周 道

(費(fèi)斯托(中國)有限公司,上海 201206)

0 引 言

半導(dǎo)體車間需要頻繁地將晶圓片盒從一個工位搬運(yùn)到另一個工位，為了減少污染源并提高工作效率，一般采用天車系統(tǒng)進(jìn)行自動化搬運(yùn)。天車從工位的正上方將片盒抓取并提升到天車內(nèi)部，行駛到指定工位時再將片盒放下，從而完成一次搬運(yùn)動作[4-5]。在搬運(yùn)過程中，為了防止片盒的從空中掉落(由于升降皮帶斷裂等原因)，必須在天車的下部配備防掉落機(jī)構(gòu)以確保安全，同時為了防止片盒在天車內(nèi)部水平晃動，還需要增加一組夾緊機(jī)構(gòu)。

由于潔凈室對天車的體積和重量的要求非常嚴(yán)格，必須最大化地減小內(nèi)部機(jī)構(gòu)所占空間以及重量。目前，一般采用防掉落和夾緊機(jī)構(gòu)分別動作的原理，這樣就需要兩組驅(qū)動及傳動系統(tǒng)(左右對稱，共計(jì)需要四個電機(jī))。筆者巧妙地將防掉落機(jī)構(gòu)和夾緊機(jī)構(gòu)集成在一起，減少了一組電機(jī)，卻能實(shí)現(xiàn)同樣的功能。不僅節(jié)約了成本，而且有效地減少了整個天車的空間與重量。

1 防掉落及夾緊機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖1所示，整個機(jī)構(gòu)沿中心面鏡像設(shè)計(jì)與安裝。在圖2中，安裝板1固定在天車的前后側(cè)板上，曲柄軸2和曲柄軸3固定在安裝板1上。曲柄4、曲柄5和曲柄6分別安裝在曲柄軸2和曲柄軸3上。連桿7和連桿8分別將曲軸4和曲軸6的兩端連接起來。連桿9將連桿7的中部與曲柄5的端部連接起來。夾緊輪11安裝在桿10上，桿10的末端與曲柄5之間有彈簧拉緊。電機(jī)12通過聯(lián)軸器13與絲杠14相連，絲母15在導(dǎo)軌滑塊16的導(dǎo)向作用下左右運(yùn)動。固定在絲母15下方的導(dǎo)向柱，可在連桿7中部的導(dǎo)槽中(導(dǎo)槽方向與絲母運(yùn)動方向垂直)前后滑動，同時推動連桿7左右平移。

圖1 機(jī)構(gòu)整體外觀圖

圖2 機(jī)構(gòu)組成元件1.安裝板 2、3.曲柄軸 4、5、6.曲柄 7、8、9.連桿 10.桿 11.夾緊輪 12.電機(jī) 13.聯(lián)軸器 14.絲桿 15.絲母 16.滑塊

機(jī)構(gòu)中所有的關(guān)節(jié)處均安裝軸承，保證動作順滑，同時減少顆粒污染物的產(chǎn)生。所有軸類零件采用304不銹鋼制作，所有連接桿類零件采用6061鋁合金制作，夾緊輪表面材質(zhì)為聚氨酯，這樣在保證機(jī)構(gòu)剛性和減小機(jī)構(gòu)自重中找到一個平衡點(diǎn)。電機(jī)采用緊湊型直流電機(jī)，絲杠和導(dǎo)軌均選用小型規(guī)格。為了保證系統(tǒng)的可靠性，在絲母左右移動示教位置的兩端，安裝U型光電傳感器，防止運(yùn)動超過極限而損壞自身結(jié)構(gòu)。

1.2 工作原理

以圖2所示的這一側(cè)機(jī)構(gòu)為例，絲母處在左側(cè)位置時，整個機(jī)構(gòu)為關(guān)閉狀態(tài)，用于防掉落的連桿和夾緊用的夾緊輪均收縮在安裝板的正下方，此時片盒可以自由地進(jìn)出天車。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動絲母向右移動時，絲母下方的導(dǎo)向通過導(dǎo)槽推動連桿也向右移動，同時防掉落連桿和夾緊輪開始向左打開，并不斷地向前延伸，絲母到達(dá)右限位時，連桿和夾緊輪正好張開到最大位置，連桿處于片盒的正下方(有一定的間隙)、夾緊輪夾緊片盒的兩側(cè)，完成打開夾緊動作。收回的動作和打開夾緊的動作正好相反。

從機(jī)械原理角度分析，可以將該機(jī)構(gòu)看作兩套曲柄連桿的集成，簡化的原理圖如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)原理圖

