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2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3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4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
8、之处，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。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5五、参考文献1阮晓东,郭丽媛,傅新,邹俊旋涡式非接触硅片
10、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,19989L
11、IXIN,KAWASHIMAK,KAGAWATANALYSISOFVORTEXLEVITATIONJEXPERIMENTTHERMALANDFLUIDSCIENCE,2008,3281448145410MARIOLENTOUSINGANINTEGRATEDCONTROLLERTOMANAGEWAFERHANDLINGSYSTEMSMARIOJ,2001,19811812411CHRISFELIXHOLDONWITHVACUUMCLAMPINGJPRODUCTIONMACHINING,2007,71110210812VACUUMGENERATORJFACTORYEQUIPMENTNEWS,200
12、1,358778413RACHAELMORLINGPNEUMATICTECHNOLOGYENHANCESANINTELLIGENTTRANSPORTROBOTSYSTEMJDESIGNSOLUTIONS,2009,178666914ZHANGMENG,LEIWEIXINTHEORETICALSTUDYANDAPPLICATIONOFPNEUMATICSERVOPOSITIONINGSYSTEMJMECHANICALENGINEERING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
13、、橘皮状、波纹、划痕、雾状等缺陷1。硅片的大直径化发展趋势，使得硅片更易产生翘曲变形，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20OMM向3O0MM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，8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
14、械强度等作用且硅片为贵重工件，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，特别是半导体晶片正在向大尺寸方向发展，大尺寸极薄基板更容易产生上述问题，所以半导体晶片在搬运过程中必须要实现非接触的要求。13空气非接触夹持的优点利用空气动力学原理实现的非接触夹持应用与硅片的夹持和运输过程，有着其独特的优势1气动非接触夹持对对硅片的材料、形状限制低，适用于对下一代大直径硅片的夹持要求。2气动装置使用气体作为工作介质，对工作环境没有污染，符合半导体制造过程对于环境洁净性能的要求。3非接触夹持避免了夹持装置与硅片表面的接触，极大的降低了表面划痕的产生
15、的可能性，这对于需要经历几百道加工工序的硅片来说，极大的提高了成品率，降低了生产成本。4减小了硅片翘曲变形、表面残留污渍等缺陷的发生3。14空气非接触搬运技术的现状目前非接触搬运技术有电磁式、超声波式和空气悬浮式等几种方式。其中，空气悬浮式具有清洁无污染、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。空气非接触式搬运设备上浮的对象主要是玻璃基板、半导体晶片、各种胶片基板、光盘、回路基板等板状制品。空气非接触式输送设备广泛应用在平板显示、半导体、太阳能光伏电池、食品、医药等行业2。现在，在空气非接触搬运技术领域中走在前端的主要是日本和韩国等发达国家。日本夏普公司已经讲空气非
