估。因此，大直径硅片的应用将对硅片的超精密加工技术提出新的挑战，而硅片夹持装置在硅片的超精密加工技术中占有重要地位，不仅需要完成稳定夹持过程，还必须保证硅片不发生翘曲变形、表面超洁净、应力分布均匀、具有高的机械强度等作用。现有的几种硅片夹持方式及其缺点（1）机械夹持机械夹持方法，如机械活

3、动夹钳等，容易使硅片发生翘曲变形或者损坏硅片的边缘区域，目前在硅片加工过程中已经很少使用，在硅片夹持和运输过程中，也正逐步被其他夹持方式所取代。（2）静电吸盘夹持方式目前静电吸盘的形式很多，大致可分为两个类型一种是硅片本身也通上高压，称作“平板电容式静电吸盘”另一种不对硅片直接加压，称为“整体电极式静电吸盘”，后者的吸力比较小，但硅片无需通电。静电吸盘主要在化学气相沉积等真空环境下使用。静电吸盘的优点在于作用力在吸盘上的变化比较平缓，不会产生应力集2中，也不会导致硅片在吸盘表面发生超过100M的变形。由于静电吸盘与硅片边缘不是直接接触，避免了对硅片边缘的损坏和金属污染，但这种吸盘的缺点是吸附力

4、较小。（3）真空吸盘夹持方式真空吸盘利用真空负压来吸附工件，是目前使用最广泛的硅片夹持方法。真空吸盘是由真空维持其吸力，因此需要有真空产生装置和密封良好的吸盘，才能保持其吸力吸盘材料一般采用丁睛橡胶制成，因为需要密封良好才能产生足够的吸力，因此吸盘需要和物体接触，此举容易造成吸盘的磨损，同时也容易发生吸盘对大学硕士学位论文第L章绪论被吸物表面产生破坏的情况。另一方面，若吸盘有污渍，也容易在被夹持工件上留下痕迹，对一些精密的元件而言，这些都是不允许的。旋回流驱动非接触夹持的优点与同类气动非接触夹持方式相比，旋回流驱动非接触夹持方式具有耗较少的气体即可产生和伯努利原理相同的吸附力，具有清洁无污染、

5、不发热、不产生磁场和能够高速传输等优点，是非接触搬运领域的主流技术。有利于大直径、大质量硅片夹持与运输。并且产生的噪音相对较小。同时利用该原理开发的装置可以推广应用到食品包装、印刷、微电子、电讯、医药等诸多领域，因而被各研究机构看好，并认为是现有生产环境下最有前景的方式之一。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题1掌握气动旋回流驱动非接触夹持的基本原理图1旋涡式非接触真空吸盘的工作原理图图1为旋涡式非接触真空吸盘的工作原理示意图。压缩气体从吸盘顶部沿切线方向进入工作区域，在圆柱形腔体壁面的束缚下形成旋涡流。高速旋转的气体带动吸盘中3心区域的气体旋转，因离心力作用而甩向壁面，从而在吸盘中心产生真空

6、区，对硅片产生吸引力由于压力差的作用，气体以螺旋状向下运动，在吸盘底部呈散射状排出，从而在硅片的外围与吸盘之间形成气垫，对硅片产生排斥力。当吸引力与排斥力的合力与硅片重力平衡时，即可实现非接触夹持。2组合式吸盘的结构设计如图1中所示压缩气体进入工作区直到向下排除的过程中都是高速旋转的，因此必然会对硅片有一个旋转的力矩，使工件在扭矩下旋转，因此采用偶数个吸盘来进行组合，反方向切向射入空气来实现力矩平衡。3掌握气动伺服系统的原理熟悉气动伺服回路的元件组成，利用伺服气缸、伺服阀等元件设计和实现2个自由度的运动平台；为了更好的展示和验证吸盘的夹持运输作用，设计气体传动系统，通过元件选择，实现硅片夹持运

