一種直驅(qū)式可翻轉(zhuǎn)晶圓傳輸機器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]該發(fā)明涉及晶圓自動化搬運設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種晶圓傳輸潔凈機器人。
【背景技術(shù)】
[0002]在超大規(guī)模集成電路(IC)制造過程中，晶圓需要在數(shù)百道工藝之間頻繁傳輸，晶圓生產(chǎn)線工序集中，加工速度快，工作環(huán)境潔凈度要求高，需要高性能的晶圓傳輸機器人?，F(xiàn)有的R-θ型晶圓傳輸機器人，多使用伺服電機(步進(jìn)電機)驅(qū)動配以減速器減速再帶動傳動軸轉(zhuǎn)動，傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝困難，且多數(shù)減速機構(gòu)(帶傳動、齒輪傳動等)會使傳動軸偏置，更易造成偏載和冗余徑向力的產(chǎn)生，導(dǎo)致電機扭矩?fù)p失和精度降低。采用直驅(qū)電機驅(qū)動，可以減少減速機構(gòu)的使用，直驅(qū)電機直接連接負(fù)載，無偏載產(chǎn)生，傳動精度高，無扭矩?fù)p失。直驅(qū)電機中空的結(jié)構(gòu)特點，方便晶圓機器人控制線路和氣路的內(nèi)部走線，還可實現(xiàn)不同傳動軸間的同軸布置，減少零件數(shù)，減少轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量，便于裝配。
[0003]現(xiàn)有R-θ型晶圓傳輸機器人，其徑向(R向)直線運動通過大臂、小臂和手腕的定比例運動實現(xiàn)(原理可見[徑向直線運動型硅片傳輸機器人的設(shè)計與研宄.叢明，張士軍.制造業(yè)自動化.第27卷第2期2005-02])?，F(xiàn)有技術(shù)多使用同步帶，利用行星輪系傳動原理，使用一個電機驅(qū)動大臂、小臂和手腕關(guān)節(jié)。但同步帶具有棱角誤差、彈性變形和疲勞磨損的缺點，傳動系統(tǒng)剛度低，在速度和加速度突變或者變化很大時容易引起振動，易產(chǎn)生微粒污染源。使用鋼帶傳動，無彈性變形，傳動精度高，系統(tǒng)剛度大。鋼帶傳動無需張緊裝置，無疲勞磨損，可以提高機器人可靠性，增加機器人使用壽命。還可以避免微粒污染的產(chǎn)生，提高機器人的潔凈度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對以上問題，該發(fā)明的主要目的是提供晶圓傳輸機器人。采用直驅(qū)電機驅(qū)動，解決現(xiàn)有技術(shù)驅(qū)動方式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝困難，傳動軸不同軸，傳動偏載等的問題。采用鋼帶傳動解決同步帶傳動中的棱角誤差、彈性變形和疲勞磨損的缺點，提高傳動精度和使用壽命，提供機器人潔凈度。
[0005]該發(fā)明的另一目的是提供直驅(qū)式末端可翻轉(zhuǎn)晶圓傳輸機器人。在晶圓傳輸過程中，多種工況下需要晶圓的翻轉(zhuǎn)操作，直驅(qū)式末端可翻轉(zhuǎn)機器人可以滿足此種需求。
[0006]本發(fā)明提供直驅(qū)式末端可翻轉(zhuǎn)晶圓傳輸機器人，采用如下技術(shù)方案:一種直驅(qū)式可翻轉(zhuǎn)晶圓傳輸機器人，該機器人包括基座1、升降和回轉(zhuǎn)機構(gòu)2、真空吸附末端3、翻轉(zhuǎn)手腕4、小臂5和大臂6 ;所述基座I內(nèi)部安裝升降和回轉(zhuǎn)機構(gòu)2，升降和回轉(zhuǎn)機構(gòu)2與大臂6一端(近端)連接，大臂6另一端(遠(yuǎn)端)與小臂5 —端(近端)連接，小臂5另一端(遠(yuǎn)端)與翻轉(zhuǎn)手腕4的一端連接，翻轉(zhuǎn)手腕4的另一端與真空吸附末端3連接。