16、接触搬运技术投入到液晶平板生产线中。我国目前液晶面板的生产线最高为第5代，仍在采用滚轮式或真空吸附式的搬运系统，在搬运技术方面已落后于国际先进水平1。2气动旋回流驱动的原理及应用21气动旋回流原理9图21气动旋回流原理图如图21所示，在一个倒置的一端开口的杯状容器中，在其侧壁上方切向接入一空气导管，向容器中射入高压气体，气体进入夹持装置后由于离心力的作用，被甩向容器内壁并强制旋转，形成旋涡，旋涡的中心为速度很高的“涡核”。旋涡流在吸盘底部排出时，因其约束的突然消失导致压力突变，产生回流，因此在容器的中间产生了负压，接近真空，置于吸盘下方的平板类工件就会受到一个向上的吸附力。由于压力差的作用，气
17、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。22旋回流气爪的现状图22是日本著名的气动元件生产商SMC公司的空气悬浮式玻璃基板搬运系统。该搬运技术是应用流体力学原理，使压缩空气通过压力室上的多孔质体形成一层气体膜，流体对工件施加的压力与工件自身的重量达到平衡而使工件保持平稳。空气悬浮式搬运系统是洁净度极高的非接触搬运，这样避免了搬运过程中玻璃基板的划伤和污染。除此之外，它还具备其他优点这种搬运系统的支持面积大，因此上浮对象较稳定，而且可以缓和集中应力机械强度高，不会因供给流体的压力
18、不同而发生变形，因而装置可实现薄形化所采用的高温烧结的陶瓷体在大气中不会氧化。空气吸浮式玻璃基板搬运系统是利用吸浮机构产生负压，空气在吸浮机构与工件间的间隙排出时对工件产生向上的提升力，此力与工件自重形成一对平衡力5。10图22空气悬浮式玻璃基板搬运系统上图为在第28届日本东京国际流体动力展览会上展出的由CKD和妙德公司生产的用于搬运设备的气浮装置，这种装置主要用在液晶屏幕和扁平屏幕的传送和搬运。该装置采用的多孔新材料可以减少执行器的空气消耗量，可完成清洁和无损伤的搬运，可以提高产品的合格率3。图23是德国一家公司开发的以非接触方式搬运半导体晶片的机器手，该类型机械手可搬运直径为300毫米的晶
19、圆，并且工具和晶圆的距离约在005MM一05MM之间。其原理是利用超声波在工具表面形成一层空气薄膜，使晶圆漂浮于其上。工具翻转时，不是用超声波而是用气泵吸附晶圆。据非接触涡流负压搬运器的流场特性及实验研究介绍，此时晶圆和工具之间也不接触，常态下使周围空气流动即可形成空气薄膜。该公司在第18届FPD研发及制造技术展览会暨研讨会FINETECHJAPAN，2008年4月16日一18日，东京有明国际会展中心的德国库卡机器人KUKAROBOTER的展区展出了该工具。此外，美国的NEWWAYPREEISION公司131基于空气静压轴承的基础，利用多孔质材料开发了非接触式大型玻璃基板和硅晶片的搬运装置日本
20、第一设施工业公司开发了具有识别工件有无的气悬浮式非接触式技术以色列ORBOTECH11开发的气浮式搬运技术可以自动检测玻璃基板的大小及重量，随时与基板保持一定距离进行漂浮搬运。图23非接触搬运半导体晶圆的机器人图24的装置是日本KOGANEI小金井公司生产的NCT系列非接触式搬运元件。该搬运元件可实现非接触搬运玻璃基板、光盘、半导体硅晶片等，同时还可吸附表面略有凹凸的不平整工件，如电路板。它是利用空气漩涡产生的负压吸附工件，当工件靠近搬运元件时，空气会发挥斥力的作用阻止工件靠近，从而实现在非接触状态下能够吸附并搬运工件。此元件不会在工件上留下痕迹，由于不会吸入环境中的粉尘能够达到洁净搬运效果，
21、吸附力也比较强3。12图24旋回流驱动非接触式搬运元件目前，在第8代液晶面板生产线中已全面使用了旋回流空气悬浮式非接触搬运技术。日本夏普公司正在建设的第10代液晶平板生产线也拟采用该项技术。我国目前液晶面板的生产线最高为第5代，仍在采用滚轮式或真空吸附式的搬运系统，在搬运技术方面已落后于国际先进水平。从2006年起，中国新建立了多家用于半导体芯片制造及太阳能电池芯片制造的多晶硅晶片工厂，但大部分的晶片搬运仍采用吸盘式抓取，同样存在废品率高的问题。液晶显示和硅晶片产业在信息产业中有重要的基础性地位，是在技术和资本双密集型的产业，也是目前我国正重点发展和扶持的高技术产业，所以研究和使用空气式非接触
