氣動(dòng)旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸氣爪搬運(yùn)系統(tǒng)【開(kāi)題報(bào)告+文獻(xiàn)綜述+畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文開(kāi)題報(bào)告</b></p><p>　　機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化</p><p>　　氣動(dòng)旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸氣爪搬運(yùn)系統(tǒng)</p><p>　　一、選題的背景與意義</p><p>　　1.半導(dǎo)體制造的非接觸要求</p><p>　　在現(xiàn)代半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝中，硅片的夾持

2、與輸送是半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，硅片夾持裝置的性能要求由硅片夾持運(yùn)輸過(guò)程的特點(diǎn)以及硅片本身的特點(diǎn)決定。硅片在生產(chǎn)制造過(guò)程中要經(jīng)過(guò)幾百道加工工序，需要進(jìn)行許多次夾持過(guò)程，這就要求夾持裝置的可靠性和安全性要高；且硅片為貴重工件，夾持裝置對(duì)硅片的損傷越小，越可以提高硅片利用率，減小利益損失，所以硅片夾持裝置對(duì)硅片的損傷要盡可能小，保證硅片潔凈，表面平整光亮呈鏡面，無(wú)麻坑、橘皮狀、波紋、劃痕、霧狀等缺陷。硅片的大直徑化發(fā)展趨勢(shì)，使得硅片

3、更易產(chǎn)生翹曲變形，面型精度和表面光潔度不易保持，加工效率低等一系列嚴(yán)重問(wèn)題。硅片直徑變大，每個(gè)硅片的重量增加，更主要是相應(yīng)硅片的價(jià)值也急速上升，人工搬運(yùn)的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)太大，需要自動(dòng)化傳輸系統(tǒng)。如今硅片直徑由200mm向300mm甚至450mm過(guò)渡，從技術(shù)上要考慮硅片的平整度及彎曲度等影響，以及硅片的表面態(tài)，所以技術(shù)難度不可低估。因此，大直徑硅片的應(yīng)用將對(duì)硅片的超精密加工技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)，而硅片夾持裝置在硅片的超精密加工技術(shù)中占有重要地位，不

4、僅需要完成穩(wěn)定夾持過(guò)程，還必須保證硅片不發(fā)生翹曲變形、表面超潔凈、應(yīng)力分布均勻、具有高</p><p>　?。?現(xiàn)有的幾種硅片夾持方式及其缺點(diǎn)</p><p><b>　　（1）機(jī)械夾持</b></p><p>　　機(jī)械夾持方法，如機(jī)械活動(dòng)夾鉗等，容易使硅片發(fā)生翹曲變形或者損壞硅片的邊緣區(qū)域，目前在硅片加工過(guò)程中已經(jīng)很少使用，在硅片夾持和運(yùn)輸過(guò)

5、程中，也正逐步被其他夾持方式所取代。</p><p>　?。?）靜電吸盤夾持方式</p><p>　　目前靜電吸盤的形式很多，大致可分為兩個(gè)類型:一種是硅片本身也通上高壓，稱作“平板電容式靜電吸盤”;另一種不對(duì)硅片直接加壓，稱為“整體電極式靜電吸盤”，后者的吸力比較小，但硅片無(wú)需通電。靜電吸盤主要在化學(xué)氣相沉積等真空環(huán)境下使用。靜電吸盤的優(yōu)點(diǎn)在于作用力在吸盤上的變化比較平緩，不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集

6、中，也不會(huì)導(dǎo)致硅片在吸盤表面發(fā)生超過(guò)100μm的變形。由于靜電吸盤與硅片邊緣不是直接接觸，避免了對(duì)硅片邊緣的損壞和金屬污染，但這種吸盤的缺點(diǎn)是吸附力較小。</p><p>　?。?）真空吸盤夾持方式</p><p>　　真空吸盤利用真空負(fù)壓來(lái)吸附工件，是目前使用最廣泛的硅片夾持方法。真空吸盤是由真空維持其吸力，因此需要有真空產(chǎn)生裝置和密封良好的吸盤，才能保持其吸力;吸盤材料一般采用丁睛橡膠

7、制成，因?yàn)樾枰芊饬己貌拍墚a(chǎn)生足夠的吸力，因此吸盤需要和物體接觸，此舉容易造成吸盤的磨損，同時(shí)也容易發(fā)生吸盤對(duì)大學(xué)碩士學(xué)位論文第l章緒論被吸物表面產(chǎn)生破壞的情況。另一方面，若吸盤有污漬，也容易在被夾持工件上留下痕跡，對(duì)一些精密的元件而言，這些都是不允許的。</p><p>　?。?旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸夾持的優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　與同類氣動(dòng)非接觸夾持方式相比，旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸夾持方式具有耗較

8、少的氣體即可產(chǎn)生和伯努利原理相同的吸附力，具有清潔無(wú)污染、不發(fā)熱、不產(chǎn)生磁場(chǎng)和能夠高速傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，是非接觸搬運(yùn)領(lǐng)域的主流技術(shù)。有利于大直徑、大質(zhì)量硅片夾持與運(yùn)輸。并且產(chǎn)生的噪音相對(duì)較小。同時(shí)利用該原理開(kāi)發(fā)的裝置可以推廣應(yīng)用到食品包裝、印刷、微電子、電訊、醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域，因而被各研究機(jī)構(gòu)看好，并認(rèn)為是現(xiàn)有生產(chǎn)環(huán)境下最有前景的方式之一。</p><p>　　二、研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問(wèn)題</p>

9、<p>　　1.掌握氣動(dòng)旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸夾持的基本原理</p><p>　　圖1.旋渦式非接觸真空吸盤的工作原理圖</p><p>　　圖1為旋渦式非接觸真空吸盤的工作原理示意圖。壓縮氣體從吸盤頂部沿切線方向進(jìn)入工作區(qū)域，在圓柱形腔體壁面的束縛下形成旋渦流。高速旋轉(zhuǎn)的氣體帶動(dòng)吸盤中心區(qū)域的氣體旋轉(zhuǎn)，因離心力作用而甩向壁面，從而在吸盤中心產(chǎn)生真空區(qū)，對(duì)硅片產(chǎn)生吸引力;由于壓力差的作

10、用，氣體以螺旋狀向下運(yùn)動(dòng)，在吸盤底部呈散射狀排出，從而在硅片的外圍與吸盤之間形成氣墊，對(duì)硅片產(chǎn)生排斥力。當(dāng)吸引力與排斥力的合力與硅片重力平衡時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)非接觸夾持。</p><p>　　組合式吸盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　如圖1中所示壓縮氣體進(jìn)入工作區(qū)直到向下排除的過(guò)程中都是高速旋轉(zhuǎn)的，因此必然會(huì)對(duì)硅片有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的力矩，使工件在扭矩下旋轉(zhuǎn)，因此采用偶數(shù)個(gè)吸盤來(lái)進(jìn)行組合，反方向切向射入

11、空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)力矩平衡。</p><p>　　掌握氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的原理</p><p>　　熟悉氣動(dòng)伺服回路的元件組成，利用伺服氣缸、伺服閥等元件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)2個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；為了更好的展示和驗(yàn)證吸盤的夾持運(yùn)輸作用，設(shè)計(jì)氣體傳動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)元件選擇，實(shí)現(xiàn)硅片夾持運(yùn)輸過(guò)程中的升降和水平運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)旋渦式非接觸夾持裝置的夾持運(yùn)輸功能。</p><p><b>　　

12、氣爪機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　完成旋回流非接觸氣爪的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)氣爪的流量伺服控制，完成1個(gè)自由度的非接觸拾取。</p><p>　　5. 工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　完成的整個(gè)工作臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使之能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，確定氣爪工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)方案。</p><p>　　三、研究的方法與技術(shù)路