7、输过程中的升降和水平运动，从而实现旋涡式非接触夹持装置的夹持运输功能。4气爪机械结构设计完成旋回流非接触气爪的机械结构设计，设计实现气爪的流量伺服控制，完成1个自由度的非接触拾取。5工作台结构设计完成的整个工作台的机械结构设计，使之能实现两个自由度的运动，确定气爪工作台的结构方案。三、研究的方法与技术路线1对旋回流的认识，通过查找相关的文献，了解什么是旋回流，旋回流产生的原理和当今国内外对旋回流的研究进展和应用现状。研究旋回流驱动非接触气爪的非接触抓取的实现形式。通过对硅片制造业中各种硅片夹持方式的对比，以及气动旋回流驱动非接触气爪与其他非接触方式相比，总结出其他各种硅片夹持装置的特点和不足之

8、处，气动旋回流非接触气爪的特点及优势。2通过理论分析，设计气动旋回流驱动非接触气爪（吸盘）的结构设计。由于要考虑到气动旋回流驱动非接触气爪在工作时，从吸盘底部喷出的气体是高速旋转的，旋转气体必然会对硅片产生一个旋转力矩，分析会对硅片造成什么样的影响，例如是否会使硅片产生旋转，或者是朝某个方向偏移等。因此做出采用多个，并且是偶数个气爪组4合，以整个组合式吸盘中心相对称的气爪切向反方向射入气体，使得各气爪的旋转力矩相互平衡的设想，并设计出组合式吸盘结构。3最终要实现一个搬运系统，实现平台的2个自由度运动，以及实现气爪1个自由度的非接触拾取。因此必需了解气动伺服系统的组成、气动回路、各种气动元件等方

9、面的知识。最后选择气源系统、气动控制元件，设计并绘制气动回路图。图2研究方法与技术路线流程表四、研究的总体安排与进度2010年11月2011年1月，查阅大量资料文献，对旋回流及旋回流驱动非接触气爪的相关知识有充分的了解；2011年1月2011年3月，设计出气爪和组合式吸盘的结构并画出装配图；2011年4月，完成气动元件的选择，并设计气动回路。五、参考文献1阮晓东,郭丽媛,傅新,邹俊旋涡式非接触硅片夹持装置的流动计算及试验研究J机械工程学报,2010,161891942门连通,白淑璠非接触式搬运设备在液晶物流中的应用J物流技术,20627293郭丽媛非接触硅片夹持装置的研究D浙江大学,20104

10、徐克林气动技术基础M重庆,重庆大学出版社,19975王涛,杨玉贵,彭光正半导体及平板显示制造业中的空气非接触搬运技术J液晶与显示,200934044086吴秋华,江楠,朱君君气动伺服机械手控制系统的设计J液压与气动,20105971037丛明,于旭,徐晓飞硅片传输机器人的发展及研究现状J机器人技术与应用,2007042052128SMC中国有限公司现代实用气动技术M北京机械工业出版社,1998设计气动旋回流驱动非接触气爪的结构设计，并分析后做出组合式吸盘的设计了解启动伺服系统方面的知识，选择相关气动元件，设计出搬运系统的气动回路对旋回流以及气动旋回流驱动非接触气爪方面的知识做好充分的了解59L

11、IXIN,KAWASHIMAK,KAGAWATANALYSISOFVORTEXLEVITATIONJEXPERIMENTTHERMALANDFLUIDSCIENCE,2008,3281448145410MARIOLENTOUSINGANINTEGRATEDCONTROLLERTOMANAGEWAFERHANDLINGSYSTEMSMARIOJ,2001,19811812411CHRISFELIXHOLDONWITHVACUUMCLAMPINGJPRODUCTIONMACHINING,2007,71110210812VACUUMGENERATORJFACTORYEQUIPMENTNEWS,200

12、1,358778413RACHAELMORLINGPNEUMATICTECHNOLOGYENHANCESANINTELLIGENTTRANSPORTROBOTSYSTEMJDESIGNSOLUTIONS,2009,178666914ZHANGMENG,LEIWEIXINTHEORETICALSTUDYANDAPPLICATIONOFPNEUMATICSERVOPOSITIONINGSYSTEMJMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,2010515YUXIAOLIN1,WANGNING,YANGJUNBAOSTUDYONSERVOCONTROLSTRATEGYFORPNEUMATICMANIPULATORJTRANSACTIONSOFSHENYANGLIGONGUNIVERSITY,201079910516TAOXIANGTING,YUANRUIBO,LUOJINGTHEAPPLICATIONSANDDEVELOPMENTSOFTHEPNEUMATICMANIPULATORJMACHINETOOLHYDRAULICS,200783339