半導體芯片氣動搬運機械手設計

半導體芯片氣動搬運機械手設計,半導體,芯片,氣動,搬運,機械手,設計 I 江 南 大 學 太 湖 學 院 機 電 系 機 械 工 程 及 其 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設 計 論 文 任 務 書 一、題目及專題： １、題目 半導體芯片氣動搬運機械手設計 ２、專題 二、課題來源及選題依據 由于本人曾在上海凱虹半導體電子公司暑期實習，一次在處 理 SONY 謀 型號六自由度機械手臂故障后，讓我感觸很深。Sony 該型號機械手臂造價昂貴，功能強大，但在 6 英寸單晶硅芯片的 生產線上用作簡單動作的轉運機械手似乎有點大材小用，且運營 維護成本也非常昂貴。為此，我設想研制一套由 PLC 控制的氣動 機械手完成相同的動作，從而降低生產成本。恰逢此次畢業(yè)設計， 和指導老師交流后，得到了老師的大力支持，他認為此課題非常 具有可行性，且適合本人作為畢業(yè)設計。 本課題的任務是研制半導體芯片自動化生產線中用于搬運 8 英寸芯片的氣動機械手。該機械手要實現芯片的抓取、釋放、搬運 等動作，要求 結構合理，動作準確迅速。 三、本設計（論文或其他）應達到的要求： ① 查閱資料，了解機械手的發(fā)展史和發(fā)展前景. II ② 查閱資料，了解氣動機械手的發(fā)展史和發(fā)展前景 ③ 根據生產需要完成氣動機械手的結構設計 ④ 完成氣動機械手的氣動系統(tǒng)設計 ⑤ 完成氣動機械手 PLC 電氣自動控制系統(tǒng)的設計 ⑥ 根據 設計要求， 繪制氣動原理圖一套， PLC 程序圖一套， 編 輯 PLC 程序，完成 畢業(yè)設計說 明書一份，要求一萬五千字以上。 ⑦ 查閱資料和參考文獻，翻譯有關氣動方面的外文資料要求翻 譯一萬字以上。 四、接受任務學生： 機械 73 班 姓名 徐方舟 五、開始及完成日期： 自 2010 年 10 月 25 日 至 2011 年 5 月 22 日 六、設計（論文）指導（或顧問）： 指導教師 簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 〔學科組組長研究所所 長〕 簽名 系主任 簽名 2010 年 10 月 25 日 III 摘 要 本文設計了一種用于半導體芯片自動化生產線中的搬運氣動機械手。該機械手實現 芯片的抓取、釋放以及搬運等4個自由度的動作，結構合理，動作準確迅速，安全可靠性 高。采用日本三菱公司的FX2N系列PLC對機械手的上下、左右、回轉以及芯片吸取運動進 行自動化控制。利用可編程技術結合相應的硬件裝置控制機械手完成搬運動作，來配合 和實現生產上的要求。該氣動機械手作為特定工位的搬運機械手，能夠取代國外進口的 的多功能通用機械手，節(jié)約設備成本和維護成本80%以上，在自動化生產國產化進程中具 有積極的意義。 本人在實習單位的工作中發(fā)現在自動化生產線中為了便于實現柔性制造，大部分機 械手都是6自由度通用機械手，它采用模塊化安裝，改變工位動作時只需改變相應程序即 可。然而用通用機械手去執(zhí)行特定簡單工位的動作，是一種生產資源的浪費。在當今社 會追求高效，節(jié)約的大環(huán)境下，本人結合工作實際設計了一款能滿足特殊工位使用的機 械手。 關鍵詞：機械手；PLC ；氣動控制； IV Abstract This paper show a Manipulator which is used for transport IC semiconductor chips. This mechanical arm can catch,release and transport the IC chips ,which is a 4-degree of freedom arm. It have a reasonably structured and a high safe reliability. The FX2N PLC which produced by Mitsubishi used to control the movements,such as up PLC; Pneumatic control V 目 錄 1 緒論 .............................................................................................................................................1 1.1 基于 PLC 的氣動機械手設計的意義 ..................................................................................1 1.2 機械手的國內外的發(fā)展概況 ...............................................................................................1 1.2.1 機械手的發(fā)展史 ............................................................................................................1 1.2.2 氣動機械手的發(fā)展史和發(fā)展前景 ................................................................................3 1.3 本課題應達到的要求 ...........................................................................................................5 2 機械手基本結構與控制任務 .....................................................................................................6 2.1 機械手的主要部件及運動 ...................................................................................................6 2.2 機械手的結構及技術參數列表 ...........................................................................................7 2.2.1 氣動機械手的結構 ........................................................................................................7 2.2.1 氣動機械手的技術參數列表 ........................................................................................7 3 機械手氣動系統(tǒng)設計 .................................................................................................................8 3.1 氣壓傳動的組成及工作原理 ...............................................................................................8 3.1.1 氣源裝置及輔件 ............................................................................................................8 3.1.2 氣動控制元件 ................................................................................................................9 3.1.3 氣動執(zhí)行元件 ..............................................................................................................10 3.2 氣壓傳動的優(yōu)缺點 .............................................................................................................11 3.3 氣動機械手的氣缸的選用 .................................................................................................12 3.3.1 滑臺氣缸的選用 ..........................................................................................................13 3.3.2 旋轉氣缸的選用 ..........................................................................................................13 3.3.3 懸臂氣缸的選用 ..........................................................................................................14 3.3.4 升降氣缸的選用 ..........................................................................................................15 3.3.5 模塊化真空發(fā)生器和真空吸盤的選用 ......................................................................16 4 機械手電氣系統(tǒng)設計 ...............................................................................................................17 4.1 PLC 簡介 ..............................................................................................................................17 4.1.1 PLC 內部原理 ...............................................................................................................18 4.1.2 PLC 的工作原理 ...........................................................................................................20 4.1.3 PLC 機型的選擇方法 ...................................................................................................22 4.1.4 機械手 PLC 選擇及參數 .............................................................................................23 4.2 FX2N 系列 PLC...................................................................................................................24 4.2.1 FX2N 基本指令運用 ....................................................................................................25 5 機械手典型動作的 