13、線</p><p>　　1. 對(duì)旋回流的認(rèn)識(shí)，通過(guò)查找相關(guān)的文獻(xiàn)，了解什么是旋回流，旋回流產(chǎn)生的原理和當(dāng)今國(guó)內(nèi)外對(duì)旋回流的研究進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀。研究旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸氣爪的非接觸抓取的實(shí)現(xiàn)形式。通過(guò)對(duì)硅片制造業(yè)中各種硅片夾持方式的對(duì)比，以及氣動(dòng)旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸氣爪與其他非接觸方式相比，總結(jié)出其他各種硅片夾持裝置的特點(diǎn)和不足之處，氣動(dòng)旋回流非接觸氣爪的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　2. 通過(guò)

14、理論分析，設(shè)計(jì)氣動(dòng)旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸氣爪（吸盤）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于要考慮到氣動(dòng)旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸氣爪在工作時(shí)，從吸盤底部噴出的氣體是高速旋轉(zhuǎn)的，旋轉(zhuǎn)氣體必然會(huì)對(duì)硅片產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)力矩，分析會(huì)對(duì)硅片造成什么樣的影響，例如：是否會(huì)使硅片產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，或者是朝某個(gè)方向偏移等。因此做出采用多個(gè)，并且是偶數(shù)個(gè)氣爪組合，以整個(gè)組合式吸盤中心相對(duì)稱的氣爪切向反方向射入氣體，使得各氣爪的旋轉(zhuǎn)力矩相互平衡的設(shè)想，并設(shè)計(jì)出組合式吸盤結(jié)構(gòu)。</p><

15、;p>　　3.最終要實(shí)現(xiàn)一個(gè)搬運(yùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的2個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，以及實(shí)現(xiàn)氣爪1個(gè)自由度的非接觸拾取。因此必需了解氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的組成、氣動(dòng)回路、各種氣動(dòng)元件等方面的知識(shí)。最后選擇氣源系統(tǒng)、氣動(dòng)控制元件，設(shè)計(jì)并繪制氣動(dòng)回路圖。圖2.研究方法與技術(shù)路線流程表</p><p>　　四、研究的總體安排與進(jìn)度</p><p>　　2010年11月-2011年1月，查閱大量資料文獻(xiàn)，對(duì)旋回流及旋回

16、流驅(qū)動(dòng)非接觸氣爪的相關(guān)知識(shí)有充分的了解；</p><p>　　2011年1月-2011年3月，設(shè)計(jì)出氣爪和組合式吸盤的結(jié)構(gòu)并畫出裝配圖；</p><p>　　2011年4月，完成氣動(dòng)元件的選擇，并設(shè)計(jì)氣動(dòng)回路。</p><p><b>　　五、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 阮曉東, 郭麗媛, 傅新, 鄒俊

17、. 旋渦式非接觸硅片夾持裝置的流動(dòng)計(jì)算及試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2010, (16): 189-194.</p><p>　　[2] 門連通, 白淑璠. 非接觸式搬運(yùn)設(shè)備在液晶物流中的應(yīng)用[J]. 物流技術(shù), 2 (06): 27-29.</p><p>　　[3] 郭麗媛. 非接觸硅片夾持裝置的研究[D]. 浙江大學(xué), 2010.</p><p>　　[

18、4] 徐克林. 氣動(dòng)技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 重慶, 重慶大學(xué)出版社, 1997.</p><p>　　[5] 王濤, 楊玉貴, 彭光正. 半導(dǎo)體及平板顯示制造業(yè)中的空氣非接觸搬運(yùn)技術(shù)[J]. 液晶與顯示, 2009 (3): 404-408.</p><p>　　[6] 吳秋華, 江楠, 朱君君氣動(dòng)伺服機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 液壓與氣動(dòng), 2010(5): 97-103. </p&g

19、t;<p>　　[7] 叢明, 于旭, 徐曉飛. 硅片傳輸機(jī)器人的發(fā)展及研究現(xiàn)狀[J]. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用, 2007(04): 205-212.</p><p>　　[8] SMC(中國(guó))有限公司. 現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1998.</p><p>　　[9] LI Xin, KAWASHIMA K, KAGAWA T. Analysis of

20、vortex levitation[J]. Experiment Thermal and FluidScience, 2008, 32 (8):1448-1454.</p><p>　　[10] Mario Lento; Using an integrated controller to manage wafer-handling systems. Mario[J], 2001, 19(8): 118-124.&

21、lt;/p><p>　　[11] Chris Felix. Hold On With Vacuum Clamping[J]. Production Machining, 2007, 7(11): 102-108.</p><p>　　[12] Vacuum generator[J]. Factory Equipment News, 2001, 35(8): 77-84.</p>

22、<p>　　[13] Rachael Morling. Pneumatic technology enhances an Intelligent transport robot system[J]. Design Solutions, 2009,17(8):66-69.</p><p>　　[14] ZHANG Meng, LEI Wei-xin. Theoretical Study and Appli

23、cation of Pneumatic Servo Positioning System[J]. Mechanical Engineering & Automation, 2010(5).</p><p>　　[15] YU Xiao-lin1, WANG Ning, YANG Jun-bao. Study on Servocontrol Strategy for Pneumatic Manipulato

24、r[J]. Transactions of Shenyang Ligong University, 2010(7): 99-105.</p><p>　　[16] TAO Xiangting, YUAN Ruibo, LUO Jing. The Applications and Developments of the Pneumatic Manipulator[J]. Machine Tool & Hyd

25、raulics, 2007(8): 33-39.</p><p><b>　　畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述</b></p><p>　　機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化</p><p>　　氣動(dòng)旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸氣爪搬運(yùn)系統(tǒng)</p><p><b>　　1　引言</b></p><p>　　1.1　

26、半導(dǎo)體制造業(yè)</p><p>　　21世紀(jì)是信息時(shí)代，隨著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，作為信息時(shí)代的關(guān)鍵性基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)一一半導(dǎo)體制造業(yè)，成為當(dāng)前的熱點(diǎn)產(chǎn)業(yè)，對(duì)人類的工作和生活有著重要的影響。由于半導(dǎo)體制造業(yè)是技術(shù)復(fù)雜、資金密集、收益高的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，在市場(chǎng)需求快速變化和全球競(jìng)爭(zhēng)加劇的情況下，如何對(duì)半導(dǎo)體制造系統(tǒng)進(jìn)行控制優(yōu)化，有效降低半導(dǎo)體制造的成本，提高制造設(shè)備總體利用率成為亞待解決的問(wèn)題。而了解半導(dǎo)體制造的工藝流程，分析半導(dǎo)體制

27、造系統(tǒng)控制的需求，是半導(dǎo)體制造系統(tǒng)控制研究的基礎(chǔ)和前提，對(duì)提高控制優(yōu)化的有效性和可行性等具有重要作用[4]。</p><p>　　1.2　半導(dǎo)體制造業(yè)的非接觸搬運(yùn)要求</p><p>　　半導(dǎo)體器件支撐著龐大的信息產(chǎn)業(yè)，而半導(dǎo)體器件93%以上是硅器件，它們以硅片為基礎(chǔ)材料。由于半導(dǎo)體晶片易磨損、易污染、翹曲變形等，對(duì)搬運(yùn)條件要求較高。硅片夾持裝置的性能要求由硅片夾持運(yùn)輸過(guò)程的特點(diǎn)以及硅片本

28、身的特點(diǎn)決定。硅片在生產(chǎn)制造過(guò)程中要經(jīng)過(guò)幾百道加工工序，需要進(jìn)行許多次夾持過(guò)程，這就要求夾持裝置的可靠性和安全性要高;且硅片為貴重工件，夾持裝置對(duì)硅片的損傷越小，越可以提高硅片利用率，減小利益損失，所以硅片夾持裝置對(duì)硅片的損傷要盡可能小，保證硅片潔凈，表面平整光亮呈鏡面，無(wú)麻坑、橘皮狀、波紋、劃痕、霧狀等缺陷[1]。硅片的大直徑化發(fā)展趨勢(shì)，使得硅片更易產(chǎn)生翹曲變形，面型精度和表面光潔度不易保持，加工效率低等一系列嚴(yán)重問(wèn)題。硅片直徑變大，

