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晶圆传输机器人关键控制技术研究

晶圆传输机器人关键控制技术研究

作者：吴明月哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

集成电路(IC)是电子信息产业的核心,是推动国民经济和社会信息化发展的高新技术之一。IC制造装备技术是IC产业得以快速发展的重要基础技术。晶圆传输系统是IC装备中必不可少的组成部分,其中的晶圆传输机器人是晶圆传输系统的关键部件,... 详细信息

集成电路(IC)是电子信息产业的核心,是推动国民经济和社会信息化发展的高新技术之一。IC制造装备技术是IC产业得以快速发展的重要基础技术。晶圆传输系统是IC装备中必不可少的组成部分,其中的晶圆传输机器人是晶圆传输系统的关键部件,主要承担着晶圆的精确定位与快速、平稳搬运任务。基于晶圆传输机器人的作业需求,结合国内外现有技术,本文主要在晶圆传输机器人运动学与动力学建模、快速平稳轨迹控制、误差标定技术方面对其进行了深入的研究。在数学建模方面,对晶圆传输机器人进行了运动学分析及动力学分析,建立了机器人运动学模型包括位置正解、位置逆解、速度及加速度模型,为误差分析及标定提供了理论基础,并分析了机器人运动空间及末端点分辨率;基于拉格朗日方程建立了机器人动力学模型,分析了机器人的各个关节所需的最大关节速度及关节力矩,并进行了刚体动力学仿真,为控制系统设计提供了理论依据。在快速平稳轨迹控制方面,搭建了晶圆传输机器人控制系统的硬件及软件系统;结合机器人硬件系统结构以及示教工作方式,完成了机器人路径自动生成的算法,并进行了仿真;结合自动生成的路径,完成了末端基于时间最优的快速平稳轨迹控制算法,对轨迹进行了仿真,并编写了相关程序。在误差分析及标定方面,分析了影响机器人末端定位精度的主要因素,确定了机器人的误差源,据此建立了机器人的误差模型;基于机器人的误差模型,分析了各个误差源对末端定位精度影响的灵敏度,提出机器人位置精度补偿方法;基于机器人的误差模型,结合机器人的特点,确定了机器人的标定方案及几何参数的辨识方法。本文搭建了实验系统,对机器人进行了轨迹振动测试实验和标定实验,对末端误差进行了补偿,并对机器人的性能进行了测试。

关键词：晶圆传输机器人控制轨迹规划运动学标定

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晶圆传输机器人振动分析与轨迹控制

晶圆传输机器人振动分析与轨迹控制

作者：徐国宝哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

一。IC制造装备业的快速发展要求晶圆传输机器人高速运动,从而增加了机器人运动过程中对其支撑框架的冲击。另一方面,IC生产线的特殊性对振动提出了更高的要求。针对晶圆传输机器人高速运动时产生的对其支撑框架的冲击问题,结合国... 详细信息

一。IC制造装备业的快速发展要求晶圆传输机器人高速运动,从而增加了机器人运动过程中对其支撑框架的冲击。另一方面,IC生产线的特殊性对振动提出了更高的要求。针对晶圆传输机器人高速运动时产生的对其支撑框架的冲击问题,结合国家科技重大专项——用于光刻机的硅片传输机械手关键技术攻关及样机研制（项目编号为2009ZX02012-002）,本课题深入讨论了影响机器人振动的各种因素,并从机器人结构和轨迹控制两个角度提出了减小振动的方法。首先根据机器人结构形式和传动原理,考虑到谐波减速器和同步带的柔性,分别在T轴和R轴处添加扭转弹簧,按照D-H方法建立五自由度“刚性杆-柔性关节”动力学模型。推导了运动学方程和动力学方程,利用MATLAB软件编写了动力学计算公式。利用ADAMS仿真软件建立虚拟样机,输入各电机运动参数,以输出的关节力/力矩曲线为指标,对比ADAMS与MATLAB的计算结果,从而验证模型的正确性,并评估模型的适用范围。利用建立的模型分析了机器人结构和电机运动对机器人振动的影响。根据仿真结果优化了机器人手臂结构;分析了T轴和R轴电机按照不同速度曲线运动时机器人的振动情况,为轨迹规划提供依据。在振动分析的基础上,对机器人末端手轨迹进行了规划。文章给出了两种路径下三种轨迹的控制算法,比较无插补运动、定步长插补运动和定时插补运动三种轨迹控制策略下机器人的振动情况,分析了振动差异的原因。最后搭建了实验系统硬件电路,编写了电机调试界面,对轨迹控制的结论进行了验证。实验表明,电机按照定时插补运动时机器人振动最小;三种轨迹控制策略下机器人振动均满足技术指标,并且与无插补运动相比,采用两轴插补方式可以明显减小机器人振动。

