автореферат диссертации по электронике, 05.27.07, диссертация на тему:Разработка методов расчета и конструирования манипуляторов для чистых производственных помещений

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

№ правах рукописи УДК 621.865.8.001:628.511

Меркушев Олег Михайлович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ МАНИПУЛЯТОРОВ ДЛЯ ЧИСТЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

Специальность 05.27.07 — Оборудование производства электронной техники.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1997

ОД

Работа выполнена в Московском институте электронной техники (техническом университете).

Научные руководители:

доктор технических наух, профессор

Редин В. М.

кандидат технических наук, доцент Гусев В. В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Грсбенкин В. 3.

кандидат технических наук, доцент Стеналчиков С. В.

Ведущее предприятие:

АООТ НИИТМ

Защита состоится

1997 на заседании

диссертационного совета Д. 053.02.04 Московского института электронной техники (технического университета) — МИЭТ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ (ТУ).

Отзывы на автореферат просьба отправлять по адресу: 103498, Москва. К-498. МИЭТ (ТУ).

Автореферат разослан

1998 г.

Ученый секрегарь ;ш1"серг;)шюшю1 о ач'гта.к. т «..доцент

Виноградов Б Г

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы Повышение уровня интеграции микросхем связано с увеличением площади кристалла и с уменьшением размеров схемотехнических элементов. Одной из основных проблем, без разрешения которой принципиально невозможно создание технологий для промышленного выпуска СБИС нового поколения, является снижение количества загрязняющих аэрозольных частиц, которые осаждаются и удерживаются на пластинах а процессе их обработки, транспортирования и межоперационного хранения. Это, а свою очередь, требует разработки методов снижения пылегенерации технологического оборудования и роботов-манипуляторов, которыми в настоящее время оснащается автоматизированное оборудование.

Дальнейшему прогрессу в решении проблемы препятствует отсутствие математических моделей, методик проектирования и развитых на их базе инженерных методов расчета н конструирования "чистых" узлов технологического оборудования и роботов-манипуляторов.

Радикальным способом уменьшения пылегенерации механических узлоа являлся бы полный отказ от трущихся пар и замена их устройствами с бесконтактным взаимодействием.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка математической модели манипулятора, не имеющего трущихся пар, реализация модели на ЭВМ, оптимизация параметров н разработка инженерией методики расчета "чистых" манипуляторов.

В соответствии с поставленной ц&тыо в работе решаются следую щи г задачи:

— анализ перемещения полупроводниковых пластин в процессе производства и выявление этапов, на которых вероятность загрязнения пластин особенно велика;

— анализ конструкции существующих манипуляторов и выявление основных источников пылегенерацни;

— анализ методов устранения источников пылегечеряшы и формирование блок-схемы "чистого" манипулятора;

— разработка и реализация на ЭВМ матемагнчрекой модели чялнггних подшипников как осноимых элементов "чистого" маннпь'лягерй:

— разработка и реализация на ЭВМ математической модели высокомоментных бесконтактных двигателей дли непосредственного привода звеньев;

— разработка н реализация на ЭВМ математической модели "чистого" манипулятора;

— проведение математического моделирования "чистого" манипулятора и оптимизация его параметров;

— разработка методики инженерного расчета "чистых" манипуляторов.

Научная новизна работы. Для достижения поставленной цели в работе

впервые создана н реализована на ЭВМ комплексная математическая модель манипулятора, не имеющего трущихся пар. Математическое моделирование позволило найти оптимальную структуру кинематической цепи "чистого" манипулятора, а также оптимальную конструкцию и параметры элементов "чистого" манипулятора, в частности, магнитных опор и безредукторных двигателей. Компьютерная модель является инструментом для проектирования "чистых" манипуляторов, а также элементов технологического оборудования микроэлектроники.

fía защиту выносятся:

— разработанные и реализованные на ЭВМ математические модели магнитных подшипников, безредукторных двигателей и "чистого" манипулятора;

— оригинальная методика инженерного расчета "чистых" манипуляторов;

— результаты оптимизации конструкции и параметров кинематической цепи манипулятора, а также конструкции и параметров магнитных подшипников и высокомоментных двигателей.