29、每個(gè)硅片的重量增加，更主要是相應(yīng)硅片的價(jià)值也急速上升，人工搬運(yùn)的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)太大，需要自動(dòng)化傳輸系統(tǒng)。如今硅片直徑由20Omm向3O0mm甚至450mm過(guò)渡，從技術(shù)上要考慮硅片的平整度及彎曲度等影響，以及硅片的表面態(tài)，所以技術(shù)難度不可低估。因此，大直徑硅片的應(yīng)用將對(duì)硅片的超精密加工技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)，而硅片夾持裝置在硅片的超精密加工技術(shù)中占有重要地位，不僅需要</p><p>　　1.3　空氣非接觸夾持的優(yōu)點(diǎn)</

30、p><p>　　利用空氣動(dòng)力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)的非接觸夾持應(yīng)用與硅片的夾持和運(yùn)輸過(guò)程，有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):</p><p>　　(1) 氣動(dòng)非接觸夾持對(duì)對(duì)硅片的材料、形狀限制低，適用于對(duì)下一代大直徑硅片的夾持要求。</p><p>　　(2) 氣動(dòng)裝置使用氣體作為工作介質(zhì)，對(duì)工作環(huán)境沒(méi)有污染，符合半導(dǎo)體制造過(guò)程對(duì)于環(huán)境潔凈性能的要求。</p><p>　　

31、(3) 非接觸夾持避免了夾持裝置與硅片表面的接觸，極大的降低了表面劃痕的產(chǎn)生的可能性，這對(duì)于需要經(jīng)歷幾百道加工工序的硅片來(lái)說(shuō)，極大的提高了成品率，降低了生產(chǎn)成本。</p><p>　　(4) 減小了硅片翹曲變形、表面殘留污漬等缺陷的發(fā)生[3]。</p><p>　　1.4　空氣非接觸搬運(yùn)技術(shù)的現(xiàn)狀</p><p>　　目前非接觸搬運(yùn)技術(shù)有電磁式、超聲波式和空氣懸浮式

32、等幾種方式。其中，空氣懸浮式具有清潔無(wú)污染、不發(fā)熱、不產(chǎn)生磁場(chǎng)和能夠高速傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，是非接觸搬運(yùn)領(lǐng)域的主流技術(shù)?？諝夥墙佑|式搬運(yùn)設(shè)備上浮的對(duì)象主要是玻璃基板、半導(dǎo)體晶片、各種膠片基板、光盤、回路基板等板狀制品?？諝夥墙佑|式輸送設(shè)備廣泛應(yīng)用在平板顯示、半導(dǎo)體、太陽(yáng)能光伏電池、食品、醫(yī)藥等行業(yè)[2]。</p><p>　　現(xiàn)在，在空氣非接觸搬運(yùn)技術(shù)領(lǐng)域中走在前端的主要是日本和韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家。日本夏普公司已經(jīng)講空氣非接

33、觸搬運(yùn)技術(shù)投入到液晶平板生產(chǎn)線中。</p><p>　　我國(guó)目前液晶面板的生產(chǎn)線最高為第5代，仍在采用滾輪式或真空吸附式的搬運(yùn)系統(tǒng)，在搬運(yùn)技術(shù)方面已落后于國(guó)際先進(jìn)水平[1]。</p><p>　　2　氣動(dòng)旋回流驅(qū)動(dòng)的原理及應(yīng)用</p><p>　　2.1　氣動(dòng)旋回流原理</p><p>　　圖2.1氣動(dòng)旋回流原理圖</p>&l

34、t;p>　　如圖2.1所示，在一個(gè)倒置的一端開(kāi)口的杯狀容器中，在其側(cè)壁上方切向接入一空氣導(dǎo)管，向容器中射入高壓氣體，氣體進(jìn)入夾持裝置后由于離心力的作用，被甩向容器內(nèi)壁并強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)，形成旋渦，旋渦的中心為速度很高的“渦核”。旋渦流在吸盤底部排出時(shí)，因其約束的突然消失導(dǎo)致壓力突變，產(chǎn)生回流，因此在容器的中間產(chǎn)生了負(fù)壓，接近真空，置于吸盤下方的平板類工件就會(huì)受到一個(gè)向上的吸附力。由于壓力差的作用，氣體以螺旋狀向下運(yùn)動(dòng)，在吸盤底部呈散射狀排

35、出，從而在硅片的外圍與吸盤之間形成氣墊，對(duì)硅片產(chǎn)生排斥力。當(dāng)吸引力與排斥力的合力與硅片重力平衡時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)非接觸夾持。</p><p>　　2.2　旋回流氣爪的現(xiàn)狀</p><p>　　圖2.2是日本著名的氣動(dòng)元件生產(chǎn)商sMC公司的空氣懸浮式玻璃基板搬運(yùn)系統(tǒng)。該搬運(yùn)技術(shù)是應(yīng)用流體力學(xué)原理，使壓縮空氣通過(guò)壓力室上的多孔質(zhì)體形成一層氣體膜，流體對(duì)工件施加的壓力與工件自身的重量達(dá)到平衡而使工件保

36、持平穩(wěn)?？諝鈶腋∈桨徇\(yùn)系統(tǒng)是潔凈度極高的非接觸搬運(yùn)，這樣避免了搬運(yùn)過(guò)程中玻璃基板的劃傷和污染。除此之外，它還具備其他優(yōu)點(diǎn):這種搬運(yùn)系統(tǒng)的支持面積大，因此上浮對(duì)象較穩(wěn)定，而且可以緩和集中應(yīng)力;機(jī)械強(qiáng)度高，不會(huì)因供給流體的壓力不同而發(fā)生變形，因而裝置可實(shí)現(xiàn)薄形化;所采用的高溫?zé)Y(jié)的陶瓷體在大氣中不會(huì)氧化?？諝馕∈讲ＡЩ灏徇\(yùn)系統(tǒng)是利用吸浮機(jī)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)壓，空氣在吸浮機(jī)構(gòu)與工件間的間隙排出時(shí)對(duì)工件產(chǎn)生向上的提升力，此力與工件自重形成一對(duì)平衡力[

37、5]。</p><p>　　圖2.2空氣懸浮式玻璃基板搬運(yùn)系統(tǒng)</p><p>　　上圖為在第28屆日本東京國(guó)際流體動(dòng)力展覽會(huì)上展出的由CKD和妙德公司生產(chǎn)的用于搬運(yùn)設(shè)備的氣浮裝置，這種裝置主要用在液晶屏幕和扁平屏幕的傳送和搬運(yùn)。該裝置采用的多孔新材料可以減少執(zhí)行器的空氣消耗量，可完成清潔和無(wú)損傷的搬運(yùn)，可以提高產(chǎn)品的合格率[3]。</p><p>　　圖2.3是德

38、國(guó)一家公司開(kāi)發(fā)的以非接觸方式搬運(yùn)半導(dǎo)體晶片的機(jī)器手，該類型機(jī)械手可搬運(yùn)直徑為300毫米的晶圓，并且工具和晶圓的距離約在0.05mm一0.5mm之間。其原理是利用超聲波在工具表面形成一層空氣薄膜，使晶圓漂浮于其上。工具翻轉(zhuǎn)時(shí)，不是用超聲波而是用氣泵吸附晶圓。據(jù)非接觸渦流負(fù)壓搬運(yùn)器的流場(chǎng)特性及實(shí)驗(yàn)研究介紹，此時(shí)晶圓和工具之間也不接觸，常態(tài)下使周圍空氣流動(dòng)即可形成空氣薄膜。該公司在第18屆FPD研發(fā)及制造技術(shù)展覽會(huì)暨研討會(huì) (FINETEC

39、HJAPAN，2008年4月16日一18日，東京有明國(guó)際會(huì)展中心)的德國(guó)庫(kù)卡機(jī)器人 (KUKARoboter)的展區(qū)展出了該工具。</p><p>　　此外，美國(guó)的 NewwayPreeision公司131基于空氣靜壓軸承的基礎(chǔ)，利用多孔質(zhì)材料開(kāi)發(fā)了非接觸式大型玻璃基板和硅晶片的搬運(yùn)裝置;日本第一設(shè)施工業(yè)公司開(kāi)發(fā)了具有識(shí)別工件有無(wú)的氣懸浮式非接觸式技術(shù);以色列orbotech開(kāi)發(fā)的氣浮式搬運(yùn)技術(shù)可以自動(dòng)檢測(cè)玻璃