22、搬运技术对于提高我国的生产技术有重要的意义5。3气动伺服系统31关键元件该气动伺服系统主要元件包括气源系统、气缸、电磁阀和辅件等。311气源系统由产生、处理和储存压缩空气的设备所组成的系统称为气源系统。典型的气源系统由下列部分组成空气压缩机、后部冷却器、过滤器包括前置过滤器、油水分离器、管道过滤器、除油过滤器、除臭过滤器、灭菌过滤器等等、稳压储气罐、干燥机冷冻式或吸附式、自动排水排污器，输气管道、管路阀件、仪表等。上述设备根据工艺流程的不同需要，组合成完整的气源系统。312气缸气缸是气动系统的执行元件之一，用于实现直线往复运动或摆动。常用的气缸有单作用气缸、双作用汽缸和缓冲气缸。313电磁阀在
23、气动回路中，电磁控制换向阀的作用是利用电磁力的作用来实现阀的切换以及控制气流的流动方向，分为直动式电磁阀和先导式电磁阀。直动式电磁阀直接利用电磁力推动阀芯换向，特点是在真空、负压、零压时能正常工作；而先导式换向阀则利用电磁先导阀输出的先导气压推动阀芯换向，特点是便于实现电、气联合控制。134小结在半导体及液晶面板生产的搬运技术方面，非接触式输送设备的运用可以降低成本、提高成品率、实现高效节能。根据国家在高新产业的指导性政策，随着大型硅晶片和液晶面板等生产技术的发展以及高端生产线的不断建设，使用快速、稳定、低能耗的气悬浮或气吸浮式非接触式搬运系统将成为未来的主流，空气非接触式搬送技术有着光明的市
24、场前景。5主要参考文献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,2007042052128S
25、MC中国有限公司现代实用气动技术M北京机械工业出版社,19989LIXIN,KAWASHIMAK,KAGAWATANALYSISOFVORTEXLEVITATIONJEXPERIMENTTHERMALANDFLUIDSCIENCE,2008,3281448145410MARIOLENTOUSINGANINTEGRATEDCONTROLLERTOMANAGEWAFERHANDLINGSYSTEMSMARIOJ,2001,19811812411CHRISFELIXHOLDONWITHVACUUMCLAMPINGJPRODUCTIONMACHINING,2007,71110210812VACUUMG
26、ENERATORJFACTORYEQUIPMENTNEWS,2001,358778413RACHAELMORLINGPNEUMATICTECHNOLOGYENHANCESANINTELLIGENTTRANSPORTROBOTSYSTEMJDESIGNSOLUTIONS,2009,17866691414ZHANGMENG,LEIWEIXINTHEORETICALSTUDYANDAPPLICATIONOFPNEUMATICSERVOPOSITIONINGSYSTEMJMECHANICALENGINEERINGFINALLY,BYUSINGVARIOUSPNEUMATICCOMPONENTS,DES
27、IGNOFAPNEUMATICSPINBACKFLOWDRIVENONCONTACTGASCLAWHANDLINGSYSTEM,SOITCANREALIZETOTHEWAFERCHUCKANDNONCONTACTCOMPOSEDTHESYSTEMFORHANDLING,THECOMPONENTSOFTHESELECTIONANDCOMPLETEDSYSTEMSTRUCTUREDESIGNKEYWORDSNOCONTACTHOLDINGVORTEXWAFERHOLDING18目录摘要151绪论1911非接触式夹持装置的作用和重要性1912气动旋回流驱动非接触气爪20121气动旋回流驱动非接触气爪