Практическая эначююсть Разработанные в настоящей работе модели, алгоритмы и программы были использованы при расчете системы транспортирования изделий при производстве ЖК индикаторов. Программный комплекс позволяет проводить оптимизацию параметров магнитных опор, двига1слсн непосредственного привода и манипуляторов.

J-■'г1'" '»> ."»•■'i'.iw.j'H.'f, Достгвсрность созданных математических у.оле'юп полич-р ¡лзегся проверками на здехватность по зкепериментальным

данным, полученным автором, а также приведенным в отечественных и зарубежных литературных источниках.

Внедрение результатов работы. Созданный на основе разработанных моделей программный хомплекс внедрен на АО "Ангстрем" (НПО "Калькулятор") и в учебный процесс кафедры "Автоматизированные комплексы микроэлектроники" МГИЭТ.

Суммарный экономический эффект, подтвержденный актами внедрения, составляет 60 миллионов рублей в ценах 1997 г.

Апробаиия работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Российской конференции с участием зарубежных ученых "Микроэлектроника-94" (Москва, 1994), на Московской конференции "Студенческая научная осень-94" (Москва, 1994), на научно-технической конференции студентов и аспирантов МГИЭТ (Москва, 1995), на 5-й конференции Ассоциации инженеров по контролю микрозагрязнений (Москва, 1995), на межвузовских научно- технических конференциях "Микроэлектроника и информатика-96" (Москва, 1996) и "Микроэлектроника и информатика-97" (Москва, 1997), на Второй Всероссийской конферениции "Электроника н информатика-97" (Москва, 1997).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 11 печатных работах в сборниках научных трудов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и актов внедрения.

Работа изложена на 187 страницах текста, содержит 55 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 93 наименований первоисточников

Краткое содержание работы.

Во введениии обоснована актуальность решаемой проблемы, сформулирована цель работы и названы основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе рассмотрена проблема снижения дефектности, привносимой при перемещении полупроводниковых пластин в чистых производственных помещениях.

До недавнего времени одним из главных источников загрязнений в чистых комнатах являлся оператор, который лаже в специальной од'-.кде при

движениях за одну минуту выделяет десятки тысяч частиц. Автоматизация позволяет исключить человека из технологического процесса, однако при этом резко увеличивается число подвижных элементов оборудования, что становится причиной увеличения степени азрозольного загрязнения. При попытке устранения загрязнений от оборудования возникают серьезные трудности. Применение в рабочих зонах оборудования систем приводов механизмов с минимальным изнашиванием, неиспаряющихся смазок для трущихся поверхностей, а также местных защитных колпаков в какой-то мере ослабляет эту проблему, но не решает ее полностью. В перспективе задача должна решаться путем изменения конструкции оборудования.

Результаты испытаний, проведенных рядом ведущих западных фирм, показывают, что роботизация подачи и перемещения пластин в помещениях класса 10-100 позволяет снизить уровень загрязнений в 10-15 раз. Необходимое условие при этом — отсутствие загрязнений от самого робота, особенно от его движущихся частей. Однако в настоящее время даже роботы, специально созданные для работы в чистых комнатах, при движениях манипуляторов повышают концентрацию аэрозолей на 30-80% по отношению к фоновой концентрации, соответствующей паузам между движениями. Таким образом, остается актуальной проблема совершенствования конструкции "чистых" манипуляторов с целью дальнейшего снижения уровня пылегенерации. Для этого необходимо разрабатывать роботы нового поколения, манипуляторы которых не имеют трущихся деталей.

Атофан 7ланч посвящена исследованию бесконтактных опор.

Проведенный анализ типов бесконтактных опор покзшваег, что для применения в "чистых" манипуляторах наиболее подходящими являются магнитные подшипники (МП). Они обладают хорошими нагрузочными характеристиками, просты по конструкции, работоспособны при любых давленияI вплоть до самого Щ/Оокого вакуума, безопасны и долговечны в 'жепл/атации

Принцип действия мапшшых подшипников заключается в подвесе .1,1110!о Н1 ¡-I микч.ипчаюи мары, киюрое мы будем нлывагь роюром, в ш'.-Ж'-л пои-. Л:;я юзлинни млиишию ноля мо|>г быть нспилыованм

постоянные магниты, электромагниты или их комбинация. Поэтому различакп пассивные, активные и комбинированные МП.