40、基板的大小及重量，隨時(shí)與基板保持一定距離進(jìn)行漂浮搬運(yùn)。</p><p>　　圖2.3非接觸搬運(yùn)半導(dǎo)體晶圓的機(jī)器人</p><p>　　圖2.4的裝置是日本KoGANEI小金井公司生產(chǎn)的NcT系列非接觸式搬運(yùn)元件。該搬運(yùn)元件可實(shí)現(xiàn)非接觸搬運(yùn)玻璃基板、光盤、半導(dǎo)體硅晶片等，同時(shí)還可吸附表面略有凹凸的不平整工件，如電路板。它是利用空氣漩渦產(chǎn)生的負(fù)壓吸附工件，當(dāng)工件靠近搬運(yùn)元件時(shí)，空氣會(huì)發(fā)揮斥力的

41、作用阻止工件靠近，從而實(shí)現(xiàn)在非接觸狀態(tài)下能夠吸附并搬運(yùn)工件。此元件不會(huì)在工件上留下痕跡，由于不會(huì)吸入環(huán)境中的粉塵能夠達(dá)到潔凈搬運(yùn)效果，吸附力也比較強(qiáng)[3]。</p><p>　　圖2.4 旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸式搬運(yùn)元件</p><p>　　目前，在第8代液晶面板生產(chǎn)線中已全面使用了旋回流空氣懸浮式非接觸搬運(yùn)技術(shù)。日本夏普公司正在建設(shè)的第10代液晶平板生產(chǎn)線也擬采用該項(xiàng)技術(shù)。我國(guó)目前液晶面板的生

42、產(chǎn)線最高為第5代，仍在采用滾輪式或真空吸附式的搬運(yùn)系統(tǒng)，在搬運(yùn)技術(shù)方面已落后于國(guó)際先進(jìn)水平。從2006年起，中國(guó)新建立了多家用于半導(dǎo)體芯片制造及太陽(yáng)能電池芯片制造的多晶硅晶片工廠，但大部分的晶片搬運(yùn)仍采用吸盤式抓取，同樣存在廢品率高的問(wèn)題。液晶顯示和硅晶片產(chǎn)業(yè)在信息產(chǎn)業(yè)中有重要的基礎(chǔ)性地位，是在技術(shù)和資本雙密集型的產(chǎn)業(yè)，也是目前我國(guó)正重點(diǎn)發(fā)展和扶持的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，所以研究和使用空氣式非接觸搬運(yùn)技術(shù)對(duì)于提高我國(guó)的生產(chǎn)技術(shù)有重要的意義[5]。

43、</p><p><b>　　3　氣動(dòng)伺服系統(tǒng)</b></p><p><b>　　3.1　關(guān)鍵元件</b></p><p>　　該氣動(dòng)伺服系統(tǒng)主要元件包括氣源系統(tǒng)、氣缸、電磁閥和輔件等。</p><p>　　3.1.1　氣源系統(tǒng)</p><p>　　由產(chǎn)生、處理和儲(chǔ)存壓縮空

44、氣的設(shè)備所組成的系統(tǒng)稱為氣源系統(tǒng)。典型的氣源系統(tǒng)由下列部分組成:空氣壓縮機(jī)、后部冷卻器、過(guò)濾器(包括前置過(guò)濾器、油水分離器、管道過(guò)濾器、除油過(guò)濾器、除臭過(guò)濾器、滅菌過(guò)濾器等等)、穩(wěn)壓儲(chǔ)氣罐、干燥機(jī)(冷凍式或吸附式)、自動(dòng)排水排污器，輸氣管道、管路閥件、儀表等。上述設(shè)備根據(jù)工藝流程的不同需要，組合成完整的氣源系統(tǒng)。</p><p><b>　　3.1.2　氣缸</b></p>&

45、lt;p>　　氣缸是氣動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行元件之一，用于實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或擺動(dòng)。常用的氣缸有單作用氣缸、雙作用汽缸和緩沖氣缸。</p><p><b>　　3.1.3　電磁閥</b></p><p>　　在氣動(dòng)回路中，電磁控制換向閥的作用是利用電磁力的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)閥的切換以及控制氣流的流動(dòng)方向，分為直動(dòng)式電磁閥和先導(dǎo)式電磁閥。直動(dòng)式電磁閥直接利用電磁力推動(dòng)閥芯換向，特點(diǎn)是

46、在真空、負(fù)壓、零壓時(shí)能正常工作；而先導(dǎo)式換向閥則利用電磁先導(dǎo)閥輸出的先導(dǎo)氣壓推動(dòng)閥芯換向，特點(diǎn)是便于實(shí)現(xiàn)電、氣聯(lián)合控制。</p><p><b>　　4　小結(jié)</b></p><p>　　在半導(dǎo)體及液晶面板生產(chǎn)的搬運(yùn)技術(shù)方面，非接觸式輸送設(shè)備的運(yùn)用可以降低成本、提高成品率、實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。根據(jù)國(guó)家在高新產(chǎn)業(yè)的指導(dǎo)性政策，隨著大型硅晶片和液晶面板等生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展以及高端生

47、產(chǎn)線的不斷建設(shè)，使用快速、穩(wěn)定、低能耗的氣懸浮或氣吸浮式非接觸式搬運(yùn)系統(tǒng)將成為未來(lái)的主流，空氣非接觸式搬送技術(shù)有著光明的市場(chǎng)前景。</p><p><b>　　5　主要參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 阮曉東, 郭麗媛, 傅新, 鄒俊. 旋渦式非接觸硅片夾持裝置的流動(dòng)計(jì)算及試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2010, (16): 189-194.</

48、p><p>　　[2] 門連通, 白淑璠. 非接觸式搬運(yùn)設(shè)備在液晶物流中的應(yīng)用[J]. 物流技術(shù), 2 (06): 27-29.</p><p>　　[3] 郭麗媛. 非接觸硅片夾持裝置的研究[D]. 浙江大學(xué), 2010.</p><p>　　[4] 徐克林. 氣動(dòng)技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 重慶, 重慶大學(xué)出版社, 1997.</p><p>　　[5

49、] 王濤, 楊玉貴, 彭光正. 半導(dǎo)體及平板顯示制造業(yè)中的空氣非接觸搬運(yùn)技術(shù)[J]. 液晶與顯示, 2009 (3): 404-408.</p><p>　　[6] 吳秋華, 江楠, 朱君君. 氣動(dòng)伺服機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 液壓與氣動(dòng), 2010(5): 97-103. </p><p>　　[7] 叢明, 于旭, 徐曉飛. 硅片傳輸機(jī)器人的發(fā)展及研究現(xiàn)狀[J]. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用

50、, 2007(04): 205-212.</p><p>　　[8] SMC(中國(guó))有限公司. 現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1998.</p><p>　　[9] LI Xin, KAWASHIMA K, KAGAWA T. Analysis ofvortex levitation[J]. Experiment Thermal and FluidScience, 2

51、008, 32 (8):1448-1454.</p><p>　　[10] Mario Lento; Using an integrated controller to manage wafer-handling systems. Mario[J], 2001, 19(8): 118-124.</p><p>　　[11] Chris Felix. Hold On With Vacuum

52、Clamping[J]. Production Machining, 2007, 7(11): 102-108.</p><p>　　[12] Vacuum generator[J]. Factory Equipment News, 2001, 35(8): 77-84.</p><p>　　[13] Rachael Morling. Pneumatic technology enhanc

53、es an Intelligent transport robot system[J]. Design Solutions, 2009,17(8):66-69.</p><p>　　[14] ZHANG Meng, LEI Wei-xin. Theoretical Study and Application of Pneumatic Servo Positioning System[J]. Mechanical

54、Engineering & Automation, 2010(5).</p><p>　　[15]YU Xiao-lin1, WANG Ning, YANG Jun-bao. Study on Servocontrol Strategy for Pneumatic Manipulator[J]. Transactions of Shenyang Ligong University, 2010(7): 99