28、的概念和原理20122非接触气爪的应用现状2013研究内容222气动伺服系统设计2321关键元件23211气源系统23212气缸23213电磁阀2422气动回路设计2423气动元件的选择25231气缸的选择25232电磁阀及辅件的选择263搬运系统的设计2931气爪的结构设计2932组合式吸盘的结构设计3033搬运系统结构设计324总结与展望35参考文献36致谢错误未定义书签。191绪论11非接触式夹持装置的作用和重要性信息产业中半导体产业占着很大的比重，并且以硅片为基础材料的硅制件半导体器件达到九成以上。由于半导体晶片在装夹过程中容易产生磨损、污染、扭曲变形等问题，所以对搬运和夹持条件要求较
29、高。硅片夹持装置的性能要求由硅片夹持运输过程的特殊要求以及硅片本身的特点决定。硅片在生产制造过程中，要经过很多道加工工序，需要进行许多次夹持过程，这就对夹持装置的可靠性和安全性要求较高；且硅片成本比较贵，夹持装置对硅片的损伤越小，越能保证硅片的利用率，减小利益损失，所以硅片夹持装置对硅片的损坏要尽可能小，保证硅片表面洁净，平整光亮呈镜面，不产生凹坑、粗糙、波纹、划痕、雾状等缺陷1。硅片的大直径化发展趋势，使得硅片更容易产生扭曲变形，面型精度和表面光洁度不容易保持，加工效率低下等一系列比较严重的问题。硅片的直径变大，每个硅片的重量也在增加，更主要的是相应硅片的价值也在急速上升，人工搬运的经济风险
30、太大，需要安全的自动化传输系统。现在硅片的直径由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，以及硅片的表面形态，所以技术难度是一个很大的难题1。因此，大直径硅片的应用将使硅片的精密加工技术面临一系列新的挑战，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，不仅需要完成稳定安全的夹持过程，还必须保证硅片不发生扭曲变形、保持表面清洁度、应力的分布均匀、机械强度较高等，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的小，尤其是半导体晶片正在向大尺寸方向发展，大尺寸极薄基板更容易产生上述问
31、题，所以半导体晶片在夹持和搬运过程中实现非接触是必然的要求和趋势。采用空气动力学原理实现的非接触夹持装置应用于硅片夹持和运输过程，有着其不可替代的优势1气动非接触夹持对硅片的材料、形状限制低，适用于对大直径硅片的夹持要求。2气动装置使用气体作为工作介质，对工作环境没有污染，符合半导体制造过程对于环境洁净性能的要求。3非接触夹持避免了夹持装置与硅片表面的直接接触，极大的降低了表面20划痕的产生的可能性，这对于需要经历几百道加工工序的硅片来说，大大的提高了产品合格率，从而降低了硅片生产成本。4减小了硅片的扭曲变形、表面残留污渍等缺陷的发生3。12气动旋回流驱动非接触气爪121气动旋回流驱动非接触气
32、爪的概念和原理图11气动旋回流原理图如图11示，在一个倒置的一端开口的杯状容器中，在其侧壁上方切向接入一空气导管，向容器中射入高压气体，气体进入夹持装置后由于离心力的作用，被甩向容器内壁并强制旋转，形成旋涡，旋涡的中心为速度很高的“涡核”。旋涡流在吸盘底部排出时，因其约束的突然消失而导致压力突变，产生了回流，因此在容器的中间产生了负压，接近真空，置于吸盘下方的平板类工件就会受到一个向上的吸附力。由于容器顶端不断有高压气体射入，进入容器的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了一个气垫，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
33、夹持。122非接触气爪的应用现状目前,在第8代液晶面板生产线中已全面使用了旋回流空气悬浮式非接触搬运技术。日本夏普公司正在建设的第10代液晶平板生产线也拟采用该项技术。我21国目前液晶面板的生产线最高为第5代,仍然在采用传统的滚轮式或者真空吸附式的搬运系统，在搬运技术方面已远远落后于国际先进水平。从2006年起，中国新建立了多家用于半导体芯片制造及太阳能电池芯片制造的多晶硅晶片工厂,但大部分的晶片搬运仍采用吸盘式夹持,同样存在废品率高的问题。液晶显示和硅片产业在信息产业中有重要的基础性地位,是在技术和资本双密集型的产业，也是目前我国正在重点发展和扶持的高新技术产业,所以研究和使用空气式非接触搬
