硅片传输机器人磁流体密封的研究与设计

论文摘要

随着集成电路(IC)集成度的提高,硅片传输机器人的工作环境向着高洁净度、高真空度方向发展,传统的机械密封难以保证IC制造对硅片传输环境的要求,而磁流体密封是一种零泄漏、无磨损、长寿命的新型密封形式,具有很好的应用前景。因此,研究和探讨真空环境下硅片传输机器人磁流体密封机理和设计方法具有重要价值和意义。本文首先分析了国内外硅片传输机器人和磁流体密封技术的发展及研究现状,指出目前磁流体密封设计的核心内容是制备高性能的磁性流体和合理设计磁流体密封结构以增强密封耐压能力。其次,根据磁流体力学理论对磁流体密封机理进行了分析,推导了磁流体密封的耐压公式,得出磁流体密封的耐压能力取决于磁流体的饱和磁化强度和密封间隙内的磁场梯度。本文建立了轴对称条件下典型磁流体密封结构的磁场分析模型,并使用ANSYS有限元分析软件对磁流体密封结构中的非线性磁场分布进行了计算,得出了密封结构内的磁力线和磁感应强度的分析结果。在此基础上,分析了磁流体密封结构参数对密封耐压压差的影响规律,指出了矩形磁极齿形结构参数的最佳取值范围。然后,设计并制作了一套简易的磁流体密封实验装置,研究了磁场强度、密封间隙和转轴速度对磁流体密封耐压能力的影响。理论分析和实验结果表明:磁流体密封是实现硅片传输机器人真空动密封一种有效可行的方法;磁流体密封的结构设计对密封耐压能力的影响较大,合理设计磁流体的密封结构,可以有效地提高密封耐压能力。最后,针对真空环境下硅片传输的任务特点,本文设计了一种用于硅片传输机器人动力传递的同心双轴磁流体密封装置,探讨并提出了一种真空环境下具备径向直线伸缩运动和圆周旋转运动的硅片传输机器人设计方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文选题背景和课题来源
• 1.2 国内外硅片传输机器人的发展与研究现状
• 1.2.1 国外硅片传输机器人的研究现状
• 1.2.2 国内硅片传输机器人的研究现状
• 1.3 国内外磁流体密封技术的发展与研究现状
• 1.3.1 磁流体及其密封的发展概况
• 1.3.2 国内外磁流体密封技术的研究现状
• 1.3.3 磁流体密封技术存在的问题
• 1.4 论文主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 磁流体与磁流体密封理论
• 2.1 磁流体的组成及其应用
• 2.1.1 磁流体的组成
• 2.1.2 磁流体的基本特性
• 2.1.3 磁流体的典型应用
• 2.2 磁流体密封的工作原理
• 2.3 磁流体密封理论
• 2.3.1 磁性微粒受力分析
• 2.3.2 磁流体的伯努利方程
• 2.3.3 磁流体静密封的耐压公式
• 2.3.4 磁流体旋转密封的耐压公式
• 2.4 本章小结
• 3 磁流体密封结构的磁场分析
• 3.1 电磁场的有限元计算方法
• 3.2 磁流体密封结构的磁场计算
• 3.2.1 数学模型
• 3.2.2 磁场求解过程
• 3.2.3 计算结果分析
• 3.3 磁流体密封结构参数的设计
• 3.3.1 永磁体尺寸设计
• 3.3.2 矩形磁极齿形结构参数设计
• 3.4 本章小结
• 4 磁流体密封的实验研究
• 4.1 磁流体密封实验装置的设计
• 4.1.1 磁流体轴封装置的设计
• 4.1.2 调速装置的设计
• 4.2 实验内容与结果分析
• 4.2.1 磁场强度对密封能力的影响
• 4.2.2 密封间隙对密封性能的影响
• 4.2.3 转速对密封性能的影响
• 4.2.4 多极多级密封耐压能力实验
• 4.2.5 磁场方向对多极多级密封性能的影响
• 4.3 本章小结
• 5 磁流体密封技术在硅片传输机器人上的应用
• 5.1 硅片传输机器人的总体方案
• 5.2 同心双轴磁流体密封装置的设计
• 5.3 真空机械手臂的方案设计
• 5.3.1 真空机械手臂径向直线伸缩运动
• 5.3.2 真空机械手臂圆周旋转运动
• 5.4 真空机械手臂与同心双轴磁流体密封装置的整合
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