[0007]所述晶圓傳輸機器人動作時，基座I固定，升降和回轉(zhuǎn)機構(gòu)2可繞基座I中心回轉(zhuǎn)，還可沿基座垂直方向(Z向)做升降運動；大臂6近端可繞回轉(zhuǎn)機構(gòu)2中心回轉(zhuǎn)(Θ向運動)，小臂5近端繞大臂6遠(yuǎn)端中心回轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)手腕4繞小臂5遠(yuǎn)端回轉(zhuǎn)，大臂6、小臂5和翻轉(zhuǎn)手腕4的定比例回轉(zhuǎn)實現(xiàn)機器人手臂的徑向直線運動(R向運動)；翻轉(zhuǎn)手腕4內(nèi)置翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，真空吸附末端3繞手腕殼體水平軸線翻轉(zhuǎn)；真空吸附末端3吸附晶圓片，帶動晶圓片運動。
[0008]上述晶圓傳輸機器人的升降機構(gòu)，參考附圖2所示，該升降機構(gòu)包括伺服電機101、減速器102、聯(lián)軸器103、基座型材104、螺母108、絲杠109、導(dǎo)軌105、滑塊107和升降連接板106。伺服電機101、減速器102、絲杠109和螺母108同軸布置于基座I側(cè)壁上并組成絲杠螺母副傳動機構(gòu)；基座型材104為基座側(cè)面支撐，導(dǎo)軌105固定在基座型材104上；螺母108連接升降連接板106。
[0009]伺服電機101與減速器102連接，減速器102的輸出軸通過聯(lián)軸器103與絲杠109連接；絲杠109固定在基座I的側(cè)壁中間，兩導(dǎo)軌105固定在基座I的側(cè)壁兩側(cè)；所述各導(dǎo)軌105上分別安裝有兩個滑塊107，兩個滑塊107分別與升降連接板106連接，以實現(xiàn)導(dǎo)向作用。
[0010]所述伺服電機101經(jīng)減速器102減速，驅(qū)動絲杠螺母副的螺母108的升降運動，進(jìn)而帶動升降連接板106上下運動；
[0011]上述晶圓傳輸機器人的中心回轉(zhuǎn)(θ向運動)機構(gòu)，包括Θ向直驅(qū)電機204、Θ向轉(zhuǎn)軸203、交叉滾子軸承b215、推力軸承213。Θ向直驅(qū)電機204的底座固定在升降連接板106上，Θ向轉(zhuǎn)軸203連接在Θ向直驅(qū)電機204的輸出軸端并與Θ向轉(zhuǎn)軸連接板a205連接；Θ向轉(zhuǎn)軸連接板b206通過螺釘連接安裝固定在Θ向轉(zhuǎn)軸連接板a205上。
[0012]交叉滾子軸承b215的外圈固定安裝在連接板固定套筒201內(nèi)壁上，以承受Θ向轉(zhuǎn)軸203的徑向力和傾覆力；推力軸承213通過Θ向轉(zhuǎn)軸套筒214、連接板固定上套筒202安裝在Θ向轉(zhuǎn)軸203的外壁上。推力軸承213用以承受機器人臂體的軸向力。Θ向轉(zhuǎn)軸203與基座上蓋110配合，同時在基座上蓋110內(nèi)孔處安裝有U型大彈性橡膠圈217和O型耐磨高強度密封環(huán)216。
[0013]Θ向直驅(qū)電機204輸出軸直接驅(qū)動Θ向轉(zhuǎn)軸203轉(zhuǎn)動，帶動交叉滾子軸承b215內(nèi)圈、Θ向轉(zhuǎn)軸套筒214和推力軸承213下圈共同轉(zhuǎn)動。U型大彈性橡膠圈217浮動承受Θ向轉(zhuǎn)軸203的徑向偏載。
[0014]R向直驅(qū)電機207、R向轉(zhuǎn)軸208、大臂6、小臂5、翻轉(zhuǎn)手腕4組成晶圓傳輸機器人的徑向直線運動機構(gòu)；R向直驅(qū)電機207同軸安裝在Θ向轉(zhuǎn)軸203內(nèi)部，R向直驅(qū)電機207的底部安裝在Θ向轉(zhuǎn)軸連接板b206上；R向直驅(qū)電機207的輸出軸直接連接R向轉(zhuǎn)軸208，R向轉(zhuǎn)軸208和Θ向轉(zhuǎn)軸203之間在Θ向轉(zhuǎn)軸203上端通過交叉滾子軸承a212支撐，大臂6 —端連接在Θ向轉(zhuǎn)軸203上，另一端連接小臂5近端(靠近大臂6 —端為近端)，小臂5遠(yuǎn)纟而連接翻轉(zhuǎn)手腕4。
[0015]R向直驅(qū)電機207及R向轉(zhuǎn)軸208隨Θ向轉(zhuǎn)軸203同步回轉(zhuǎn)，同時R向直驅(qū)電機207輸出軸可獨立驅(qū)動R向轉(zhuǎn)軸208相對于Θ向轉(zhuǎn)軸203轉(zhuǎn)動，R向轉(zhuǎn)軸208的回轉(zhuǎn)驅(qū)動大臂6繞Θ向轉(zhuǎn)軸203中心回轉(zhuǎn)，同時小臂5近端繞大臂6遠(yuǎn)端(大臂6遠(yuǎn)離Θ向轉(zhuǎn)軸203的一端)回轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)手腕4繞小臂5遠(yuǎn)端回轉(zhuǎn)，通過大臂6、小臂5和翻轉(zhuǎn)手腕4三連桿定比角速度運動，實現(xiàn)機器人的R向直線伸縮運動。