其中曲柄4、曲柄6、連桿7和連桿8組成一個系統(tǒng)；此外，曲柄4、曲柄5、連桿7和連桿9組成另一個系統(tǒng)，兩個曲柄連桿系統(tǒng)共用了部分桿件，通過機(jī)械原理自由度的分析，兩個系統(tǒng)的運(yùn)動都是確定的，不存在過約束和欠約束情況。V0表示連桿7的瞬時平移速度，V1表示C點(diǎn)繞A點(diǎn)的瞬時旋轉(zhuǎn)速度，V2表示G點(diǎn)繞A點(diǎn)的瞬時旋轉(zhuǎn)速度。

2 運(yùn)動仿真分析與夾緊輪創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)動仿真分析

已知片盒底部寬度為383 mm，夾緊位置寬度為362 mm；兩側(cè)固定板間距為518 mm。通過多次調(diào)整和運(yùn)動仿真，得出各根桿件的理想長度，如圖3所示：

AB=CD=EF=200 mm，AC=BD=110 mm，AE=BF=50 mm，EH=40 mm，AG=100 mm，GH=100 mm，GK=40 mm，GJ=50 mm。另外，CAE、DBF分別為一整根桿件，折角為135°，A點(diǎn)和B點(diǎn)為固定點(diǎn)。

2.1.1打開夾緊位置分析

當(dāng)絲母移動到左端時，機(jī)構(gòu)處于打開夾緊狀態(tài)，如圖4(a)所示。此時，兩側(cè)防掉落連桿的最小距離L=518-(84+30÷2)×2=320 mm<片盒底部寬度383 mm，每側(cè)有31.5 mm的交集，符合防掉落功能的要求；另外，兩側(cè)夾緊輪的最小距離L1=518-(65.5+45÷2)×2=342 mm，這是沒有片盒時的理論值，小于片盒夾緊位置的寬度，且夾緊輪的ΔL=(362-342)÷2=10 mm，也符合夾緊功能的需求。

2.1.2收回位置分析

當(dāng)絲母移動到右端時，機(jī)構(gòu)處于收回狀態(tài)，如圖4(a)、(b)所示，此時兩側(cè)加緊機(jī)構(gòu)的最小距離L2=518-8×2=502 mm>片盒最大寬度417，對片盒進(jìn)出天車不構(gòu)成干涉。

圖4 打開和收回狀態(tài)下的運(yùn)動位置仿真

2.2 夾緊輪創(chuàng)新設(shè)計(jì)

在夾緊輪的設(shè)計(jì)上，一般是直接將夾緊輪剛性固定在連桿上，這樣做的缺點(diǎn)是容易將片盒兩側(cè)夾壞，或者由于過載從而縮短直流電機(jī)的壽命，對電氣調(diào)試的要求極其高。對該設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化：將夾緊輪11固定在桿10上，然后再將桿10固定在連桿8上，這樣夾緊輪11和桿10就是浮動的，為了在夾緊動作時產(chǎn)生夾緊力，在桿10的末端和曲柄5之間安裝一個拉伸彈簧。當(dāng)夾緊輪未接觸到片盒時，在彈簧的拉力作用下桿10和曲柄5貼合在一起；當(dāng)夾緊輪接觸到片盒時，彈簧開始拉伸，從而對片盒產(chǎn)生了一個夾緊力。夾緊力的大小可以在設(shè)計(jì)時通過計(jì)算得出，在本文的設(shè)計(jì)中：

夾緊輪的ΔL=10 mm，彈簧常數(shù)K=2.06 N/mm，根據(jù)杠桿原理，則彈簧的ΔL=10×1.25=12.5 (mm)，彈簧的拉伸力F=12.5×2.06=25.75 (N)。

得出：夾緊力F1=25.75×1.25=32.2 N

另外，在實(shí)際使用中，如果想調(diào)整夾緊力，只需更換不同彈簧常數(shù)的彈簧就可以實(shí)現(xiàn)，而不需要改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和控制程序，非常便捷。

3 結(jié) 語

為了減少天車系統(tǒng)中防掉落及夾緊機(jī)構(gòu)的所占空間和重量，通過優(yōu)化原有機(jī)械結(jié)構(gòu)，將兩組獨(dú)立的曲柄連桿機(jī)構(gòu)集成在一起，在不改變原有功能的基礎(chǔ)上，減少了一組電機(jī)和相關(guān)傳動機(jī)構(gòu)，并對該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理和夾緊輪的創(chuàng)新設(shè)計(jì)做了介紹，最后進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)分析。圖5為機(jī)構(gòu)裝配時的情形，圖6為天車實(shí)物的整體外觀(下方左右箭頭處為防掉落及夾緊機(jī)構(gòu))，防掉落及夾緊機(jī)構(gòu)位于天車底部。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)巧妙、運(yùn)行可靠，不僅適用于潔凈室天車系統(tǒng)中，也可在其他工業(yè)領(lǐng)域中的抓取設(shè)備上推廣應(yīng)用。

圖5 防掉落夾緊機(jī)構(gòu)實(shí)物裝配 圖6 天車整體外觀