PLC 程序設計 ..........................................................................................27 5.1 電氣氣動控制( PLC 控制)要求 ..........................................................................................27 5.2 PLC 輸入、輸出點分配 ......................................................................................................28 5.3 機械手關鍵步驟 PLC 程序 ................................................................................................30 6 結論與展望 ...............................................................................................................................2 6.1 結論 .......................................................................................................................................2 VI 6.2 不足之處及未來展望 ...........................................................................................................2 致 謝 .............................................................................................................................................3 參考文獻 .........................................................................................................................................4 附錄 .................................................................................................................................................5 半導體芯片氣動搬運機械手設計 1 1 緒論 1.1 基于 PLC 的氣動機械手設計的意義 隨著社會生產不斷進步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對生產效率也不斷提出新要 求。由于微電子技術和計算軟、硬件技術的迅猛發(fā)展和現代控制理論的不斷完善，使機 械手技術快速發(fā)展。 用于再現人手的的功能的技術裝置稱為機械手。機械手是一種模仿人手動作，并按 設定程序、軌跡和要求代替人手抓（吸）取、搬運工件或工具或進行操作的自動化裝置。 在工業(yè)生產中得到廣泛應用。 其中氣動機械手采用 PLC 控制氣路及氣壓回路驅動氣缸實現要求的運動軌跡，在結 構上，與其他類型的機械手相比，氣動機械手具有結構簡單，控制容易，其氣動部件已 系列化和組立化，便于設計與實現，且維護方便。由于氣動機械手這些特點，氣動機械 手在生產過程自動化中的應用已日益廣泛。氣動機械手系統(tǒng)由于其介質來源簡便以及不 污染環(huán)境、組件價格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點，已滲透到工業(yè)領域的各個 部門，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。 氣動技術經歷了一個漫長的發(fā)展過程，隨著氣動伺服技術走出實驗室，氣動技術及 氣動機械手迎來了嶄新的春天。目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟氣動技術、氣 動機械手三足鼎立的局面。我國對氣動技術和氣動機械手的研究與應用都比較晚，但隨 著投入力度和研發(fā)力度的加大，我國自主研制的許多氣動機械手已經在汽車等行業(yè)為國 家的發(fā)展進步發(fā)揮著重要作用。隨著微電子技術的迅速發(fā)展和機械加工工藝水平的提高 及現代控制理論的應用，為研究高性能的氣動機械手奠定了堅實的物質技術基礎。 由于氣動機械手有結構簡單、易實現調速、易實現過載保護、易實現復雜的動作、 氣源使用方便、不污染環(huán)境、動作靈活可靠、工作安全可靠，適用于需要模擬人的重復 動作場合以及惡劣的工作環(huán)境中等諸多獨特的優(yōu)點，因而在沖壓加工、注塑、機床下料、 儀表電子、汽車航空及自動化生產線中有著廣闊的應用前景。 本文設計了一種基于 PLC 控制的四自由度的氣動機械手，用于半導體芯片自動化生 產線中用于搬運 8 英寸芯片的氣動機械手，該氣動機械手由氣控真空發(fā)生器、真空吸盤、 懸臂氣缸、旋轉氣缸、底座滑臺氣缸等部分組成。運用 PLC 可編程技術進行控制，對氣 動機械手完成生產物料運輸搬運工作，實現自動化控制。該氣動機械手能放置在各種不 同的電子產業(yè)的生產線或物流流水線中，使芯片盤的搬運更快捷、便利、準確、到位。 