关键词：晶圆传输机器人动力学建模振动分析轨迹规划

晶圆传输机器人末端运动及晶圆接触状态检测系统研究

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晶圆传输机器人末端运动及晶圆接触状态检测系统研究

作者：李康哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

集成电路(IC)产业是推动经济发展的核心力量，晶圆传输机器人是IC产业的关键制造设备，其快速性与稳定性直接决定了IC产业的生产效率。由于串联型非直驱机器人存在的共性特点，使得关节电机位置反馈不能真实反应末端运动情况，同时末端... 详细信息

集成电路(IC)产业是推动经济发展的核心力量，晶圆传输机器人是IC产业的关键制造设备，其快速性与稳定性直接决定了IC产业的生产效率。由于串联型非直驱机器人存在的共性特点，使得关节电机位置反馈不能真实反应末端运动情况，同时末端执行器与晶圆会由于加减速运动而产生粘滑现象，都会影响晶圆传输的稳定性、可靠性以及传输效率。针对上述问题，需要利用传感系统来检测。本课题在国家973子课题“复杂环境下大尺寸超薄晶圆的高效稳定传输原理与实现”（编号2009CB724206）的支持下，开展了晶圆传输机器人末端运动及晶圆接触状态检测系统的研究，提出了末端位置、速度及晶圆粘滑检测的解决方案，详细分析了各部分的检测原理，设计并制作了各检测模块，并对各模块进行了原理实验验证。首先，本文建立了晶圆传输机器人模型，并对典型工位下的传输进行了轨迹规划与运动学仿真;提出了检测系统的整体方案，初步分析了各检测模块的基本原理，包括基于粘滑传感器的晶圆接触状态感知，基于二维PSD的末端位置检测和多传感器融合并结合运动学卡尔曼滤波算法的末端速度估计。其次，提出了利用磁铁线圈传感器的粘滑检测方案，设计并制作了粘滑传感器样机，然后对样机进行标定与测试实验，验证了粘滑检测的可行性。分析了二维PSD的传感原理，设计并制作了二维PSD相机位置传感器样机，对样机进行了单点阶跃响应与重复精度测试实验，然后利用精密步进电机平台标定了二维PSD相机，并分析了误差与误差修正方法。设计了以惯性传感器测量作为系统输入、PSD相机作为外部观测的多传感器融合方法，并根据末端执行器的运动学方程，推导了运动学卡尔曼滤波算法，理论上实现了对晶圆传输机器人末端的速度估计。最后，本文搭建了实验系统，对晶圆实际传输过程中的粘滑现象、圆弧插补轨迹的位置及速度信息进行了检测，并评估了晶圆传输机器人末端运动性能。

关键词：晶圆传输机器人末端检测粘滑感知二维 PSD 卡尔曼滤波

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晶圆传输机器人伺服控制系统关键技术研究

晶圆传输机器人伺服控制系统关键技术研究

作者：王东萃哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在经济全球化、信息化的今天,集成电路(IC)产业已经是影响国家经济、政治和国防安全的战略必争产业。本课题结合国家973项目“超大规模集成电路制造装备基础问题研究”(2009CB724206),针对晶圆传输机器人伺服系统高定位精度、高速度、... 详细信息