34、运技术对于提高我国的生产技术有着重要的意义14。目前,很多国外的电子开发商已经研究和开发了非接触式的搬运装置，并且已经运用到生产线上。美国NEWWAYPRECISION公司基于空气静压轴承的基础,利用多孔质材料开发出一种非接触式大型玻璃基板和硅晶片的搬运装置；日本第一设施工业公司开发了具有智能判断工件有无能力的气动悬浮式非接触式技术5；以色列ORBOTECH公司开发的气浮式搬运技术可以检测玻璃基板的大小及重量,随时与基板保持一定距离进搬运6。许多世界知名的气动元件厂家也在积极地研制和开发空气非接触式元件和搬运系统。图12和13为世界最大的气动元件制造商日本SMC公司利用空气悬浮和吸浮技术开发的
35、玻璃基板的非接触式搬运系统11。图12非接触式玻璃基板搬运机器人22图13空气悬浮式式玻璃基板搬运系统13研究内容本文对气动旋回流驱动非接触气爪的工作原理进行了研究,并对现已有的旋回流驱动非接触气爪进行了结构上的优化设计。基于硅片正在向大直径化发展,单个的小直径非接触式气爪难以完成搬运大直径硅片的工作,本文就此提出一种利用多个非接触式气爪组合成一个非接触式吸盘的方案,并对各个非接触式气爪的分布以及安装方式进行了研究和设计。同时对整个非接触式搬运系统进行了设计,包括如何实现系统两个自由度的运动,组成该系统的元件的选择、各元件的安装等。232气动伺服系统设计21关键元件本文设计的非接触式搬运运系统
36、要实现将硅片从一个位置搬运到另一个位置的工作过程,也就是能够完成将硅片吸附上升平移下降放下的过程。由于气动旋回流非接触气爪是气动装置,为了更合理地利用能源,将实现硅片位置移动的部件也设计为气动的,所以可以选用气缸来实现硅片的位置移动。用气缸来实现整个系统的搬运,要完成上升平移下降的过程,就需要两个气缸,即实现上下左右两个自由度的运动,因此需要两个双作用的气缸,要实现气缸可以上下左右移动,就需要一种元件来控制气缸运动方向的转换,这种转换可以由换向电磁阀来实现。在搬运工程中,为了保证硅片的安全性,就要附加元件控制气缸的运动速度,因此速度控制电磁阀也是必不可少的。综上所述,本搬运系统的关键元件有气源
37、系统、气缸以及电磁阀。211气源系统由产生、处理和储存压缩空气的设备所组成的系统称为气源系统。典型的气源系统由下列各部分组成空气压缩机、后部冷却器、过滤器包括前置过滤器、油水分离器、管道过滤器、除油过滤器、除臭过滤器、灭菌过滤器等等、稳压储气罐、干燥机冷冻式或吸附式、自动排水排污器，输气管道、管道阀件、仪表等。上述设备根据工艺流程的不同需要，组合成完整的气源系统7。212气缸气缸的作用是将压缩空气的能量转换为机械能，驱动机构作直线往复运动、摆动和旋转运动。气缸的种类可以分为单作用气缸、双作用气缸、缓冲气缸等。所谓单作用气缸是指压缩空气仅在气缸的一端进气，并推动活塞或柱塞运动，而活塞或柱塞的返回
38、则是借助其他外力，如重力、弹簧力等。这种气缸的特点是1由于是单向进气，所以结构简单、耗气量比较小。2由于是用弹簧复位，使压缩空气的能量有一部分用来克服弹簧的弹力，因而减小了活塞杆的输出推力。243缸体内由于安装了弹簧而减小了空间，从而缩短了活塞的有效行程。4气缸复位弹簧的弹力是随其变形大小而变化的，因此活塞杆的推力和运动速度在行程中是有变化的14。所谓双作用气缸就是在相反的两个方向都要输出作用力，一端进气输出推力和拉力时,另一端排气。双活塞杆气缸用的较少,其结构与单活塞杆气缸基本相同，只是活塞两侧都装有活塞杆。因两端活塞杆直径相同，所以活塞往复运动的速度和输出力均相等,此种气缸常用于气动加工机