55、-105.</p><p>　　[16] TAO Xiangting, YUAN Ruibo, LUO Jing. The Applications and Developments of the Pneumatic Manipulator[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2007(8): 33-39.</p><p><b>　　本科畢業(yè)論

56、文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　氣動(dòng)旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸氣爪搬運(yùn)系統(tǒng)</p><p><b>　　摘　要</b></p><p>　　摘要：半導(dǎo)體制造業(yè)中,硅片生產(chǎn)加工需要經(jīng)過(guò)很多道加工工序,所以硅片要經(jīng)過(guò)很多次裝夾。硅片屬于貴重物品,而且

57、容易出現(xiàn)扭曲,刮傷,表面污染等問(wèn)題。目前使用最多的是接觸式空氣吸附夾持裝置。接觸式的硅片夾持裝置難以避免上述問(wèn)題的產(chǎn)生。本文針對(duì)硅片在裝夾和搬運(yùn)過(guò)程中的非接觸要求,介紹了一種非接觸式的硅片搬運(yùn)系統(tǒng)。首先，對(duì)已有的氣動(dòng)旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸式氣爪進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改進(jìn)；其次,設(shè)計(jì)一種由非接觸式氣爪組成的組合式吸盤,能夠增加硅片搬運(yùn)過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性,并完成了其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；最后,利用各種氣動(dòng)元件,設(shè)計(jì)了一個(gè)氣動(dòng)旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸氣爪搬運(yùn)系統(tǒng),使其能夠?qū)?/p>

58、現(xiàn)對(duì)硅片進(jìn)行非接觸式的夾持并搬運(yùn),對(duì)組成該系統(tǒng)的元件進(jìn)行了選型,并完成了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：非接觸搬運(yùn)；旋回流；硅片夾持。</p><p>　　Abstract：In semiconductor manufacturing production processing, silicon wafer need to pass through many processi

59、ng road process, it needs to clamping again and again. Silicon belong to the valuables, and it prones to some problems, such as surface contaminants distort, scratches and so on. Nowadays wildely used is non-contact air

60、adsorption clamping device. Contact silicon clamping devices cannot avoid to the above problems. This paper introduces a kind of non-contact silicon handling system for </p><p>　　Key words：no-contact holding

61、; vortex; waferholding.</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘　要15</b></p><p><b>　　1 緒論19</b></p><p>　　1.1 非接觸式夾持裝置的作用和重要性19</p>

62、<p>　　1.2 氣動(dòng)旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸氣爪20</p><p>　　1.2.1 氣動(dòng)旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸氣爪的概念和原理20</p><p>　　1.2.2 非接觸氣爪的應(yīng)用現(xiàn)狀20</p><p>　　1.3 研究?jī)?nèi)容22</p><p>　　2 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)23</p><p>　　2.1

63、關(guān)鍵元件23</p><p>　　2.1.1 氣源系統(tǒng)23</p><p>　　2.1.2 氣缸23</p><p>　　2.1.3 電磁閥24</p><p>　　2.2 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)24</p><p>　　2.3 氣動(dòng)元件的選擇25</p><p>　　2.3.1 氣缸的選擇

64、25</p><p>　　2.3.2 電磁閥及輔件的選擇26</p><p>　　3 搬運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)29</p><p>　　3.1 氣爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)29</p><p>　　3.2 組合式吸盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)30</p><p>　　3.3 搬運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)32</p><p>　　4 總結(jié)

65、與展望35</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)36</b></p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 非接觸式夾持裝置的作用和重要性</p><p>　　信息產(chǎn)業(yè)中半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)占著很大的比重，并

66、且以硅片為基礎(chǔ)材料的硅制件半導(dǎo)體器件達(dá)到九成以上。由于半導(dǎo)體晶片在裝夾過(guò)程中容易產(chǎn)生磨損、污染、扭曲變形等問(wèn)題，所以對(duì)搬運(yùn)和夾持條件要求較高。硅片夾持裝置的性能要求由硅片夾持運(yùn)輸過(guò)程的特殊要求以及硅片本身的特點(diǎn)決定。硅片在生產(chǎn)制造過(guò)程中，要經(jīng)過(guò)很多道加工工序，需要進(jìn)行許多次夾持過(guò)程，這就對(duì)夾持裝置的可靠性和安全性要求較高；且硅片成本比較貴，夾持裝置對(duì)硅片的損傷越小，越能保證硅片的利用率，減小利益損失，所以硅片夾持裝置對(duì)硅片的損壞要盡可能

67、小，保證硅片表面潔凈，平整光亮呈鏡面，不產(chǎn)生凹坑、粗糙、波紋、劃痕、霧狀等缺陷[1]。硅片的大直徑化發(fā)展趨勢(shì)，使得硅片更容易產(chǎn)生扭曲變形，面型精度和表面光潔度不容易保持，加工效率低下等一系列比較嚴(yán)重的問(wèn)題。硅片的直徑變大，每個(gè)硅片的重量也在增加，更主要的是相應(yīng)硅片的價(jià)值也在急速上升，人工搬運(yùn)的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)太大，需要安全的自動(dòng)化傳輸系統(tǒng)?，F(xiàn)在硅片的直徑由200mm向300mm甚至450mm過(guò)渡，從技術(shù)上要考慮硅片的平整度及彎曲度等影響，以及硅

68、片的表面形態(tài)，所以技術(shù)難度是一個(gè)很大的難題[1]。因此，大直徑硅片的應(yīng)用將使硅片的</p><p>　　采用空氣動(dòng)力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)的非接觸夾持裝置應(yīng)用于硅片夾持和運(yùn)輸過(guò)程，有著其不可替代的優(yōu)勢(shì):</p><p>　　(1) 氣動(dòng)非接觸夾持對(duì)硅片的材料、形狀限制低，適用于對(duì)大直徑硅片的夾持要求。</p><p>　　(2) 氣動(dòng)裝置使用氣體作為工作介質(zhì)，對(duì)工作環(huán)境沒(méi)有污染

69、，符合半導(dǎo)體制造過(guò)程對(duì)于環(huán)境潔凈性能的要求。</p><p>　　(3) 非接觸夾持避免了夾持裝置與硅片表面的直接接觸，極大的降低了表面劃痕的產(chǎn)生的可能性，這對(duì)于需要經(jīng)歷幾百道加工工序的硅片來(lái)說(shuō)，大大的提高了產(chǎn)品合格率，從而降低了硅片生產(chǎn)成本。</p><p>　　(4) 減小了硅片的扭曲變形、表面殘留污漬等缺陷的發(fā)生[3]。</p><p>　　1.2 氣動(dòng)旋回流

70、驅(qū)動(dòng)非接觸氣爪</p><p>　　1.2.1 氣動(dòng)旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸氣爪的概念和原理</p><p>　　圖1.1 氣動(dòng)旋回流原理圖</p><p>　　如圖1.1示，在一個(gè)倒置的一端開(kāi)口的杯狀容器中，在其側(cè)壁上方切向接入一空氣導(dǎo)管，向容器中射入高壓氣體，氣體進(jìn)入夾持裝置后由于離心力的作用，被甩向容器內(nèi)壁并強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)，形成旋渦，旋渦的中心為速度很高的“渦核”。旋渦流在

71、吸盤底部排出時(shí)，因其約束的突然消失而導(dǎo)致壓力突變，產(chǎn)生了回流，因此在容器的中間產(chǎn)生了負(fù)壓，接近真空，置于吸盤下方的平板類工件就會(huì)受到一個(gè)向上的吸附力。由于容器頂端不斷有高壓氣體射入，進(jìn)入容器的氣體以螺旋狀向下運(yùn)動(dòng)，在吸盤底部呈散射狀排出，從而在硅片的外圍與吸盤之間形成了一個(gè)氣墊，對(duì)硅片產(chǎn)生排斥力。當(dāng)吸引力與排斥力的合力與硅片重力平衡時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)非接觸夾持。</p><p>　　1.2.2 非接觸氣爪的應(yīng)用現(xiàn)狀&l