在经济全球化、信息化的今天,集成电路(IC)产业已经是影响国家经济、政治和国防安全的战略必争产业。本课题结合国家973项目“超大规模集成电路制造装备基础问题研究”(2009CB724206),针对晶圆传输机器人伺服系统高定位精度、高速度、高平稳性的要求,研究了关节空间无冲击的轨迹规划算法;采用模糊PID控制算法解决了晶圆传输机器人的存在非线性耦合和时变力的问题,提高了系统的动态特性和稳态精度,并且完成了支持该算法的、满足晶圆传输机器人控制系统高性能要求的开放式运动控制器软硬件设计。为实现晶圆传输机器人高性能的伺服控制,研究了实时性高,开放式的运动控制器。控制器采用PC加DSP的分级结构,在PC机内完成机器人控制命令的输入,状态的显示,和轨迹的粗插补等;在DSP内部,充分发挥DSP高速的运算能力,采用先进的控制算法,完成对伺服系统的闭环控制。同时引进可编程控制器CPLD芯片,来完成编码器信号的鉴相倍频和计数,系统的逻辑运算等任务。并且采用模块化的思想进行了控制系统软件设计。整个系统具有较好的实时性,为高级控制算法的研究和实现打下硬件基础。晶圆传输机器人受到机械耦合,皮带、减速器传动的影响,模型难以精确建立,所以研究了将传统PID方法与先进的模糊理论相结合的模糊-PID算法,应用到机器人控制上,解决非线性耦合等问题,提高了机器人控制系统的动态响应性能和控制精度,为高速高精度控制的实现提供了可行的方法。在平稳轨迹控制方面,对三次多项式插值和B样条曲线进行插值算法进行了研究,并且针对晶圆传输机器人在起始点对振动要求严格的特点进行了算法改进。实验结果表明,本文研究的模糊-PID算法满足系统的快速性和平稳性的设计要求,同时自己开发的控制器性能可靠,具有高性能和良好的开放性,实现了晶圆传输机器人的高性能的控制。

关键词：晶圆传输机器人运动控制器轨迹规划模糊-PID

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晶圆传输机器人鲁棒控制技术研究

晶圆传输机器人鲁棒控制技术研究

作者：胡勇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

集成电路(Integrated Circuit,IC)产业是信息社会经济发展的基石,社会进步的基础,国际竞争的筹码和国家安全的保障。而IC制造装备是IC产业发展的支柱,其中晶圆传输机器人是IC制造装备的重要组成部分,主要承担着晶圆的精确定位与快速、... 详细信息

集成电路(Integrated Circuit,IC)产业是信息社会经济发展的基石,社会进步的基础,国际竞争的筹码和国家安全的保障。而IC制造装备是IC产业发展的支柱,其中晶圆传输机器人是IC制造装备的重要组成部分,主要承担着晶圆的精确定位与快速、平稳搬运任务。本课题结合国家973课题《复杂环境下大尺寸超薄晶圆的高效稳定传输原理及实现》(2009CB724206),从控制的精确性和稳定性出发,研究针对晶圆传输机器人的控制方法。传统的晶圆传输机器人采用减速机构实现执行电机和被驱动轴的连接,这种机构存在精度差、可靠性差、刚度差等缺点,因此本文在研究分析了国外的直接驱动型晶圆传输机器人结构的基础上,设计了R-T型直驱机器人,并对其传动原理进行了分析。为了实现对机器人的控制,进行了机器人运动学和动力学建模,并分析了提高电机控制的精度对提高机器人末端手轨迹跟随精度的重要性。由于机器人系统的参数误差和建模时忽略的动态特性等原因,建立的动力学模型必然存在模型误差,且外部干扰的存在以及直接驱动电机控制的特殊性,常规的PID控制方法很难满足晶圆传输高精度的控制要求。本文针对R-T型晶圆传输机器人,在PD加前馈控制和计算力矩控制的基础上,引入了鲁棒补偿控制算法,并对鲁棒控制器的表达式和鲁棒控制方法的误差收敛性进行了推导。根据控制算法对硬件的要求,开发了适用于该直驱型晶圆传输机器人的基于DSP的完全开放式运动控制器。该运动控制器采用上位PC机加下位DSP的分级结构,上位机主要对机器人系统进行实时的监视,进行逆向运动学运算等操作;在下位DSP控制芯片中进行控制算法的编写,主要实现机器人各关节电机的直接、精确的闭环控制;上位PC机和下位DSP之间通过串口进行数据的交换。最后搭建了实验系统,编写了调试程序,并分别对机器人T轴单轴运动和R轴单轴运动时的情况进行了鲁棒控制实验。实验表明,在该直接驱动型晶圆传输机器人上采用鲁棒控制方法提高了电机跟随预定轨迹的精度,实现了晶圆的精确稳定传输。

