晶圆搬运机器人的开发及控制系统设计

论文摘要

本课题以基于SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm)机械臂模型的直驱晶圆搬运机器人为研究核心,开发出用于半导体制造行业特定生产工序的晶圆搬运机器人。控制系统是晶圆搬运机器人的神经中枢,根据其工作和运动的特点,采用了以基于PC的固高公司多轴运动控制卡GT400为核心的控制方案。根据晶圆搬运机器人的点位控制特点确定了伺服系统的速度控制模式。在实际生产中机器人必须具备安全、稳定和高精度运行这三个指标,为了实现这三个指标,本文在多方面进行了研究:(1)对机械臂的机械结构进行探讨,分析各种机械结构的可行性并选定SCARA模型,为了提高性能采用直驱技术;(2)为了描述机械臂的姿态及末端插盘的空间位置,分别用运动学方程和动力学方程建立数学模型;(3)分析了冗余机构在完成特定任务(末端特定轨迹,避障等)时各个关节之间的关系,并优化各个关节实时的位置,速度,加速度;(4)运行晶圆搬运机器人,针对末端定位精度的问题设计反向间隙补偿算法,实验验证。本文中研发的晶圆搬运机器人在实验中证明了其快速、高精度的工作性能,可以很好的满足生产需要。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 晶圆搬运机器人综述
• 1.2.1 晶圆搬运机器人的发展与分析
• 1.2.2 现有晶圆搬运机器人技术分析
• 1.2.3 新型直驱晶圆搬运机器人
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 机器人的运动学与动力学分析
• 2.1 机器人机械结构设计
• 2.1.1 机器人总体机械结构设计方案
• 2.1.2 机器人水平运动及垂直运动机械结构设计
• 2.2 晶圆搬运机器人的运动学方程
• 2.2.1 前向运动学
• 2.2.2 逆向运动学
• 2.2.3 工作空间
• 2.2.4 雅克比矩阵
• 2.3 晶圆搬运机器人的动力学方程
• 2.4 本章小结
• 第3章 机器人控制系统设计
• 3.1 控制系统的结构
• 3.1.1 机器人控制系统的设计原则
• 3.1.2 机器人控制系统的设计要求
• 3.1.3 机器人控制系统的选择
• 3.2 控制系统的硬件设施及电机型号
• 3.3 电机性能调试
• 3.4 晶圆搬运机器人各轴性能测试
• 3.5 本章小结
• 第4章 冗余度机器人轨迹的优化及控制
• 4.1 引言
• 4.2 冗余度机器人的轨迹优化
• 4.2.1 冗余度机器人的运动学逆解
• 4.2.2 基于任务优先级的晶圆搬运机器人仿真
• 4.2.3 避障分析以及仿真
• 4.3 动力学控制算法
• 4.3.1 PD 控制
• 4.3.2 计算力矩控制
• 4.3.3 PD 控制与计算力矩控制的仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 间隙补偿算法与实验结果
• 5.1 间隙补偿
• 5.2 间隙补偿的实验
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