1.2 機械手的國內外的發(fā)展概況 1.2.1 機械手的發(fā)展史 Mechanical hand，也被稱為自動手，Auto hand，能模仿人手和臂的某些動作功能， 用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以 實現生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機 械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或 工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形 江南大學學士學位論文 2 式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或 復合運動來實現規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、 旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體， 需有 6 個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數。自由度越多，機械手的靈活性越大， 通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有 2～3 個自由度。 機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適 用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連 續(xù)軌跡控制機械手等。 機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和 傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由 人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手 在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產能力，改善熱、累等勞動條件。 機械手首先是從美國開始研制的。1958 年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。 它的結構是：機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是 示教形的。 1962 年，美國聯合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數控示教再現型機械 手。商名為 Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮、 用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上 發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產工業(yè)機械手。 1962 年美國機械制造公司也實驗成功一種叫 Vewrsatran 機械手。該機械手的中央立 柱可以回轉、升降采用液壓驅動控制系統(tǒng)也是示教再現型。雖然這兩種機械手出現在六 十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。 1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯合研制一種 Unimate- Vicarm 型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1 毫米。聯邦德國機械制造業(yè)是從 1970 年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設 備的上下料等作業(yè)。 聯邦德國 KnKa 公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自 1969 年從美國引進兩種機械手后 大力從事機械手的研究。 前蘇聯自六十年代開始發(fā)展應用機械手，至 1977 年底，其中一半是國產，一半是進 口 [1]。 目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要 是降低成本和提高精度。 第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力， 甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺機 能。 第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持 聯系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中的重要一環(huán)。 半導體芯片氣動搬運機械手設計 3 1.2.2 氣動機械手的發(fā)展史和發(fā)展前景 隨著工業(yè)機械化和自動化的發(fā)展以及氣動技術自身的一些優(yōu)點，氣動機械手已經廣 泛應用在生產自動化的各個行業(yè)。 近 20 年來，氣動技術的應用領域迅速拓寬，尤其是在各種自動化生產線上得到廣泛 應用。電氣可編程控制技術與氣動技術相結合，使整個系統(tǒng)自動化程度更高，控制方式 更靈活，性能更加可靠；氣動機械手、柔性自動生產線的迅速發(fā)展，對氣動技術提出了 更多更高的要求；微電子技術的引入，促進了電氣比例伺服技術的發(fā)展，現代控制理論 的發(fā)展，使氣動技術從開關控制進入閉環(huán)比例伺服控制，控制精度不斷提高；由于氣動 脈寬調制技術具有結構簡單、抗污染能力強和成本低廉等特點，國內外都在大力開發(fā)研 究。 從各國的行業(yè)統(tǒng)計資料來看，近 30 多年來，氣動行業(yè)發(fā)展很快。20 世紀 70 年代， 液壓與氣動元件的產值比約為 9:1，而 30 多年后的今天，在工業(yè)技術發(fā)達的歐美、日本 等國家，該比例已達到 6:4，甚至接近 5:5。我國的氣動行業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。從 20 世紀 80 年代中期開始，氣動元件產值的年遞增率達 20%以上，高于中國機械工業(yè)產值 平均年遞增率。隨著微電子技術、PLC 技術、計算機技術、傳感技術和現代控制技術的 發(fā)展與應用，氣動技術已成為實現現代傳動與控制的關鍵技術之一。 氣動技術是以空氣壓縮機為動力源，以壓縮空氣為工作介質，進行能量傳遞或信號 傳遞的工程技術，是實現各種生產控制、自動控制的重要手段之一。 大約開始于 1776 年，Johnwilkimson 發(fā)明能產生 1 個大氣壓左右壓力的空氣壓縮機。 