72、t;/p><p>　　目前,在第8代液晶面板生產(chǎn)線中已全面使用了旋回流空氣懸浮式非接觸搬運(yùn)技術(shù)。日本夏普公司正在建設(shè)的第10代液晶平板生產(chǎn)線也擬采用該項(xiàng)技術(shù)。我國(guó)目前液晶面板的生產(chǎn)線最高為第5代,仍然在采用傳統(tǒng)的滾輪式或者真空吸附式的搬運(yùn)系統(tǒng)，在搬運(yùn)技術(shù)方面已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)際先進(jìn)水平。從2006年起，中國(guó)新建立了多家用于半導(dǎo)體芯片制造及太陽(yáng)能電池芯片制造的多晶硅晶片工廠,但大部分的晶片搬運(yùn)仍采用吸盤式夾持,同樣存在廢品

73、率高的問(wèn)題。液晶顯示和硅片產(chǎn)業(yè)在信息產(chǎn)業(yè)中有重要的基礎(chǔ)性地位,是在技術(shù)和資本雙密集型的產(chǎn)業(yè)，也是目前我國(guó)正在重點(diǎn)發(fā)展和扶持的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),所以研究和使用空氣式非接觸搬運(yùn)技術(shù)對(duì)于提高我國(guó)的生產(chǎn)技術(shù)有著重要的意義[14]。</p><p>　　目前,很多國(guó)外的電子開(kāi)發(fā)商已經(jīng)研究和開(kāi)發(fā)了非接觸式的搬運(yùn)裝置，并且已經(jīng)運(yùn)用到生產(chǎn)線上。美國(guó)New Way Precision公司基于空氣靜壓軸承的基礎(chǔ),利用多孔質(zhì)材料開(kāi)發(fā)出一種

74、非接觸式大型玻璃基板和硅晶片的搬運(yùn)裝置；日本第一設(shè)施工業(yè)公司開(kāi)發(fā)了具有智能判斷工件有無(wú)能力的氣動(dòng)懸浮式非接觸式技術(shù)[5]；以色列Orbotech公司開(kāi)發(fā)的氣浮式搬運(yùn)技術(shù)可以檢測(cè)玻璃基板的大小及重量,隨時(shí)與基板保持一定距離進(jìn)搬運(yùn)[6]。許多世界知名的氣動(dòng)元件廠家也在積極地研制和開(kāi)發(fā)空氣非接觸式元件和搬運(yùn)系統(tǒng)。圖1.2和1.3為世界最大的氣動(dòng)元件制造商日本SMC公司利用空氣懸浮和吸浮技術(shù)開(kāi)發(fā)的玻璃基板的非接觸式搬運(yùn)系統(tǒng) [11]。</

75、p><p>　　圖1.2 非接觸式玻璃基板搬運(yùn)機(jī)器人</p><p>　　圖1.3 空氣懸浮式式玻璃基板搬運(yùn)系統(tǒng)</p><p><b>　　1.3 研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　本文對(duì)氣動(dòng)旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸氣爪的工作原理進(jìn)行了研究,并對(duì)現(xiàn)已有的旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸氣爪進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于硅片正在向大直徑化發(fā)展,單

76、個(gè)的小直徑非接觸式氣爪難以完成搬運(yùn)大直徑硅片的工作,本文就此提出一種利用多個(gè)非接觸式氣爪組合成一個(gè)非接觸式吸盤的方案,并對(duì)各個(gè)非接觸式氣爪的分布以及安裝方式進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。同時(shí)對(duì)整個(gè)非接觸式搬運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),包括如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),組成該系統(tǒng)的元件的選擇、各元件的安裝等。</p><p>　　2 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2.1 關(guān)鍵元件<

77、/b></p><p>　　本文設(shè)計(jì)的非接觸式搬運(yùn)運(yùn)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)將硅片從一個(gè)位置搬運(yùn)到另一個(gè)位置的工作過(guò)程,也就是能夠完成將硅片吸附→上升→平移→下降→放下的過(guò)程。由于氣動(dòng)旋回流非接觸氣爪是氣動(dòng)裝置,為了更合理地利用能源,將實(shí)現(xiàn)硅片位置移動(dòng)的部件也設(shè)計(jì)為氣動(dòng)的,所以可以選用氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)硅片的位置移動(dòng)。</p><p>　　用氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的搬運(yùn),要完成上升→平移→下降的過(guò)程,就需要兩

78、個(gè)氣缸,即實(shí)現(xiàn)上下左右兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),因此需要兩個(gè)雙作用的氣缸,要實(shí)現(xiàn)氣缸可以上下左右移動(dòng),就需要一種元件來(lái)控制氣缸運(yùn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)換,這種轉(zhuǎn)換可以由換向電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。在搬運(yùn)工程中,為了保證硅片的安全性,就要附加元件控制氣缸的運(yùn)動(dòng)速度,因此速度控制電磁閥也是必不可少的。</p><p>　　綜上所述,本搬運(yùn)系統(tǒng)的關(guān)鍵元件有氣源系統(tǒng)、氣缸以及電磁閥。</p><p>　　2.1.1 氣源系統(tǒng)&

79、lt;/p><p>　　由產(chǎn)生、處理和儲(chǔ)存壓縮空氣的設(shè)備所組成的系統(tǒng)稱為氣源系統(tǒng)。典型的氣源系統(tǒng)由下列各部分組成:空氣壓縮機(jī)、后部冷卻器、過(guò)濾器(包括前置過(guò)濾器、油水分離器、管道過(guò)濾器、除油過(guò)濾器、除臭過(guò)濾器、滅菌過(guò)濾器等等)、穩(wěn)壓儲(chǔ)氣罐、干燥機(jī)(冷凍式或吸附式)、自動(dòng)排水排污器，輸氣管道、管道閥件、儀表等。上述設(shè)備根據(jù)工藝流程的不同需要，組合成完整的氣源系統(tǒng)[7]。</p><p><

80、b>　　2.1.2 氣缸</b></p><p>　　氣缸的作用是將壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)、擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。氣缸的種類可以分為單作用氣缸、雙作用氣缸、緩沖氣缸等。</p><p>　　所謂單作用氣缸是指壓縮空氣僅在氣缸的一端進(jìn)氣，并推動(dòng)活塞(或柱塞)運(yùn)動(dòng)，而活塞或柱塞的返回則是借助其他外力，如重力、彈簧力等。這種氣缸的特點(diǎn)是:</p>

81、;<p>　　(1)由于是單向進(jìn)氣，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗氣量比較小。</p><p>　　(2)由于是用彈簧復(fù)位，使壓縮空氣的能量有一部分用來(lái)克服彈簧的彈力，因而減小了活塞桿的輸出推力。</p><p>　　(3)缸體內(nèi)由于安裝了彈簧而減小了空間，從而縮短了活塞的有效行程。</p><p>　　(4)氣缸復(fù)位彈簧的彈力是隨其變形大小而變化的，因此活塞桿的推

82、力和運(yùn)動(dòng)速度在行程中是有變化的[14]。</p><p>　　所謂雙作用氣缸就是在相反的兩個(gè)方向都要輸出作用力，一端進(jìn)氣輸出推力和拉力時(shí),另一端排氣。雙活塞桿氣缸用的較少,其結(jié)構(gòu)與單活塞桿氣缸基本相同，只是活塞兩側(cè)都裝有活塞桿。因兩端活塞桿直徑相同，所以活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度和輸出力均相等,此種氣缸常用于氣動(dòng)加工機(jī)械及包裝機(jī)械等設(shè)備上。</p><p>　　緩沖氣缸的運(yùn)動(dòng)速度一般都較快,一般可

83、以達(dá)到1m/s，為了防止活塞與氣缸端蓋發(fā)生碰撞,必須設(shè)置緩沖裝置,使活塞接近端蓋時(shí)得到緩沖減速。</p><p><b>　　2.1.3 電磁閥</b></p><p>　　在氣動(dòng)回路中，電磁控制換向閥的作用是利用電磁力的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)閥的切換以及控制氣流的流動(dòng)方向，分為直動(dòng)式電磁閥和先導(dǎo)式電磁閥。直動(dòng)式電磁閥直接利用電磁力推動(dòng)閥芯換向，特點(diǎn)是在真空、負(fù)壓、零壓時(shí)能正常工