关键词：晶圆传输机器人鲁棒控制计算力矩控制直接驱动运动控制器

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晶圆传输机器人运动控制器设计

晶圆传输机器人运动控制器设计

作者：刘崇成哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

集成电路（IC）产业作为电子信息产业的核心，具有极其重要的战略地位，晶圆传输机器人用于快速、精确传输晶圆，是IC生产线中不可或缺的重要组成。晶圆传输机器人控制系统是保证晶圆传输机器人完成工作的必要条件，在晶圆传输过程中起... 详细信息

集成电路（IC）产业作为电子信息产业的核心，具有极其重要的战略地位，晶圆传输机器人用于快速、精确传输晶圆，是IC生产线中不可或缺的重要组成。晶圆传输机器人控制系统是保证晶圆传输机器人完成工作的必要条件，在晶圆传输过程中起着重要的作用。本文针对晶圆传输机器人的快速、平稳、可靠的特点，结合控制系统高集成度的要求，开发一款专用于晶圆传输机器人的运动控制器。首先，分析了晶圆传输机器人控制系统的功能需求，采用了PID+前馈的控制策略，并对控制系统各个组成进行了选型，针对晶圆传输机器人控制系统的高集成度、空间尺寸限制、多种状态信息快速响应的需求，设计了基于运动控制芯片+FPGA芯片的运动控制器方案。然后，对运动控制器硬件电路进行原理设计，包括有串口通讯模块、PC104通讯模块、增量编码器模块、DAC输出模块、绝对编码器模块。并对控制器接口主板的电路原理设计。设计了8层运动控制器和6层接口主板。使用VHDL语言实现了运动控制器初始化配置、PC104总线通讯、DAC输出、绝对编码器信号接收等功能。针对晶圆传输机器人的实际工况，进行了工位分析、路径和轨迹规划，使用VC++软件编写了晶圆传输机器人全功能调试软件。最后，建立了晶圆传输机器人运动控制器实验系统，对PC104总线及串口通讯模块、DAC输出模块、绝对编码器接口等模块进行功能实验。搭建了控制系统实验平台，分别对单轴运动、双轴插补运动、晶圆传输机器人进行了实验测试，结果表明，该运动控制器满足机器人快速平稳的控制要求。

关键词：晶圆传输机器人控制系统控制器

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晶圆传输机器人末端执行器的结构设计

轻工机械 2018年第6期36卷 15-19页

作者：高强宋芳上海工程技术大学工程实训中心上海201620

为了实现晶圆片快速稳定传输,课题组设计了3种不同机械结构的末端执行器。首先,利用三维UG软件建立4凸点接触式有结构孔且有过渡结构的末端执行器、3凸点接触式类三角形末端执行器和4凸点接触式仅有结构孔的末端执行器这3种模型;采用AN... 详细信息

为了实现晶圆片快速稳定传输,课题组设计了3种不同机械结构的末端执行器。首先,利用三维UG软件建立4凸点接触式有结构孔且有过渡结构的末端执行器、3凸点接触式类三角形末端执行器和4凸点接触式仅有结构孔的末端执行器这3种模型;采用ANSYS软件对所设计的3种模型进行静力学仿真,通过对仿真结果进行分析,得出最优的机械结构;最后采用ANSYS动力学模态仿真,验证了此机械结构具有合理性。研究结果表明有结构孔且有过渡结构的末端执行器能够满足晶圆片高速稳定的传输,为最优的机械结构。

关键词：晶圆传输机器人末端执行器 UG软件 ANSYS仿真

大尺寸晶圆传输机器人末端执行器接触特性分析与设计

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大尺寸晶圆传输机器人末端执行器接触特性分析与设计

作者：曹玉梅哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

集成电路（IC）制造装备是电子信息产业的核心,是推动国民经济和社会信息化发展的高新技术之一。晶圆传输系统是IC装备中必不可少的组成部分,其中的晶圆传输机器人是晶圆传输系统的关键部件,主要承担晶圆的精确定位与快速、平稳搬运任务... 详细信息