1880 年，人們第一次利用氣缸做成氣動剎車裝置，將它成功地用到火車的制動上。20 世 紀 30 年代初，氣動技術成功地應用于自動門的開閉及各種機械的輔助動作上。至 50 年 代初，大多數氣壓元件從液壓元件改造或演變過來，體積很大。60 年代，開始構成工業(yè) 控制系統(tǒng)，自成體系，不再與風動技術相提并論。在 70 年代，由于氣動技術與電子技術 的結合應用，在自動化控制領域得到廣泛的推廣。80 年代進入氣動集成化、微型化的時 代。90 年代至今，氣動技術突破了傳統(tǒng)的死區(qū)，經歷著飛躍性的發(fā)展，人們克服了閥的 物理尺寸局限，真空技術日趨完美，高精度模塊化氣動機械手問世，智能氣動這一概念 產生，氣動伺服定位技術使氣缸高速下實現任意點自動定位，智能閥島十分理想地解決 了整個自動生產線的分散與集中控制問題。 氣動機械手作為機械手的一種，它具有結構簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、 節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應用。 氣動機械手強調模塊化的形式，現代傳輸技術的氣動機械手在控制方面采用了先進 的閥島技術（可重復編程等），氣動伺服系統(tǒng)（實現任意位置上的精確定位），在執(zhí)行 機構上全部采用模塊化的拼裝結構。 90 年代初，由布魯塞爾皇家軍事學院 Y?Bando 教授領導的綜合技術部開發(fā)研制的電 子氣動機器人——“ 阿基里斯 ”六腳勘探員，是氣動技術、 PLC 控制技術和傳感技術完美結 合產生的“六足動物 ”。6 個腳中的每一個腳都有 3 個自由度，一個直線氣缸把腳提起、放 下，一個擺動馬達控制腳伸展/退回運動，另一個擺動馬達則負責圍繞腳的軸心做旋轉之 用。 江南大學學士學位論文 4 由漢諾威大學材料科學研究院設計的氣動攀墻機器人，它集遙感技術和真空技術于 一體，成功地解決了垂直攀緣等視為危險工作的操作問題 [13]。 Tron-X 電子氣動機器人，能與人親切地握手，它的頭部、腰部、手能與人類一樣彎 曲運動，并且有良好的柔韌性。在幕后操縱人員的操作下（或通過自身的編程控制）能 與人進行對話，或作自我介紹等。Tron-X 電子氣動機器人集電子技術、氣動技術和人工 智能為一體，它告訴我們，氣動技術能夠實現機器人中最難解決的靈活的自由度，具有 在足夠工作空間的適應性、高精度和快速靈敏的反應能力 [10]。 由于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強 磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作”’。而氣動機械手作為機械手的一種，它具有結構簡單、重量 輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實現無級調速、易實現過載保護、 易實現復雜的動作等優(yōu)點。所以，氣動機械手被廣泛應用于汽車制造業(yè)、半導體及家電 行業(yè)、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事工業(yè)等。 現代汽車制造工廠的生產線，尤其是主要工藝的焊接生產線，大多采用了氣動機械 手。車身在每個工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定 位；點焊機焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊，都采用了各種特殊功能的 氣動機械手。高頻率的點焊、力控的準確性及完成整個工序過程的高度自動化，堪稱是 最有代表性的氣動機械手應用之一。 在彩電、冰箱等家用電器產品的裝配生產線上，在半導體芯片、印刷電路等各種電 子產品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪，還可以 看到許多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運送 到指定目標位置。 氣動機械手用于對食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動計量包裝；用于煙草工 業(yè)的自動卷煙和自動包裝等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動機械手；自動加蓋、安裝和 擰緊氣動機械手，牛奶盒裝箱氣動機械手等。 此外，氣動系統(tǒng)、氣動機械手被廣泛應用于制藥與醫(yī)療器械上。如：氣動自動調節(jié) 病床，Robodoc 機器人，da Vinci 外科手術機器人等。 重復高精度 精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度，它與驅動器的分辨率以及反饋裝 置有關。重復精度是指如果動作重復多次，機械手到達同樣位置的精確程度。重復精度 比精度更重要，如果一個機器人定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差 是可以預測的，因此可以通過編程予以校正。重復精度限定的是一個隨機誤差的范圍， 它通過一定次數地重復運行機器人來測定。隨著微電子技術和現代控制技術的發(fā)展，以 及氣動伺服技術走出實驗室和氣動伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動機械手的重復精度將越 來越高，它的應用領域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。 模塊化 有的公司把帶有系列導向驅動裝置的氣動機械手稱為簡單的傳輸技術，而把模塊化 拼裝的氣動機械手稱為現代傳輸技術。模塊化拼裝的氣動機械手比組合導向驅動裝置更 具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導向系統(tǒng)裝置，使機械手運動自如。 半導體芯片氣動搬運機械手設計 5 由于模塊化氣動機械手的驅動部件采用了特殊設計的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強 度及精確的導向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動機械手的一個重要特點。