84、作，但通徑一般不超過(guò)25mm;而先導(dǎo)式換向閥則利用電磁先導(dǎo)閥輸出的先導(dǎo)氣壓推動(dòng)閥芯換向，特點(diǎn)是便于實(shí)現(xiàn)電、氣聯(lián)合控制。本系統(tǒng)中利用電磁換向閥實(shí)現(xiàn)氣缸運(yùn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　速度控制閥是通過(guò)控制流過(guò)閥的氣體流量，來(lái)控制通過(guò)執(zhí)行元件的氣壓，來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件運(yùn)作的速度，本系統(tǒng)中利用速度控制閥來(lái)調(diào)節(jié)兩個(gè)氣缸的運(yùn)動(dòng)速度。</p><p>　　2.2 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)</p>

85、<p>　　本搬運(yùn)系統(tǒng)的兩個(gè)氣缸和由氣爪組成的吸盤都是由氣源系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。由空氣壓縮機(jī)壓縮后的氣體是高壓氣體,經(jīng)過(guò)過(guò)濾干燥后,再經(jīng)過(guò)減壓,通過(guò)軟管分別流向兩個(gè)氣缸和吸盤,在吸盤處分別驅(qū)動(dòng)各個(gè)氣爪。在流向氣缸和氣爪這些執(zhí)行元件之前,氣體必需先經(jīng)過(guò)氣缸的換向閥、節(jié)流閥和氣爪的節(jié)流閥等控制元件,從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸運(yùn)動(dòng)速度和方向的控制,以及氣爪吸附力的調(diào)節(jié)。</p><p>　　為了方便氣爪吸附力的大小的控制,還應(yīng)

86、在控制氣爪的比例節(jié)流閥前接一個(gè)壓力表,使得回路中壓力大小的變化更加直觀。</p><p>　　圖2.1 氣動(dòng)回路圖</p><p>　　如圖為2.1本系統(tǒng)的氣動(dòng)回路圖設(shè)計(jì)，圖中1.氣源系統(tǒng)，2.空氣過(guò)濾器，3.減壓閥，4.兩位五通電磁閥，5.單向節(jié)流閥，6.氣缸一，7.氣缸二，8.壓力表，9.比例節(jié)流閥，10.氣爪。氣缸一為雙作用式無(wú)桿氣缸,氣缸二為雙作用標(biāo)準(zhǔn)氣缸。氣缸一水平安裝，氣缸二通

87、過(guò)連接塊豎直與氣缸一連接，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。兩位五通電磁閥的作用是控制氣體流向從而控制氣缸的運(yùn)動(dòng)方向，單向節(jié)流閥通過(guò)控制氣體流量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸運(yùn)動(dòng)速度的控制。通過(guò)調(diào)節(jié)比例節(jié)流閥，可以控制通入氣爪內(nèi)氣體流量的大小,從而控制氣爪對(duì)工件吸附力的大小。在某個(gè)范圍內(nèi)，氣體流量越大，氣爪能產(chǎn)生的吸附力則越強(qiáng)。</p><p>　　2.3 氣動(dòng)元件的選擇</p><p>　　2.3.1 氣缸的選

88、擇</p><p>　　本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，因此兩個(gè)氣缸均采用雙作用氣缸，吸盤是安裝在氣缸二上，所以氣缸二采用標(biāo)準(zhǔn)氣缸，選用SMC公司產(chǎn)品，型號(hào)為CP95DB32—500—Z73。該氣缸為內(nèi)置磁環(huán)的緩沖氣缸，缸徑32mm，M螺紋，標(biāo)準(zhǔn)行程500mm，雙作用,自帶位移傳感器[9]。實(shí)物圖如下：</p><p>　　圖2.2 氣缸二實(shí)物圖</p><p>　　

89、前面緒論中提到，如今硅片正在向大直徑化發(fā)展，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是根據(jù)直徑300mm的硅片為對(duì)象，所以搬運(yùn)時(shí)要將硅片移動(dòng)位置大于300mm，所以氣缸一的行程必須大于300mm。此外，氣缸一是以缸體兩端的一部分安裝固定在支架上，所以要求行程大于等于500mm，在此選擇氣缸一型號(hào)為CY1L20H—750—A72。CY表示磁偶式無(wú)桿氣缸，缸徑20mm，最大行程750mm[9]。實(shí)物圖如下：</p><p>　　圖2.3 氣缸一

90、實(shí)物圖</p><p>　　2.3.2 電磁閥及輔件的選擇</p><p>　　根據(jù)需要選擇SMC的2位5通電磁閥，圖5.8表示此2位5通先導(dǎo)式電磁閥作原理圖。起始狀態(tài)，線圈處于斷電狀態(tài)，1、2進(jìn)氣，4、5排氣；線圈通電時(shí)，鐵芯產(chǎn)生電磁力，使先導(dǎo)閥動(dòng)作，壓縮空氣通過(guò)氣路進(jìn)入閥先導(dǎo)活塞使活塞啟動(dòng)，在活塞中間，密封圓面打開(kāi)通道，1和4進(jìn)氣，2和3排氣;當(dāng)斷電時(shí)，先導(dǎo)閥在彈簧的作用下復(fù)原，恢復(fù)到

91、原先的狀態(tài)。</p><p>　　圖2.4 兩位五通電磁閥的工作原理</p><p>　　電磁閥型號(hào)為SY5120—5G—C6,SYSOOO系列為5通先導(dǎo)式電磁閥，1表示2位單電控，2表示直接配管型，標(biāo)準(zhǔn)線圈，5表示額定電壓DC24v，G表示導(dǎo)線引出方式為直接出線式，無(wú)指示燈及過(guò)電壓保護(hù)回路，手動(dòng)操作方式為非鎖定按鈕式，C6表示一種6快換接頭，螺紋種類為Rc(圓錐內(nèi)螺紋)，無(wú)托架[7]。實(shí)

92、物圖如下：</p><p>　　圖2.5 電磁閥實(shí)物圖</p><p>　　單向節(jié)流閥（速度控制閥）型號(hào)為AS2201FM—01—06S,實(shí)物圖如圖2.6所示,該種單向節(jié)流閥用于氣缸的運(yùn)動(dòng)速度限制，滿足了氣缸在移動(dòng)過(guò)程中不能太快的要求,保證了硅片在運(yùn)輸過(guò)程中的安全。</p><p>　　圖2.6 單向節(jié)流閥實(shí)物圖</p><p>　　3 搬運(yùn)

93、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 氣爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)采用的非接觸式氣爪結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 氣動(dòng)旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸氣爪</p><p>　　該類型的氣爪部件可以拆分為四部分,如圖3.2。部件1既是氣爪與吸盤支架安裝連接的部分，也是進(jìn)氣孔所在部分。部件2是氣體進(jìn)入氣爪后的通道，氣體在進(jìn)

94、入部件2時(shí)開(kāi)始高速旋轉(zhuǎn)。部件3是產(chǎn)生負(fù)壓和排出氣體的核心部件。部件4與部件3安裝在一起后部件4是嵌入在3內(nèi)，并且3與4之間留有空隙,這個(gè)空隙便是氣體排出的通道。</p><p>　　圖3.2 氣爪散裝示意圖</p><p>　　這種氣爪的設(shè)計(jì)方式有利于氣爪在吸附工件時(shí)吸附通道和排氣通道的隔離,同時(shí)也能產(chǎn)生更大的吸附力。</p><p>　　3.2 組合式吸盤的結(jié)構(gòu)設(shè)