39、械及包装机械等设备上。缓冲气缸的运动速度一般都较快,一般可以达到1M/S，为了防止活塞与气缸端盖发生碰撞,必须设置缓冲装置,使活塞接近端盖时得到缓冲减速。213电磁阀在气动回路中，电磁控制换向阀的作用是利用电磁力的作用来实现阀的切换以及控制气流的流动方向，分为直动式电磁阀和先导式电磁阀。直动式电磁阀直接利用电磁力推动阀芯换向，特点是在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25MM而先导式换向阀则利用电磁先导阀输出的先导气压推动阀芯换向，特点是便于实现电、气联合控制。本系统中利用电磁换向阀实现气缸运动方向的转换。速度控制阀是通过控制流过阀的气体流量，来控制通过执行元件的气压，来实现执行元
40、件运作的速度，本系统中利用速度控制阀来调节两个气缸的运动速度。22气动回路设计本搬运系统的两个气缸和由气爪组成的吸盘都是由气源系统驱动。由空气压缩机压缩后的气体是高压气体,经过过滤干燥后,再经过减压,通过软管分别流向两个气缸和吸盘,在吸盘处分别驱动各个气爪。在流向气缸和气爪这些执行元件之前,气体必需先经过气缸的换向阀、节流阀和气爪的节流阀等控制元件,从而可以实现对气缸运动速度和方向的控制,以及气爪吸附力的调节。为了方便气爪吸附力的大小的控制,还应在控制气爪的比例节流阀前接一个压力表,使得回路中压力大小的变化更加直观。25图21气动回路图如图为21本系统的气动回路图设计，图中1气源系统，2空气过
41、滤器，3减压阀，4两位五通电磁阀，5单向节流阀，6气缸一，7气缸二，8压力表，9比例节流阀，10气爪。气缸一为双作用式无杆气缸,气缸二为双作用标准气缸。气缸一水平安装，气缸二通过连接块竖直与气缸一连接，以实现系统两个自由度的运动。两位五通电磁阀的作用是控制气体流向从而控制气缸的运动方向，单向节流阀通过控制气体流量来实现对气缸运动速度的控制。通过调节比例节流阀，可以控制通入气爪内气体流量的大小,从而控制气爪对工件吸附力的大小。在某个范围内，气体流量越大，气爪能产生的吸附力则越强。23气动元件的选择231气缸的选择本系统要实现两个自由度的运动，因此两个气缸均采用双作用气缸，吸盘是安装在气缸二上，所
42、以气缸二采用标准气缸，选用SMC公司产品，型号为CP95DB32500Z73。该气缸为内置磁环的缓冲气缸，缸径32MM，M螺纹，标准行程500MM，双作用,自带位移传感器9。实物图如下26图22气缸二实物图前面绪论中提到，如今硅片正在向大直径化发展，本系统的设计是根据直径300MM的硅片为对象，所以搬运时要将硅片移动位置大于300MM，所以气缸一的行程必须大于300MM。此外，气缸一是以缸体两端的一部分安装固定在支架上，所以要求行程大于等于500MM，在此选择气缸一型号为CY1L20H750A72。CY表示磁偶式无杆气缸，缸径20MM，最大行程750MM9。实物图如下图23气缸一实物图232电
43、磁阀及辅件的选择根据需要选择SMC的2位5通电磁阀，图58表示此2位5通先导式电磁阀作原理图。起始状态，线圈处于断电状态，1、2进气，4、5排气；线圈通电时，铁芯产生电磁力，使先导阀动作，压缩空气通过气路进入阀先导活塞使活塞启动，在活塞中间，密封圆面打开通道，1和4进气，2和3排气当断电时，先导阀在弹簧的作用下复原，恢复到原先的状态。27图24两位五通电磁阀的工作原理电磁阀型号为SY51205GC6,SYSOOO系列为5通先导式电磁阀，1表示2位单电控，2表示直接配管型，标准线圈，5表示额定电压DC24V，G表示导线引出方式为直接出线式，无指示灯及过电压保护回路，手动操作方式为非锁定按钮式，C
44、6表示一种6快换接头，螺纹种类为RC圆锥内螺纹，无托架7。实物图如下图25电磁阀实物图单向节流阀（速度控制阀）型号为AS2201FM0106S,实物图如图26所示,该种单向节流阀用于气缸的运动速度限制，满足了气缸在移动过程中不能太28快的要求,保证了硅片在运输过程中的安全。图26单向节流阀实物图293搬运系统的设计31气爪的结构设计本系统采用的非接触式气爪结构如图31所示。图31气动旋回流驱动非接触气爪该类型的气爪部件可以拆分为四部分,如图32。部件1既是气爪与吸盘支架安装连接的部分，也是进气孔所在部分。部件2是气体进入气爪后的通道，气体在进入部件2时开始高速旋转。部件3是产生负压和排出气体的