模塊化 氣動機械手使同一機械手可能由于應用不同的模塊而具有不同的功能，擴大了機械手的 應用范圍，是氣動機械手的一個重要的發(fā)展方向。 智能閥島的出現對提高模塊化氣動機械手和氣動機器人的性能起到了十分重要的支 持作用。因為智能閥島本來就是模塊化的設備，特別是緊湊型 CP 閥島，它對分散上的集 中控制起了十分重要的作用，特別對機械手中的移動模塊。 無給油化 為了適應食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求，不 加潤滑脂的不供油潤滑元件已經問世。隨著材料技術的進步，新型材料（如燒結金屬石 墨材料）的出現，構造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污 染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。 機電氣一體化 由“可編程序控制器 -傳感器 -氣動元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術的重 要方面；發(fā)展與電子技術相結合的自適應控制氣動元件，使氣動技術從“開關控制” 進入到 高精度的“反饋控制 ”；省配線的復合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡 單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而 PLC 的輸出功率在增大，由 PLC 直接控制線 圈變得越來越可能。氣動機械手、氣動控制越來越離不開 PLC，而閥島技術的發(fā)展，又 使 PLC 在氣動機械手、氣動控制中變得更加得心應手。 氣動技術經歷了一個漫長的發(fā)展過程，隨著氣動伺服技術走出實驗室，氣動技術及 氣動機械手迎來了嶄新的春天。目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟氣動技術、氣 動機械手三足鼎立的局面。我國對氣動技術和氣動機械手的研究與應用都比較晚，但隨 著投入力度和研發(fā)力度的加大，我國自主研制的許多氣動機械手已經在汽車等行業(yè)為國 家的發(fā)展進步發(fā)揮著重要作用。隨著微電子技術的迅速發(fā)展和機械加工工藝水平的提高 及現代控制理論的應用，為研究高性能的氣動機械手奠定了堅實的物質技術基礎。由于 氣動機械手有結構簡單、易實現無級調速、易實現過載保護、易實現復雜的動作等諸多 獨特的優(yōu)點，可以預見，在不久的將來，氣動機械手將越來越廣泛地進人工業(yè)、軍事、 航空、醫(yī)療、生活等領域。 1.3 本課題應達到的要求 本課題的任務是研制半導體芯片自動化生產線中用于搬運芯片的氣動機械手。該機 械手要實現芯片的抓取、釋放、搬運等動作，要求結構合理，動作準確迅速。本課題采 用日本三菱公司的 FX2N 系列 PLC，對機械手的上下、左右、回轉以及芯片吸取運動進 行自動化控制。我們利用可編程技術，結合相應的硬件裝置，控制機械手完成各種動作， 來配合和實現生產上的要求。 由于時間倉促和個人水平限制，我的設計存在著許多還沒來得及解決的問題，希望 廣大老師、同學能夠給予批評指正并予以解決。 江南大學學士學位論文 6 2 機械手基本結構與控制任務 2.1 機械手的主要部件及運動 根據任務要求，氣動機械手實現的是搬運芯片，可以看成無負載（零負載） ，因此設 計氣動系統(tǒng)的硬件結構時只需注意機械手本身的強度，以及當懸臂缸伸出到最大位置時， 支架底座能否承受該轉距而不傾倒。 如圖 2.1，待搬運芯片放置于工位 A 的傳送托盤上，氣動機械手的初始位置如圖，要 實現將芯片從工位 A 搬運至工位 B，對機械手的自由度提出一定的要求。根據任務要求， 機械手要實現 X 方向與 Y 方向的運動（ ）繞 Z 方向的旋轉（ ） ，同時在抓取過程YX?, Z ? 中要實現手臂的升降 和吸放光盤的過程。所以確定該機械手是一個 4 自由度的機械手。Z ? 圖 2.1 任務要求 假設要實現將芯片從工位 A 搬至工位 B，開始時機械手處于初始位置，即要實現動 作如下圖所示： 初始位 置 右移 懸臂伸 出 下降 吸片 上升 回轉（逆時針） 下降放片上升懸臂縮 回 左移 回轉（順時針） 圖 2.2 氣缸動作圖 半導體芯片氣動搬運機械手設計 7 2.2 機械手的結構及技術參數列表 2.2.1 氣動機械手的結構 4631234578910 1. 真空吸盤 2. 真空發(fā)生器 3. 升降缸與真空發(fā)生器的連接法蘭 4. 升降缸 5. 伸縮缸與旋轉氣缸的連接法蘭 6. 旋轉氣缸 7. 旋轉氣缸與鋁合金型材立柱的連接法蘭 8. 鋁合金型材立柱 9. 角鐵 10. 底座 2.2.1 氣動機械手的技術參數列表 一、用途：搬運半導體芯片 二、設計技術參數: 1. 自由度數:4個自由度 2. 座標型式:圓柱座標 3. 最大工作半徑:300mm 4. 手臂最大中心高:463mm 5. 手臂運動參數 伸縮行程：300mm 伸縮速度：53mm/s 升降行程：100mm 升降速度：80mm/s 回轉范圍: -180°~180° 圖 2.3 氣動機械手結構示意圖 江南大學學士學位論文 8 3 機械手氣動系統(tǒng)設計 要實現上述機械手控制動作，機械手的控制部分包括氣動與 PLC 控制部分。其動作 是靠氣動裝置來完成的。 3.1 氣壓傳動的組成及工作原理 氣壓傳動，是以壓縮空氣為工作介質進行能量傳遞和信號傳遞的一門技術。氣壓傳 動的工作原理是利用空壓機把電動機或其它原動機輸出的機械能轉換為空氣的壓力能， 然后在控制元件的作用下，通過執(zhí)行元件把壓力能轉換為直線運動或回轉運動形式的機 械能，從而完成各種動作，并對外做功 [11]。 氣壓傳動系統(tǒng)和液壓傳動系統(tǒng)類似，也是由四部分組成的，它們是： (1) 氣源裝置 獲得壓縮空氣的裝置。其主體部分是空氣壓縮機，它將原動機供給的機械能轉變?yōu)?氣體的壓力能； 氣源裝置的組成： A. 空氣壓縮機（氣源部分） 空氣壓縮機是氣動系統(tǒng)的動力源，它將電動機輸出的機械能轉換成氣壓能輸送給氣動 系統(tǒng)。本設計采用的是活塞式低壓空壓機。是一種容積式空氣壓縮機，是通過機件的運 動，使密封容積發(fā)生周期性大小的變化，從而完成對空氣的吸入和壓縮過程。 B. 氣源凈化處理裝置 (2) 控制元件 用來控制壓縮空氣的壓力、流量和流動方向的，以便使執(zhí)行機構完成預定的工作循 環(huán)。