[0016]上述晶圓傳輸機器人的徑向直線運動(R向運動)機構(gòu)中，大臂6包括大臂殼體601、大臂固定帶輪210、小臂驅(qū)動輪606、大臂上下半鋼帶610、小臂驅(qū)動輪軸604、交叉滾子軸承d612、交叉滾子軸承e613、深溝球軸承605。
[0017]大臂殼體601通過大臂殼體上蓋607、大臂殼體下蓋602上下密封。
[0018]R向轉(zhuǎn)軸208上端連接大臂殼體601的近端上殼體，大臂固定帶輪210固定在Θ向轉(zhuǎn)軸203上端，大臂固定帶輪210和R向轉(zhuǎn)軸208之間通過交叉滾子軸承d612支撐；大臂殼體下蓋602和大臂固定帶輪210之間通過交叉滾子軸承e613支撐。
[0019]大臂上下半鋼帶610固定安裝在大臂行星輪系的大臂固定帶輪210和小臂驅(qū)動輪606之間，大臂殼體601遠(yuǎn)端下殼體固定連接小臂驅(qū)動輪軸604，小臂驅(qū)動輪軸604和小臂驅(qū)動輪606之間通過一對深溝球軸承605支撐；小臂殼體501、大臂殼體上蓋607之間通過交叉滾子軸承c608支撐；小臂驅(qū)動輪606上端連接小臂殼體501近端。
[0020]大臂殼體601 (相當(dāng)于行星架)、大臂固定帶輪210 (太陽輪)、小臂驅(qū)動輪606 (行星輪)、大臂上下半鋼帶610共同組成行星周轉(zhuǎn)輪系。大臂殼體601繞Θ向轉(zhuǎn)軸203回轉(zhuǎn)，帶動小臂驅(qū)動輪606繞大臂固定帶輪210公轉(zhuǎn)，大臂上下半鋼帶610繞帶輪纏繞，而大臂固定帶輪210不隨大臂殼體601回轉(zhuǎn)，使小臂驅(qū)動輪606繞小臂驅(qū)動輪軸604自轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動小臂殼體501近端繞大臂殼體601遠(yuǎn)端回轉(zhuǎn)。
[0021]上述晶圓傳輸機器人的徑向直線運動(R向運動)機構(gòu)中，小臂5包括小臂殼體501、小臂定輪512、小臂上下半鋼帶510、手腕驅(qū)動輪504、手腕驅(qū)動輪軸502 ;在小臂殼體501內(nèi)部，固定于大臂殼體601遠(yuǎn)端的小臂驅(qū)動輪軸604上端連接有小臂定輪512 ;手腕驅(qū)動輪軸502固定在小臂殼體501遠(yuǎn)端下殼體上，手腕驅(qū)動輪504通過上下一對深溝球軸承a503支撐在手腕驅(qū)動輪軸502下端，在手腕轉(zhuǎn)軸505和小臂上蓋507之間通過交叉滾子軸承b506支撐；而小臂上下半鋼帶510連接在小臂定輪512和手腕驅(qū)動輪504之間；手腕驅(qū)動輪504上端連接手腕轉(zhuǎn)軸505，手腕轉(zhuǎn)軸505連接翻轉(zhuǎn)手腕4。
[0022]小臂殼體501通過小臂上蓋507密封。
[0023]小臂殼體501近端繞大臂殼體601遠(yuǎn)端回轉(zhuǎn)時，小臂定輪512相對于大臂殼體601靜止，小臂上下半鋼帶510繞小臂定輪512和手腕驅(qū)動輪504纏繞，組成小臂行星輪系。手腕驅(qū)動輪504繞手腕驅(qū)動輪軸502回轉(zhuǎn)，手腕轉(zhuǎn)軸505隨之繞小臂殼體501遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)動。
[0024]參考附圖5所示，手腕轉(zhuǎn)軸505繞小臂殼體501遠(yuǎn)端回轉(zhuǎn)，手腕轉(zhuǎn)軸505上端固定連接翻轉(zhuǎn)手腕4，翻轉(zhuǎn)手腕4內(nèi)部設(shè)計翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，驅(qū)動真空吸附末端3翻轉(zhuǎn)。
[0025]該晶圓傳輸機器人R向直線運動時，參考附圖6所示為小臂5、大臂6相對回轉(zhuǎn)動作示意(對比附圖1中大小臂狀態(tài))，同時真空吸附末端3實現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)動作。
[0026]采用上述技術(shù)方案，實現(xiàn)晶圓傳輸機器人的垂直升降運動、中心回轉(zhuǎn)運動、徑向直線