45、核心部件。部件4与部件3安装在一起后部件4是嵌入在3内，并且3与4之间留有空隙,这个空隙便是气体排出的通道。30图32气爪散装示意图这种气爪的设计方式有利于气爪在吸附工件时吸附通道和排气通道的隔离,同时也能产生更大的吸附力。32组合式吸盘的结构设计前面已经提到了气动旋回流驱动非接触气爪的能实现吸附的工作原理。但是如果只由一个吸盘来进行硅片的吸附和操作,由于进入气爪的气体是高速旋转的,必然对吸附的硅片产生一个旋转力,即扭矩。所以会导致工件（硅片）的旋转,这将会使硅片在搬运过程中存在安全隐患。所以采用组合式吸盘的设计,即由偶数个气爪来组成一个吸盘,例如两个,且两个气爪的进气方向相反,从而可以实现扭
46、矩的抵消。为了提高搬运系统的稳定性,本系统采用6个气爪组合成一个吸盘结构。对应的直线上的两个气爪进气方向相反（如图33）,可知整个吸盘扭矩抵消,不会使吸附的工件产生旋转。并且使用多个气爪组合成吸盘相比于使用单个气爪来吸附工件有更多的优势,例如,使用一个气爪来抓取硅片,就要求气爪的有效直径与硅片直径相近且不大于硅片的直径,因为我们知道极薄的硅片的材质相当于纸张,气爪与硅片直径很接近,假如吸附力过大,则硅片会扭曲直接被吸入气爪腔体。采用多个小气爪组合成吸盘则可以避免这种情况的发生。31图33组合式吸盘气体流向示意图组合式吸盘中各个气爪的分布位置如图33中所示，支架形状如图中六角形状。由于要考虑到整
47、个组合式吸盘是要安装到气缸的一端，所以必须设计一个连接吸盘与气缸的安装部件，将这个连接部分设计到吸盘上,与六角支架固定，可以与气缸一端的螺纹进行螺纹连接。并且可以将总进气口和管路设计在其中。具体设计方案的结构图如图34所示。32图34组合式吸盘装配图图中1为吸盘的一部分,通过螺钉5与六角支架固定。6为螺纹安装孔,通过这3个安装孔可以使这个吸盘与气缸进行安装连接。4为给各个气爪提供气体的进气口,气体由软管进入到1的中心后向下进入到部件3的气体通道,再由各分支软管7通向各个气爪。33搬运系统结构设计系统结构示意图以及平台运动轨迹示意图如图35所示,气缸一水平安装在固定支架上,气缸二通过连接块竖直与
48、气缸一连接。初始状态时,吸盘的位置在位置1,气缸二运作,使吸盘位置下降到位置2,夹持工件,回到位置1,此时气缸一运作,将工件位置搬运到位置3停止,气缸二再运作,将吸盘下降到位置4,放下工件,完成系统整个搬运过程。33图35气动平台运动轨迹示意图由于硅片的搬运是从一个位置搬运到另一个指定的位置，所以需要的气缸的移动位移有所控制，在这里采用位移传感器来记录气缸的运动位移。在气缸一的下方将位移传感器安装固定在支架上，气缸二是自带位移传感器的,因此不需要另外附加传感器。34图36气动旋回流驱动非接触气爪搬运系统装配图整个搬运系统的装配图如图36所示,图中1是气缸一,无杆式双作用气缸,水平安装在支架3上
49、,2为气缸二,通过在气缸一的滑块上安装一个连接块,将气缸二安装在该连接块上。4为直线型位移传感器,平行地安装在气缸一的下方,位移传感器的滑块连接到气缸一与气缸二的连接块上,随着气缸一的位置移动,位移传感器的滑块也跟随着运动,便可以记录下气缸一的位移数据。图中双点划线所画的气缸2表示从原来位置运动到该位置时的状态。354总结与展望在半导体及液晶面板生产的搬运技术方面,非接触式输送设备的运用可以降低成本、提高成品率、实现高效节能。根据国家在高新产业的指导性政策,随着大型硅晶片和液晶面板等生产技术的发展以及高端生产线的不断建设,使用快速、稳定、低能耗的气悬浮或气吸浮式非接触式搬运系统将成为未来的主流。此外在液晶物流以及有些食品包装行业,同样对产品和加工包装过程中有着非接触的要求,这意味这非接触式的搬运、夹持装置的应用范围越来越广。非接触式搬运、夹持设备未来有望在这些行业中的得到普及,气动旋回流驱动非接触气爪搬运系统有着光明的前景。36参考文献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,2010,162郭丽媛非接触硅片夹持装置的研究D浙江大学,20103司震鹏,曹西京,姜小放真空吸附式机械手系统设计J包装与食品机械,2009,27,064滕燕,李小宁,赵萍萍流量自调式射流真空发生器J机械工程学报,2009,095丛明,于旭,徐
