真空机器人的磁性联轴器及轴系理论建模与实验研究

论文摘要

真空机器人是半导体前道集束型设备中各反应工艺腔室之间传输晶圆的核心部件,归属于禁运产品,已成为制约我国半导体整机装备制造的“卡脖子”问题。大气环境与真空环境之间的密封隔离与动力传递正是制约真空机器人性能提高的技术瓶颈。因此,真空机器人关键技术的突破及原型系统的创新设计,对实现具有自主知识产权的半导体整机设备核心部件具有重要的理论意义和实际应用价值。本论文以内外轴式磁性联轴器的建模与分析优化为主要目标,结合磁力传动技术和直接驱动技术,设计两自由度同轴布局的真空机器人动力传递轴系原型系统。本文首先分别建立了内外轴式磁性联轴器的理论模型和三维有限元模型。改进了等效磁荷法和片电流法求解磁性联轴器传递扭矩的数学模型,引入漏磁损失系数,分别得到了基于这两种方法的内外轴间隙式磁性联轴器的最大扭矩简化公式,扩大了模型的适用范围,显著提高了这两种方法的求解精度和效率。其中,片电流法在求解精度上提高了25%-30%,等效磁荷法精度提高了4%-30%,求解效率提高超过了一倍。通过使用片电流法,等效磁荷法和三维有限元模型,全面地分析了磁性联轴器几何参数与其最大扭矩、最大扭矩体积比,以及启动扭转刚度的关系。并使用三维有限元法分别对轭铁的导磁效应、多组磁性联轴器间的磁耦合效应以及四种不同构型的内外轴式磁性联轴器进行了仿真分析。分析结果被应用于磁性联轴器的优化设计基于磁性联轴器在真空机器人轴系中实际应用时的耦合工况,以同时优化两组磁性联轴器为例,建立了磁性联轴器设计几何参数优化的目标函数。创新地提出了一种基于正交实验设计技术的小范围穷举优化设计方案,该方案纵观全局的设计参数,结合了解析法运算效率高和三维有限元法求解精度高的优点,利用正交实验法和小范围穷举法显著地减少了分析模型的数目,是一种高效实用、稳定可靠的优化方法。本例中,最终的优化参数组比正交表中可获得的相对最优参数组的指标值提高了约30%,优化结果与设计的目标值一致。研制了具有两自由度同轴布局的真空机器人动力传递轴系原型系统。结合真空机器人的开发,创新地将隔离密封套设计为台阶式的空心薄壁容器构件,并对隔离套的强度和径向变形进行了校核,对隔离套上的涡流损失进行了研究分析。此外,提出了一种适用于真空机器人的磁性联轴器设计方案,对分体式直接驱动电机轴系的设计进行了研究,对下一代真空机器人的研发有着重要的参考价值。最后,研制了可测试磁性联轴器内外转子间偏位影响的实验平台,进行了轴向偏位、径向偏位,和角向偏位对内外轴式磁性联轴器传递扭矩和动态性能的影响测试。实验结果表明,在实际应用中,偏位对内外轴式磁性联轴器的传递扭矩和动态跟踪特性影响很小。实验中,磁性联轴器的动态跟踪性能良好,在启动阶段,响应时间小于0.0ls；当峰值速度为670deg／s,加速度为1260deg／s2时,稳定时间tS为0.35s,各种偏位情况下的最大跟踪误差δ均为20’左右,稳态误差ess在2’左右。此外,对轴系的定位精度和重复定位精度,以及动态响应特性进行了测试,结果表明其具有良好的跟踪性能,稳态误差ess在3’左右,各组磁性联轴器间的磁耦合效应很小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题背景
• 1.2.1 集束型设备和真空机器人
• 1.2.2 磁性联轴器
• 1.2.3 直接驱动技术
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 真空机器人中的动力传递技术
• 1.3.2 磁性联轴器
• 1.4 论文研究意义
• 1.5 论文主要目标和结构
• 第二章 磁性联轴器建模
• 2.1 引言
• 2.2 磁性联轴器的参数
• 2.2.1 几何参数
• 2.2.2 材料参数
• 2.3 磁性联轴器的性能指标
• 2.4 磁性联轴器的动态模型
• 2.5 磁性联轴器的扭矩求解模型
• 2.5.1 概述
• 2.5.2 等效磁荷法
• 2.5.3 片电流法
• 2.5.4 有限元仿真法
• 2.6 小结
• 第三章 磁性联轴器分析与优化
• 3.1 引言
• 3.2 几何参数与主要性能指标关系分析
• 3.2.1 几何参数与最大扭矩及最大扭矩体积比的关系
• 3.2.2 内外转子相对转角与传递扭矩的关系
• 3.2.3 几何参数与启动扭转刚度的关系
• 3.3 仿真分析
• 3.3.1 轭铁导磁效应
• 3.3.2 多组磁性联轴器间的磁耦合效应
• 3.3.3 不同构型的磁性联轴器
• 3.4 扭矩求解模型比较分析
• 3.5 多组磁性联轴器的优化
• 3.5.1 数学优化模型
• 3.5.2 基于正交实验法的小范围穷举优化设计
• 3.6 小结
• 第四章 真空机器人轴系设计
• 4.1 引言
• 4.2 隔离套设计
• 4.2.1 隔离套的构型
• 4.2.2 隔离套的强度和径向变形
• 4.2.3 隔离套的涡流损失
• 4.3 磁性联轴器设计
• 4.4 分体式直接驱动电机轴系的设计
• 4.5 真空机器人轴系原型系统研制
• 4.6 小结
• 第五章 实验测试与分析
• 5.1 引言
• 5.2 磁性联轴器测试平台设计与搭建
• 5.2.1 静态实验手动测试平台
• 5.2.2 动态实验测试平台
• 5.3 磁性联轴器偏位实验与分析
• 5.3.1 偏位对传递扭矩的影响
• 5.3.2 偏位对动态性能的影响
• 5.4 真空机器人轴系实验与分析
• 5.4.1 两组磁性联轴器间的磁耦合效应
• 5.4.2 真空机器人轴系精度测试
• 5.4.3 真空机器人轴系的动态性能
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结和主要成果
• 6.2 本文的创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间获得的发明专利
• 攻读博士学位期间获得的荣誉奖励
• 致谢