95、計(jì)</p><p>　　前面已經(jīng)提到了氣動(dòng)旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸氣爪的能實(shí)現(xiàn)吸附的工作原理。但是如果只由一個(gè)吸盤來(lái)進(jìn)行硅片的吸附和操作,由于進(jìn)入氣爪的氣體是高速旋轉(zhuǎn)的,必然對(duì)吸附的硅片產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)力,即扭矩。所以會(huì)導(dǎo)致工件（硅片）的旋轉(zhuǎn),這將會(huì)使硅片在搬運(yùn)過(guò)程中存在安全隱患。所以采用組合式吸盤的設(shè)計(jì),即由偶數(shù)個(gè)氣爪來(lái)組成一個(gè)吸盤,例如兩個(gè),且兩個(gè)氣爪的進(jìn)氣方向相反,從而可以實(shí)現(xiàn)扭矩的抵消。為了提高搬運(yùn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,本系

96、統(tǒng)采用6個(gè)氣爪組合成一個(gè)吸盤結(jié)構(gòu)。對(duì)應(yīng)的直線上的兩個(gè)氣爪進(jìn)氣方向相反（如圖3.3）,可知整個(gè)吸盤扭矩抵消,不會(huì)使吸附的工件產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。并且使用多個(gè)氣爪組合成吸盤相比于使用單個(gè)氣爪來(lái)吸附工件有更多的優(yōu)勢(shì),例如,使用一個(gè)氣爪來(lái)抓取硅片,就要求氣爪的有效直徑與硅片直徑相近且不大于硅片的直徑,因?yàn)槲覀冎罉O薄的硅片的材質(zhì)相當(dāng)于紙張,氣爪與硅片直徑很接近,假如吸附力過(guò)大,則硅片會(huì)扭曲直接被吸入氣爪腔體。采用多個(gè)小氣爪組合成吸盤則可以避免這種情況的發(fā)

97、生。</p><p>　　圖3.3 組合式吸盤氣體流向示意圖</p><p>　　組合式吸盤中各個(gè)氣爪的分布位置如圖3.3中所示，支架形狀如圖中六角形狀。由于要考慮到整個(gè)組合式吸盤是要安裝到氣缸的一端，所以必須設(shè)計(jì)一個(gè)連接吸盤與氣缸的安裝部件，將這個(gè)連接部分設(shè)計(jì)到吸盤上,與六角支架固定，可以與氣缸一端的螺紋進(jìn)行螺紋連接。并且可以將總進(jìn)氣口和管路設(shè)計(jì)在其中。具體設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)圖如圖3.4所示

98、。</p><p>　　圖3.4 組合式吸盤裝配圖</p><p>　　圖中1為吸盤的一部分,通過(guò)螺釘5與六角支架固定。6為螺紋安裝孔,通過(guò)這3個(gè)安裝孔可以使這個(gè)吸盤與氣缸進(jìn)行安裝連接。4為給各個(gè)氣爪提供氣體的進(jìn)氣口,氣體由軟管進(jìn)入到1的中心后向下進(jìn)入到部件3的氣體通道,再由各分支軟管7通向各個(gè)氣爪。</p><p>　　3.3 搬運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p>

99、<p>　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖以及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖如圖3.5所示,氣缸一水平安裝在固定支架上,氣缸二通過(guò)連接塊豎直與氣缸一連接。初始狀態(tài)時(shí),吸盤的位置在位置1,氣缸二運(yùn)作,使吸盤位置下降到位置2,夾持工件,回到位置1,此時(shí)氣缸一運(yùn)作,將工件位置搬運(yùn)到位置3停止,氣缸二再運(yùn)作,將吸盤下降到位置4,放下工件,完成系統(tǒng)整個(gè)搬運(yùn)過(guò)程。</p><p>　　圖3.5 氣動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖</p>

100、<p>　　由于硅片的搬運(yùn)是從一個(gè)位置搬運(yùn)到另一個(gè)指定的位置，所以需要的氣缸的移動(dòng)位移有所控制，在這里采用位移傳感器來(lái)記錄氣缸的運(yùn)動(dòng)位移。在氣缸一的下方將位移傳感器安裝固定在支架上，氣缸二是自帶位移傳感器的,因此不需要另外附加傳感器。</p><p>　　圖3.6 氣動(dòng)旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸氣爪搬運(yùn)系統(tǒng)裝配圖</p><p>　　整個(gè)搬運(yùn)系統(tǒng)的裝配圖如圖3.6所示,圖中1是氣缸一,無(wú)

101、桿式雙作用氣缸,水平安裝在支架3上,2為氣缸二,通過(guò)在氣缸一的滑塊上安裝一個(gè)連接塊,將氣缸二安裝在該連接塊上。4為直線型位移傳感器,平行地安裝在氣缸一的下方,位移傳感器的滑塊連接到氣缸一與氣缸二的連接塊上,隨著氣缸一的位置移動(dòng),位移傳感器的滑塊也跟隨著運(yùn)動(dòng),便可以記錄下氣缸一的位移數(shù)據(jù)。圖中雙點(diǎn)劃線所畫的氣缸2表示從原來(lái)位置運(yùn)動(dòng)到該位置時(shí)的狀態(tài)。</p><p><b>　　4 總結(jié)與展望</b&

102、gt;</p><p>　　在半導(dǎo)體及液晶面板生產(chǎn)的搬運(yùn)技術(shù)方面,非接觸式輸送設(shè)備的運(yùn)用可以降低成本、提高成品率、實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。根據(jù)國(guó)家在高新產(chǎn)業(yè)的指導(dǎo)性政策,隨著大型硅晶片和液晶面板等生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展以及高端生產(chǎn)線的不斷建設(shè),使用快速、穩(wěn)定、低能耗的氣懸浮或氣吸浮式非接觸式搬運(yùn)系統(tǒng)將成為未來(lái)的主流。</p><p>　　此外在液晶物流以及有些食品包裝行業(yè),同樣對(duì)產(chǎn)品和加工包裝過(guò)程中有著非接

103、觸的要求,這意味這非接觸式的搬運(yùn)、夾持裝置的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。非接觸式搬運(yùn)、夾持設(shè)備未來(lái)有望在這些行業(yè)中的得到普及,氣動(dòng)旋回流驅(qū)動(dòng)非接觸氣爪搬運(yùn)系統(tǒng)有著光明的前景。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 阮曉東, 郭麗媛, 傅新, 鄒俊. 旋渦式非接觸硅片夾持裝置的流動(dòng)計(jì)算及試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2010, (16)&l

104、t;/p><p>　　[2] 郭麗媛. 非接觸硅片夾持裝置的研究[D]. 浙江大學(xué), 2010</p><p>　　[3] 司震鵬, 曹西京, 姜小放. 真空吸附式機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 包裝與食品機(jī)械, 2009, 27, (06)</p><p>　　[4] 滕燕, 李小寧, 趙萍萍. 流量自調(diào)式射流真空發(fā)生器[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2009, (09)</

105、p><p>　　[5] 叢明, 于旭, 徐曉飛. 硅片傳輸機(jī)器人的發(fā)展及研究現(xiàn)狀[J]. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用, 2007, (04) </p><p>　　[6] 金紅杰, 鐘善理, 鄧志濤. 全自動(dòng)硅片傳送系統(tǒng)[J]. 安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2009, (02)</p><p>　　[7] 徐克林. 氣動(dòng)技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 重慶: 重慶大學(xué)出版社, 1997</p

106、><p>　　[8] SMC(中國(guó))有限公司. 現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1998</p><p>　　[9] SMC公司氣動(dòng)產(chǎn)品樣本資料, 1990</p><p>　　[10] 田玲. 氣動(dòng)組合臺(tái)真空吸附機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 真空, 2010, (05)</p><p>　　[11] 鄒翠榮, 張國(guó)孝. 真空吸附

107、原理及其應(yīng)用[J]. 真空, 1986 (06)</p><p>　　[12] 季新翔. 空氣噴射真空發(fā)生器——真空吸吊機(jī)械手元件[J]. 機(jī)械, 1993, (03)</p><p>　　[13] 門連通, 白淑璠; 非接觸式搬運(yùn)設(shè)備在液晶物流中的應(yīng)用[J]. 物流技術(shù),2006, (06)</p><p>　　[14] 吳秋華, 江楠, 朱君君. 氣動(dòng)伺服機(jī)械手