По направлению действия силы МП бывают радиальными, упорными (осевыми) и радиально-упорными.

Наиболее перспективными для применения в "чистых" манипуляторах следует считать активные электромагнитные подшипники (ЭМП), обладающие наилучшими показателями удельных усилий.

Для исследования характеристик и оптимизации параметров ЭМП были созданы и реализованы на ЭВМ математические модели основных типов ЭМП — радиальных (4-х, 8-ми и 16-ти полюсных) и осевых. Схемы магнитных подшипников показаны на рис. 1.

Входными параметрами математических моделей ЭМП были выбраны:

— требуемая грузоподъемность;

— число пар полюсов (для радиальных подшипников);

— номинальная величина одностороннего воздушного зазора;

— внутренний диаметр внутреннего кольца подшипника (для осевою подшипника);

— номинальный ток в катушке управления;

— номинальная плотность тока в катушке управления;

Рис.1. Схемы электромагнитных подшипников а) четырехполюсный радиальный б) осевой 1 статор, 2 -• ротор, 3 ~ обмотки.

Выходными параметрами математических моделей были определены:

— геометрические размеры подшипнике;

— число витков катушки управления;

— диаметр провода катушки управления;

— масса подшипника,

— удельная грузоподъемность подшипника.

Удельная грузоподъемность (отношение тягового усилия к массе) является важнейшей характеристикой ЭМП, предназначенных для применения в "чистых" манипуляторах. Поэтому основной целью оптимизации параметров ЭМП было повышение нх удельной грузоподъемности. Исследования, проведенные с помощью математического моделирования, позволили сделать следующие выводы:

I) Среди ЭМП различных типов наилучшей удельной грузоподъемностью обладают осевые ЭМП (рис. 2). Это связано с тем, что они создают тяговое усилие только в одном направлении.

а.н/ет

Рис. 2. Зависимость удельной грузоподъемности от номинальной для различных типов электромагнитных подшипников.

Л) радиальные ЭМП наилучшей удельной груэоподъ-емностью обчадают четырехполюсные подшипники. Поскольку радиальные ЭМП :ал.1Ю! эначнкльно ,\>:ш1сй \К'.'и ион гр>зопс>.'1ъемпостью, чем осевые, при

их совместном использовании необходимо стремиться к тому, чтобы основная нагрузка приходились на осевые подшипники.

3) Максимальная величина удельной грузоподъемности радиальных ЭМП достигается при больших значениях индукции в зазоре. Это означает, чю в качестве материала магннтопровода для таких подшипников целесообразно использовать сплавы с высокой индукцией насыщения (пермендюры), гик как это позволит значительно улучшить удельные характеристики подшипников. Для осевых ЭМП максимальное значение удельной грузоподъемности достигается при небольших значениях индукции в зазоре (рис. 3), что позволяет использовать в качестве материала для магнитопроводов осевых ЭМП обыкновенную машиностроительную сталь.

Рис. 3. Зависимость удельной грузоподъемности осевых ЭМП от номинальной индукции в зазоре при разных номинальных нагрузках.

4) Форма паза под катушку управления для осевых ЭМП никак не ьлняеп на их удельную грузоподъемность.

5) Оптимальная форма полюса радиального электроматншого подшипника при малой величине воздушного зазора — прямоугольник с отношением длины к ширине около 2 для четырехполюсных подшипников и около 1.5 для остальных. С увеличением длины воздушного зазора оптимальной формой полюса становится квадрат.

Третья глава посвящена выбору типа двигателя для привода "чистого" манипулятора, исследованию его характеристик и оптимизации его параметров.

Для применения в приводе "чистого" манипулятора электродвигатель должен быть бесконтактным, т. е. не должен иметь коллектора со щетками, поскольку это — один из наиболее интенсивных источников пылегенерации.