集成电路（IC）制造装备是电子信息产业的核心,是推动国民经济和社会信息化发展的高新技术之一。晶圆传输系统是IC装备中必不可少的组成部分,其中的晶圆传输机器人是晶圆传输系统的关键部件,主要承担晶圆的精确定位与快速、平稳搬运任务,作为重要传输部分的晶圆传输机器人末端执行器,很大程度地影响晶圆的高效可靠传输。针对大尺寸晶圆高摩擦力和小变形的要求,结合国家973项目“超大规模集成电路制造装备基础问题研究”（项目编号2009CB724206）,本课题对晶圆传输机器人两种末端执行器（摩擦传输式和真空吸附式末端执行器）与晶圆的接触特性进行了深入研究,设计了传输机器人的末端执行器,最终对末端执行器的传输性能进行了实验验证。在摩擦传输式末端执行器研究方面,分析了晶圆的材料参数,研究不同厚度的晶圆在不同接触方式下的变形,并以晶圆变形量最小为目标,确立了基于凸点接触的摩擦传输方式。针对凸点接触方式,结合仿生学理论,提出了一种基于壁虎刚毛接触凸点的晶圆传输方式,并建立了凸点与晶圆的接触模型,结合接触理论,对比分析了刚毛凸点、不锈钢凸点、橡胶凸点的参数与晶圆传输摩擦力的关系;通过末端执行器的静态和动态特性仿真分析,设计了仿壁虎刚毛接触凸点的摩擦传输式末端执行器。在真空吸附式末端执行器研究方面,以晶圆变形最小为目标,结合吸附点分布与晶圆变形的关系,确定了晶圆变形最小时的吸附点分布状态。研究晶圆传输摩擦力与末端执行器吸附点参数的关系,推导了晶圆传输时的摩擦力表达式。基于理论分析,通过静态和动态特性分析,设计了真空吸附式末端执行器。最后搭建了实验系统,对摩擦传输式末端执行器和真空吸附式末端执行器的性能进行验证。实验证明,基于接触特性分析设计的仿壁虎刚毛接触凸点摩擦传输式末端执行器有效地提高了平稳传输晶圆的加速度,性能优于其它摩擦传输式末端执行器;针对大尺寸超薄晶圆设计的真空吸附式末端执行器,有效地增加了晶圆传输的加速度,减小了晶圆的变形。

关键词：晶圆传输机器人末端执行器大尺寸晶圆接触特性

五自由度洁净晶圆传输机器人的动力学建模与分析

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五自由度洁净晶圆传输机器人的动力学建模与分析

作者：吴静上海交通大学

学位级别：硕士

集成电路（IC）产业作为信息化的基础，对经济发展，社会进步和国家安全都有着巨大的影响。而IC制造装备是IC产业发展的支柱，在整个IC产业的发展中扮演着技术先导的角色。集束型晶圆制造设备已发展成IC制造业中半导体前端设备的主流。... 详细信息

集成电路（IC）产业作为信息化的基础，对经济发展，社会进步和国家安全都有着巨大的影响。而IC制造装备是IC产业发展的支柱，在整个IC产业的发展中扮演着技术先导的角色。集束型晶圆制造设备已发展成IC制造业中半导体前端设备的主流。洁净晶圆传输机器人正是集束型设备中晶圆在各制造装备之间传递的核心部件，其性能直接影响整个集束型设备的可靠程度和自动化水平。本论文以上述的洁净晶圆传输机器人为研究对象，对其进行了运动学与动力学分析，建立了运动学、动力学方程;基于ADAMS软件，建立了洁净晶圆传输机器人的虚拟样机;采用B样条构造机器人关节轨迹，并且利用ADAMS虚拟样机对轨迹规划的结果进行了仿真;基于Matlab软件，还建立了洁净晶圆传输机器人的单关节控制器模型;最后联合ADAMS虚拟样机以及Matlab控制器模型进行了洁净晶圆传输机器人的仿真，实现了洁净晶圆传输机器人在控制器作用下的虚拟运动，为实际开发这种洁净晶圆传输机器人的实物样机奠定了理论基础。

关键词：晶圆传输机器人虚拟样机轨迹规划联合仿真