它包括各種壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥等； (3) 執(zhí)行元件 氣動執(zhí)行元件是以壓縮空氣為動力源，將氣體的壓力能再轉換為機械 能的裝置，用來實現既定的工況動作。包括氣缸、氣馬達、擺動馬達； (4) 輔助元件 是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤滑、元件間的連接及消聲等所必須的，它包括過 濾器、油霧氣、管接頭及消聲器等。 3.1.1 氣源裝置及輔件 氣壓傳動系統(tǒng)中的氣源裝置是為氣動系統(tǒng)提供滿足一定質量要求的壓縮空氣，它是 氣壓傳動系統(tǒng)的重要組成部分。由空氣壓縮機產生的壓縮空氣，必須經過降溫、凈化、 減壓、穩(wěn)壓等一系列處理后，才能供給控制元件和執(zhí)行元件使用。而用過的壓縮空氣排 向大氣時，會產生噪聲，應采取措施，降低噪聲，改善勞動條件和環(huán)境質量。 對壓縮空氣的要求 (1) 要求壓縮空氣具有一定的壓力和足夠的流量。 (2) 要求壓縮空氣有一定的清潔度和干燥度。清潔度是指氣源中含油量，含灰塵雜質 的質量及顆粒大小都要控制在很低范圍內。干燥度是指壓縮空氣中含水量的多少，氣動 裝置要求壓縮空氣的含水量越低越好。 混在壓縮空氣中的油蒸氣可能聚集在貯氣罐、管道、氣動系統(tǒng)的容器中，有引起爆炸 半導體芯片氣動搬運機械手設計 9 的危險或影響設備的壽命。 (3) 壓縮空氣中含有的飽和水分，在一定的條件下會凝結成水，并聚集在個別管道中。 在寒冷的冬季，凝結的水會使管道及附件結冰而損壞，影響氣動裝置的正常工作。 (4) 壓縮空氣中的灰塵等雜質，對氣動系統(tǒng)中作往復運動或轉動的氣動元件的運動副 會產生研磨作用，使這些元件因漏氣而降低效率，影響它的使用壽命。 因此氣源裝置必須設置一些除油、除水、除塵，并使壓縮空氣干燥，提高壓縮空氣 質量，進行氣源凈化處理的輔助設備。 氣動三聯件（圖 3- 1）一般指空氣過濾器、減壓閥、油霧器，有些 品牌的電磁閥和氣缸能夠實現無油潤滑（靠潤滑脂實現潤滑功能） ，便不 需要使用油霧器！空氣過濾器和減壓閥組合在一起可以稱為氣動二聯件。 還可以將空氣過濾器和減壓閥集裝在一起，便成為過濾減壓閥（功能與 空氣過濾器和減壓閥結合起來使用一樣） 。有些場合不能允許壓縮空氣中 存在油霧，則需要使用油霧分離器將壓縮空氣中的油霧過濾掉?？傊?， 這幾個元件可以根據需要進行選擇，并可以將他們組合起來使用。 氣動輔件 (1)消聲器 在氣壓傳動系統(tǒng)之中，氣缸、氣閥等元件工作時，排氣速度較高，氣體體積急劇膨 脹，會產生刺耳的噪聲。噪聲的強弱隨排氣的速度、排量和空氣 通道的形狀而變化。排氣的速度和功率越大，噪聲也越大，一般 可達 100~120dB，為了降低噪聲可以在排氣口裝消聲器（圖 3- 1- 2） 。 消聲器就是通過阻尼或增加排氣面積來降低排氣速度和功率， 從而降低噪聲的。氣動元件使用的消聲器一般由三種類型：吸收 型消聲器、膨脹干涉型消聲器和膨脹干涉吸收型消聲器。 (2)管道連接件 管道連接件包括管子和各種管接頭。有了管子和各種管接頭，才能把氣動控制元件、 氣動執(zhí)行元件以及輔助元件等連接成一個完整的氣動控制系統(tǒng)，因此，實際應用中，管 道連接件是不可缺少的。 管子可分為硬管和軟管兩種。如總氣管和支氣管等一些固定不動的、不需要經常裝 拆的地方，使用硬管。連接運動部件、臨時使用、希望裝拆方便的管路應使用軟管。硬 管有鐵管、銅管、黃銅管、紫銅管和硬塑料管等；軟管有塑料管、尼龍管、橡膠管、金 屬編織塑料管以及撓性金屬導管等等。常用的是紫銅管和尼龍管。 氣動系統(tǒng)中使用的管接頭的結構及工作原理與液壓管接頭 基本相似；分為卡套式、擴口螺紋式、卡箍式、插入快換式等。 3.1.2 氣動控制元件 在氣壓傳動系統(tǒng)中，氣動控制元件是控制和調節(jié)壓縮空氣的 壓力、流量和方向的各類控制閥，其作用是保證氣動執(zhí)行元件 圖 3- 1 三聯件 圖 3- 2-2 消聲器 圖 3- 3-2.2 方向控制閥 江南大學學士學位論文 10 （如氣缸、氣馬達等）按設計的程序正常地進行工作。 氣壓控制閥按作用可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。(圖 3- 4-2.2) 3.1.3 氣動執(zhí)行元件 氣動執(zhí)行元件包括氣缸和氣馬達。 (1)氣缸 氣缸是氣動系統(tǒng)的執(zhí)行元件之一。除幾種特殊氣缸外，普通 氣缸其種類及結構形式與液壓缸基本相同。目前最常選用的是標 準氣缸（圖 3-1-3） ，其結構和參數都已系列化、標準化、通用化。 QGA 系列為無緩沖普通氣缸；QGB 系列為有緩沖普通氣缸。 其它幾種較為典型的特殊氣缸有氣液阻尼缸、薄膜式氣缸和 沖擊式氣缸等。 a. 氣液阻尼缸 普通氣缸工作時，由于氣體的壓縮性，當外部載荷變化較大時，會產生“爬行” 或“自 走”現象，使氣缸的工作不穩(wěn)定。為了使氣缸運動平穩(wěn)，普遍采用氣-液阻尼缸。 氣液阻尼缸是由氣缸和油缸組合而成。利用油液的不可壓縮性和控制油液排量來獲 得活塞的平穩(wěn)運動和調節(jié)活塞的運動速度。它將油缸和氣缸串聯成一個整體，兩個活塞 固定在一根活塞桿上。 b. 薄膜式氣缸 薄膜式氣缸是一種利用壓縮空氣通過膜片推動活塞桿做往復直線運動的氣缸。它由 缸體、膜片、膜盤和活塞桿等主要零件組成。其功能類似于活塞式氣缸，它分單作用式 和雙作用式兩種。 薄膜式氣缸的膜片可以做成盤形膜片和平膜片兩種形式。膜片形式為夾織物橡膠、 鋼片或磷青銅片。常用的是夾織物橡膠，橡膠的厚度為 5~6mm，有時也可用 1~3mm。金 屬式膜片只用于行程較小的薄膜式氣缸中。 薄膜式氣缸和活塞式氣缸相比較，具有結構簡單、緊湊、制造容易、成本低、維修 方便、壽命長、泄漏小、效率高的優(yōu)點。但是膜片的變形量有限，故其行程短（一般不 超過 40~50mm） ，且氣缸活塞桿上的輸出力隨著行程的加大而減小。 c. 沖擊氣缸 沖擊氣缸是一種體積小、結構簡單、易于制造、耗氣功率小但能產生相當大的沖擊 力的一種特殊氣缸。與普通氣缸相比，沖擊氣缸的結構特點是增加了一個具有一定容積 的蓄能腔和噴嘴。 (2)氣馬達 氣馬達也是氣動執(zhí)行元件的一種。它的作用相當于電 動機或液壓馬達。即輸出力矩，拖動機構作旋轉運動。 氣馬達按結構形式可分為：葉片式氣馬達、活塞式氣馬達 和齒輪式氣馬達等。