Вторая особенность привода "чистого" манипулятора заключается в том, что он должен быть непосредственным (безредукторным). Это требование также объясняется прежде всего стремлением избавиться от трущихся деталей и связанной с ними пылегенерации.

Для применения в непосредственном приводе пригодны только высокомоментные тихоходные двигатели. Кроме того, двигатель должен иметь высокую разрешающую способность и высокую точность позиционирования. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют высокомоментные шаговые электродвигатели.

При расчете манипулятора необходимо знать массу двигателя в зависимости от требуемого момента. Поэтому была создана математическая модель, позволяющая рассчитать характеристики шагового двигателя и оптимизировать его параметры.

Входными параметрами математической модели были определены:

— требуемый вращающий момент двигателя;

— номинальный ток в обмотках;

— номинальная плотность тока в обмотках;

— длина воздушного зазора;

— индукция в зазоре;

— число пар полюсов статора;

— число зубцов ротора.

Выходными параметрами модели были выбраны:

— геометрические размеры статора и ротора;

—параметры обмоток;

— масса статора, ротора, обмоток и всего двигателя.

При проектировании шаговых двигателей возникает ' задача выбора • ■и ¡имальной геометрии з; бцовой зоны. Решению этой задачи посвжцен ряд

работ отечественных и зарубежных авторов, в которых найдены опгммальнпс соотношения размеров зубцовых зон статора н ротора. Особенкосию созданной математической модели является использование этих оптимальных соотношений.

Исследования, проведенные с помощью математического моделирования, позволили сделать следующие выводы:

1) наиболее высоким удельным моментом обладают двигатели с тремя парами полюсов, поэтому они являются наиболее перспективными дай применения в приводе "чистых" манипуляторов. Кроме того, для всех двигателей с увеличением номинального момента удельный момент возрастает.

2) для каждого значения номинального момента можно найги оптимальное число зубцов ротора, при котором удельный момент максимален (рис. 4). Это число увеличивается с увеличением номинальною момента и с уменьшением длины воздушного зазора.

Рис.4. Зависимость удельного момента от числа зубцов ротора при различных значениях номинального момента.

Созданная модель и результаты расчетов используются при ошимнзаит. манипуляторов."

Четвертая глава посвящена разработке методов расчета и конструирования, а также оптимизации параметров "чистых" манипуляторов.

Проектирование манипулятора сводится х выбору оптимальных значений параметров его конструкции. При проведении любой оптимизации необходимо прежде всего выбрать критерии оптимальности.

Поскольку размер н форма рабочей зоны, число степеней подвижности, точность, разрешающая способность, быстродействие н т. п. зависят от технологических требований, то варьировать ими нельзя. Однако заданные характеристики манипулятора в целом могут быть достигнуты при различных параметрах звеньев и приводов. Общая масса манипулятора при этом также будет различной. В робототехнике, как н во многих других отраслях техники, конструкторы стремятся к улучшению удельных характеристик. Таким образом, а качестве критерия оптимальности можно выбрать удельную грузоподъемность манипулятора. Поскольку все варианты конструкции манипулятора рассчитываются на одну и ту же грузоподъемность, то удельная грузоподъемность манипулятора будет определяться его собственной массой. Соответственно задачу оптимизационного синтеза манипулятора можно сформулировать так:

Минимизировать массу манипулятора при обеспечении заданных его характеристик.

Дтя решения задач проектирования манипуляторов автором создана математическая модель, описывающая характеристики манипулятора.

В качестве входных параметров модели используются:

— требуемые размер и форма рабочего пространства (РП) манипулятора;

— структура кинематической цепи (КЦ) манипулятора;

— кинематика движения объекта манипулирования и его геометрические характеристики;

— - габариты обслуживаемого оборудования и его рабочая зона;

— масса объекта манипулирования;

— время рабочего цикла или производительность:

— точность установки объекта манипулирования;

— требчемая разрешающая способность.

Вылояиымн параметрами модели были выбраны:

— длины 1всньев;

-- т;>чтк nine \apjKicpnciHui звгньев;

— прочностные характерстики звеньев;

— диапазоны перемещений по степеням подвижности;

— дискретности приводов;

— точностные характеристики приводов;

— моменты приводов;

— силы реакции в кинематических парах.

При составлении модели были приняты следующие основные упрощения и допущения:

1) В конструкции манипулятора используются только вращательные кинематические пары;

2) Масса полупроводниковой пластины намного меньше массы схвата, поэтому можно считать, что манипулятор наружен только собственным весом;

3) Согласно результатам проведенных нами исследований, осевые магнитные подшипники обладают значительно лучшими удельными показателями тяговых усилий, чем радиальные, и поэтому предпочтительнее для использования в "чистых" манипуляторах. Поскольку манипулятор нагружен собственным весом (силой тяжести), осевые подшипники можно использовать в КП, ось вращения которых всегда вертикальна. Однако оси всех КП не могут быть вертикальными, т. к. в этом случае РП манипулятора будет плоским. Следовательно, необходимы КП с горизонтальной осью вращения (одна или две). Эти КП может быть только последней-в КЦ, т. к. только в этом случае оси вращения остальных КП будут всегда вертикальны.

Таким образом, структуру КЦ "чистого" манипулятора можно считать выбранной.

4) Поскольку манипулятор предназначен для переухладки пластин, то нас не интересует точность отработки траектории, а интересует только погрешность позиционирования схвата в начальном и конечном положениях. Поэтому можно считать, что точность не зависит от динамики, колебаний звеньев и т. д.

5) Так как привод звеньев безредукторый, то двигатели непосредственна управляют обобщенными координатами.

При математическом описании манипулятора использован матричный метод в однородных координатах.

Одним из наиболее важных и наименее изученных этапов проектирования манипулятора является обоснованный выбор структуры КЦ и длин звеньев, так как от этого в большой степени зависят все характеристики манипулятора. Поэтому в настоящей работе этому этапу проектирования уделено особое внимание.

Как уже говорилось, структура "чистого" манипулятора определяется свойствами различных типов магнитных подшипников, поэтому ее можно считать заданной. Оптимизация длин звеньев проводится с помощью ЭВМ в несколько этапов.

На первом этапе длины звеньев выбираются из условия обеспечения заданной достижимости, т. е. заданных формы и размера РП. Для каждого звена задаемся диапазоном его возможной длины и шагом ее изменения. Далее, последовательно изменяя длины всех звеньев от минимума до максимума с заданным шагом, определяем для каждого варианта объем РП, о также коэффициент качества РП (подробнее об этом будет сказано ниже). Поскольку длины звеньев изменяются дискретно, то точного совпадения одного или нескольких полученных значений объема РП с заданным может и не быть. Поэтому для дальнейшего рассмотрения нужно выбрать те варианты длин звеньев, при которых полученный объем РП манипулятора равен заданному или чуть больше его.

Объем РП зависит не только от длин звеньев, но И" от их соотношения. Изменяя соотношение длин звеньев, можно получить больший объем РП при той же общей длине манипулятора. Поэтому оказалось удобным ввести безразмерный коэффициент качества РП, равный отношению полученного объема РП к максимально возможному при данной максимальной длине подвижной части манипулятора Под максимальной длиной подвижной части подвижной части манипулятора понимается наибольшее из возможных при любых конфигурациях КЦ расстояние от центра первой КП до характерной точки схвата.

В качестве максимально возможного объема РП обычно принимается оГ>1 ем шара, ради>с которого численно равен максимальной длине подвижной чали манипулятора. Козффнииемт качества рабочего пространства может 'ни н.моть.юпин при шбаре из пол\ченного набора КЦ вариантов для

дальнейшего анализа, т. к. меньший К^ при том же объеме РГ1 означает большую длину "руки" манипулятора, а значит, и большую общую массу конструкции.

Поскольку РП манипуляторов с большим количеством вращательных КП имеет сложную форму, для вычисления его объема применен разработанный автором универсальный численный алгоритм.