最為常見的是活塞式氣馬達（圖 3-1- 4） 和葉片式氣馬達。葉片式氣馬達制造簡單、結構緊湊， 圖 3-1-3 標準氣缸 圖 3-1-4 活塞式氣馬達 半導體芯片氣動搬運機械手設計 11 但低速運動轉矩小、低速性能不好，適由于中低功率的機械，目前在礦山及風動工具中 應用普遍?；钊綒怦R達在低速情況下有較大的輸出功率，它的低速性能好，適宜于載 荷較大和要求低速轉矩的機械，如起重機、鉸車、鉸盤、拉管機等。 本設計采用雙作用氣缸和單作用氣缸。單作用氣缸，壓縮空氣僅作用在氣缸活塞的 一側，另一側則與大氣相通。氣缸只在一個方向上做功，氣缸活塞在復位彈簧或外力作 用下復位。在無負載情況下，彈簧力使氣缸活塞以較快速度回到初始位置。復位力大小 由彈簧自由長度決定， 雙作用氣缸在壓縮空氣作用下，雙作用氣缸活塞桿既可以伸出，也可以回縮。通過 緩沖調節(jié)裝置，可以調節(jié)其終端緩沖。氣缸活塞上永久磁環(huán)可用于驅動行程開關動作。 (2)氣動人工肌肉 氣動人工肌肉由外部提供的壓縮空氣驅動，作推拉動作， 其過程就像人體的肌肉運動。它可以提供很大的力量，而重量卻 比較小，最小的氣動人工肌肉重量只有 10g。氣動人工肌肉會在 達到推拉極限時自動制動，不會突破預定的范圍。多個氣動人工 肌肉可以按任意方向、位置組合，不需要整齊的排列。如圖 3-1-5 3.2 氣壓傳動的優(yōu)缺點 優(yōu)點 (1) 工作介質是空氣，取之不盡、用之不竭。氣體不易堵塞流動通道，用過后可將其 隨時排入大氣中，不污染環(huán)境。 (2) 空氣的特性受溫度影響小。在高溫下能可靠地工作，不會發(fā)生燃燒或爆炸。且溫 度變化時，對空氣的粘度影響極小，故不會影響傳動性能。 (3) 空氣的粘度很小（約為液壓油的萬分之一） ，所以流動阻力小，在管道中流動的 壓力損失較小，所以便于集中供應和遠距離輸送。 (4) 相對液壓傳動而言，氣動動作迅速、反應快，一般只需 0.02～0.3 秒就可達到工 作壓力和速度。液壓油在管路中流動速度一般為 1~5m/s，而氣體的流速最小也大于 10m/s，有時甚至達到音速，排氣時還達到超音速。 (5) 氣體壓力具有較強的自保持能力，即使壓縮機停機，關閉氣閥，但裝置中仍然可 以維持一個穩(wěn)定的壓力。液壓系統(tǒng)要保持壓力，一般需要能源泵繼續(xù)工作或另加蓄能器， 而氣體通過自身的膨脹性來維持承載缸的壓力不變。 (6) 氣動元件可靠性高、壽命長。電氣元件可運行百萬次，而氣動元件可運行 2000~4000 萬次。 (7) 工作環(huán)境適應性好，特別在易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射、振動等惡劣環(huán)境 中，比液壓、電子、電氣傳動和控制優(yōu)越。 (8) 氣動裝置結構簡單、成本低、維護方便、過載能自動保護。 缺點 (1) 因空氣的可壓縮性較大，氣動裝置的動作穩(wěn)定性較差。 (2)氣動裝置工作壓力低，輸出力或力矩受到限制。在結構尺寸相同的情況下，氣壓 圖 3-1-5 氣動人工肌肉 江南大學學士學位論文 12 傳動裝置比液壓傳動裝置輸出的力要小得多。 (3) 氣動裝置中的信號傳動速度比光、電控制速度慢，所以不宜于信號傳遞速度要求 十分高的復雜線路中。同時實現生產過程的遙控也比較困難，但對一般的機械設備，氣 動信號的傳遞速度是能滿足工作要求的。 (4) 噪聲較大，尤其是在超音速排氣時要加消聲器。 3.3 氣動機械手的氣缸的選用 根據上述氣動機械手的任務要求我主要選擇了由 5 個氣缸加上相應的限位開關來實 現它的動作要求，這 5 個缸及其作用分別是： 1 滑臺氣缸 方向移動（左右）X 2 旋轉氣缸 方向旋轉運動（順逆）Z? 3 懸臂氣缸 方向移動（前后）Y 4 升降氣缸 方向移動（上下）z? 5 模塊化真空發(fā)生器（真空吸盤） 吸放芯片 根據機械手的動作要求和PLC所具有的控制特點, 整個氣動系統(tǒng)就是要對4個氣缸和 一個真空發(fā)生器的動作進行順序控制, 這里采用了 4個兩位五通電磁氣閥組成的閥島的主 控閥和一個模塊化真空發(fā)生器。另外, 為便于控制各動作的速度, 各氣路安裝了可調單向 節(jié)流閥進行調速。機械手的氣動原理如 圖3.2 所示。 圖 3.2 氣動原理圖 半導體芯片氣動搬運機械手設計 13 3.3.1 滑臺氣缸的選用 根據任務要求，滑臺氣缸使機械手完成 方向移動，行程為 100mm，由于此滑臺氣X 缸作為機械手底座，所以還需要承受一定的重量。故選用 FESTO 雙活塞滑臺驅動單元 SPZ（如圖 3.3.1） 。該型號雙活塞滑臺驅動單元有以下優(yōu)點： a. 扭轉剛度極大，可承受較大作用力 b. 活塞桿間距較大，承載能力強 c. 內含滑動軸承或循環(huán)滾珠，軸承導向裝置 3.3.2 旋轉氣缸的選用 根據任務要求，旋轉氣缸完成 方向旋轉運動Z? （順逆） ，由于此機械手只有兩個工位，且相互成 180°， 沒有分度要求，故選用 FESTO 生產的 DRQD 系列雙 活塞擺動氣缸 DRQD-B-20。如圖 3.3.2 選型計算過程如下： 經計算該旋轉氣缸需要承受懸臂氣缸，升降氣缸，真空發(fā)生器吸盤以及芯片的所有重 量之和，總計約 1000g。安全系數為 2。故得靜態(tài)垂直于法蘭盤的軸向壓力 Fx,push=20N。 假設安裝懸臂時懸臂氣缸重心不與法蘭盤中心軸線重合，作用點距離法蘭盤中心軸線 V=100mm。又查表得 DNC-32-300 氣缸的缸蓋最大尺寸為 45mm，得活塞桿軸線中心高為 22.5mm，即徑向力作用距離 Z=22.5mm。初選型號為 DRQD-B-20 把 Fx,push=20N，V=100mm 帶入圖表 3.3.2a/b 查詢得 Fx,push,max 靜=200N 遠大于 Fx,push=20N Fx,push,max 動=40N ； 大于 Fx,push=20N 所以，DRQD-B-20 軸向推力滿足設計需要。 圖 3.3.1 滑臺氣缸 圖 3.3.2 旋轉氣缸 江南大學學士學位論文 14 把 Z=22.5mm 帶入圖表 3.3.2c/d 查詢曲線 DRQD-B-20，得： Fy,max 靜=650N 遠大于 Fy,push=20N Fy,max 動=110N； 遠大于 Fx,push=20N 所以，DRQD-B-20 徑向力滿足設計需要。 3.3.3 懸臂氣缸的選用 根據任務要求，懸臂氣缸使機械手完成 方向移動，行程為 300mm，由于此懸臂氣缸Y 作為機械手懸臂，所以還需要考慮懸臂端承受的重量（按 1000g 計算）