Для формулирования требований к приводам манипулятора геометрические и кинематические требования к движению объекта манипулирования в абсолютной системе координат должны быть преобразованы в требования к перемещениям, скоростям и ускорениям в кинематических парах. С этой целью решаются обратные задачи о положениях, скоростях и ускорениях.

Вычислив обобщенные скорости и ускорения, можно найти скорость и ускорение любой точки любого звена манипулятора.

Для расчета звеньев манипулятора на прочность, а также для расчета электроприводов и магнитных подшипников необходимо знать внешние силы, приложенные к звеньям, сипы реакций в КП и силы инерции. Для расчета сил' инерции и реакций необходимо знать распределение масс звеньев и приводов манипулятора. Но на начальном этапе проектирования эти массы нам неизвестны. Более того, именно их мы и собираемся определить. Поэтому процесс выбора параметров звеньев н приводов оказывается итерационным. Для уменьшения количества итераций важно правильно выбрать начальное приближение. При традиционном проектировании конструктор, как правило, выбирает начальные параметры звеньев, исходя из предыдущего опыта. Автором разработан метод приближенного расчета параметров звеньев, приводов и магнитных подшипников, основанный на статическом расчете манипулятора на жесткость. Его результаты являются хорошим начальным приближением для последующего итерационного расчета.

В качестве исходных данных для приближенного расчета используются:

— структура кинематической цепи манипулятора;

— типы подшипников;

— длины звеньев;

— форма сечений звеньев;

— материал звеньев;

— обобщенные скорости н ускорения;

— масса схвата с грузом;

— допустимый прогиб на конце схвата.

В результате расчета определяются предварительные значения требуемых размеров сечений звеньев, грузоподъемностей подшипников, моментов двигателей, а также масс звеньев, ЭМП'м двигателей. Используя результаты эгого расчета, можно состарить для всех звеньев матрицы инерции и провести расчет сил инерции и реакций в КП. Далее можно провести более точный расчет параметров звеньев, приводов и подшипинхов. Это, в свою очередь, позволит уточнить матрицы инерции звеньев и повторить расчеты, добиваясь минимальной погрешности. Поскольку у нас имеется хорошее начальное приближение, то итерации сходятся очень быстро.

Определив массы всех элементов манипулятора, моэдю найти полную массу манипулятора и его удельную грузоподъемность. Цычислив удельную грузоподъемность дня всех вариантов конструкции манипулятора, можно сравнить эти варианты по критерию удельной грузоподъемности и выбрать наилучший.

Таким образом, мы окончательно определили дайны звеньев, при которых манипулятор обладает заданной достижимостью и максимальной удельной грузоподъемностью, а также рассчитали основные параметры элементов манипулятора. Далее проводится расчет точности и разрешающей способности манипулятора, точнее, находятся такие параметры элементов манипулятора, при которых он будет соответствовать требованиям по точности и разрешающей способности. Расчет точностных параметров манипулятора не имеет каких-либо особенностей. Расчет разрешающей способности сводится к определению углов шага приводов, при которых достигается требуемая разрешающая способность схвата манипулятора. При этом используется полученная автором формула для пересчета плотности расположения точек позиционирования схвата в разрешающую способность, что обеспечивает огромную экономию машинного времени.

а-3-

а)

6)

Рио.6. Варианты структуры КЦ манипулятора.

С помощью созданной модели было проведено исследование "чистых" манипуляторов, структура КЦ которых показана на рис. 5. Анализ результатов моделирования позволяет сделать следующие выводы:

1) При фиксированном обьеме РП наблюдается сильная корреляция между и общей массой манипулятора (рис. 6);

2) Минимальная общая масса и максимальный /^„достигаются для КЦ рис. 3, а. при условии а1+а2+аЗ=а4+а5 (а-длина звена);

3) Максимально возможный К^, для данной структуры КЦ около 0.5;

4) Минимальная общая масса достигается, когда а4=а$ или же а4 чуть меньше, чем а5\

5) Минимальная общая масса достигается, либо когда а1, а2 и аЗ равны, либо

Масса, кг 160

175

170

165

160

155

Зависимость массы шнипупштзроо сгг ККРЛ

• ♦ *

--

?

I I ---- • • « 1

0,1

0,2

0,3 ККРП

0,4

0,5

0,6

Рис. 6

когда а1 ~а2, а аЗ чуть меньше, либо когда а2 = аЗ , а а1 чуть больше.

Таким о6разом1 результаты, полученные при математическом моделировании, позволяют разработать методику вы-бора длин звеньев "чис-того" манипулятора, при которых обеспечивается его максимальная удельная грузоподъемность:

1) Поскольку максимальный К^, составляет около 0.5, то по заданному объему рабочего пространства находим полную длину манипулятора:

2) Из условия обеспечения максимального приравниваем длину трех первых звеньев к длине двух последних звеньев:

3) Из того же условия обеспечения максимального К^щ задаем днину каждого звена согласна соотношениям

4) Полученные длины звеньев округляем, используя выводы 4) и 5) (см. выше).

5) После того, как выбраны важнейшие параметры манипулятора — структура его кинематической цегш и длины звеньев, определяем остальные параметры манипулятора (грузоподъемность подшипников, моменты приводов, сечения звеньев и т. д.) по описанным выше алгоритмам.

Поскольку длины звеньев уже выбраны, то оптимизацию проводить ие нужно и расчет проводится только один раз. Это означает огромную экономию машинного времени, так как нет необходимости анализировать сотни конструкций. Поэтому результаты проведенного исследования имеют значительную практическую ценность.

Исследования показали также, что общая масса "чистого" манипулятора очень быстро увеличивается с увеличением числа звеньев. Так, если пятизвенный манипулятор весит около 150 кг, то четырехзвенный манипулятор той же грузоподъемности и с тем же объемом рабочего пространства весит менее 50 кг, а трехзвенный — около 15 кг. Из этого следует, что необходимо

а1 + а2+аЗ =а4 + а5 -1/2

стремиться к уменьшению чися? звеньев манипулятора. Однако количество звеньев манипулятора зависит от конструкции загрузочного устройства, в котором он работает, и от требований к кинематике объекта манипулирования. Таким образом, для уменьшения числа степеней подвижности манипулятора необходимо соответствующим образом конструировать загрузочные устройства.

Расчет оптимальных по критерию максимальной удельной грузоподъемности длин звеньев трехзвенного манипулятора во многом аналогичен приведенному выше расчету для пятизвенного манипулятора.

I) Максимальный составляет около 0.5 и достигается при условии а/ + а2 - аЗ. Поэтому по заданному объему рабочего пространства находим полную длину манипулятора:

2) Из условия обеспечения максимального К^ приравниваем длину двух первых звеньев к длине последнего звена:

3) Из того же условия обеспечения максимального КррП задаем длину каждого звена согласно соотношениям

4) Полученные длины звеньев округляем.

5) После того, как выбраны важнейшие параметры манипулятора — структура его кинематической цепи и длины звеньев, определяем остальные параметры манипулятора (грузоподъемность подшипников, моменты приводов, сечения звеньев и т. д.) по описанным выше алгоритмам.

Разработанные методики и приведенные рекомендации позволяют легко и быстро выбирать структуру и основные параметры манипулятора, обеспечивающие в конечном итоге его максимальную удельную грузоподъемность. Элементы описанной методики были внедрены на НПО "Калькулятор" при разработке системы транспортирования для участка производства жидкокристаллических индикаторов

а!+а2=аЗ =1/2

а1*а2*Ь/4, аЗ*>Ь/2.

Общие выводы.

1) Проведен научно обоснованный анализ перемещений полупроводниковых пластин в процессе производства, который выявил наиболее уязвимые позиции с точки зрения возможных загрязнений и показал, что вероятность загрязнения поверхности пластины особенно велика при переукладке пластин из транспортного носителя в технологический либо непосредственно на позицию обработки.

2) Проведен анализ конструкции традиционных манипуляторов — переукладчиков пластин с целью выделения основных источников пылегенерации. Установлено, что основными источниками пылегенерации являются трущиеся пары: щеточно-коллекторные узлы электродвигателей, подшипники шарниров, редукторы.

3) Проведен анализ существующих методов уменьшения пылегенерации традиционных манипуляторов. Показано, что они не, дают желаемых результатов при переходе к субмикронной технологии производства СБИС.

4) Сформулированы требования к манипуляторам, предназначенным для работы в чистых производственных помещениях, которые требуют отказа от использования трущихся пар. Предложены технические решения, позволяющие создать манипулятор, не имеющий трущихся пар.

5) Проведен анализ существующих типов бесконтактных опор. Показало, что наиболее перспективными для применения в "чистых" манипуляторах являются активные электромагнитные подшипники.

6) Разработаны и реализованы на ЭВМ математические модели основных типов электромагнитных подшипников, позволяющие детально исследовать свойства и оптимизировать параметры основных типов электромагнитных подшипников.

7) С помощью математических моделей исследованы свойства электромагнитных подшипников различных типов. Установлено, что наиболее подходящими для использования в "чистых" манипуляторах являются осевые магнитные подшипники, а из радиальных — четырехполюсныё магнитные подшипники, так как они обладают наибольшей удельной грузоподъемностью.

Даны рекомендации по выбору оптимальных параметров электромагнитных подшипников различных типов.

8) Проведен анализ электродвигателей различных типов с точки зрения возможности их использования в приводе "чистых" манипуляторов. Показано, что наиболее подходящими дня этой цели являются высокомоментные шаговые двигатели.

9) Разработана и реализована на ЭВМ математическая модель кысохомоментных шаговых двигателей. Проведено исследование их свойств, даны рекомендации по оптимальному выбору некоторых параметров их конструкции (число пар полюсов, число зубцов статора и ротора и др.).

10) Сформулирован критерий оптимизации)« конструкции манипуляторов — получение максимальной удельной грузоподъемности. Обоснован выбор оптимальной структуры КЦ "чистого" манипулятора с учетом различия свойств радиальных и осевых ЭМП.

11) Разработана и реализована на ЭВМ математическая модель "чистого" манипулятора. С ее помощью исследованы характеристики "чистых" манипуляторов. Особое внимание уделено одному из наиболее важных й наименее изученных этапов проектирования манипуляторов — обоснованному выбору оптимальных длин звеньев. Кроме того, предложен алгоритм приближенного расчета распределения масс манипулятора, результаты которого являются очень хорошим приближением для итерационного расчета реакций в кинематических парах и силового расчета звеньев и приводов.

12) На основе результатов математического моделирования разработана методика инженерного расчета "чистых" манипуляторов и даны рекомендации по выбору длин звеньев "чистого" манипулятора, по критерию максимальной удельной грузоподъемности.

13) Установлено, что при увеличении числа звеньев "чистого" манипулятора очень быстро растет его полная масса. Обоснована необходимость модернизации конструкции загрузочных устройств с целью уменьшения требуемого числа степенен свободы схвата манипулятора. Предложен вариант модернизированной загрузочной камеры, для обслуживания которой требуется трехзвеиный манипулятор вместо обычного

пятизвенного, при этом масса манипулятора уменьшается примерно в десять

раз.

14) Разработанные методики и алгоритмы и созданные на их основе программы были внедрены на НПО "Калькулятор" и были использованы при разработке системы транспортирования дня участка производства жидкокристаллических индикаторов. Расчетный экономический эффект, подтвержденный актом внедрения, составляет 60 миллионов рублей в ценах 1997 года.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ АВТОРОМ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Березин А. С., Ермаков С. А., Меркушев О. М. Применение глобальных оценок собственных свойств манипуляционных систем промышленных роботов! как критериев оптимизации в САПР. // Материалы Московской конференции "Студенческая научная осень — 94", часть 3 "Автоматика н электроника", с. 23 — 26, — Москва, МИФИ, 1995г.

2. Меркушев О. М., Березин A.C. Роботизация производства СБИС. //Материалы Российской конференции АСИНКОМ, нюнь 1995 г.

3. Редин В. М., Березин А. С., Меркушев О. М. Система комплексного проектирования кинематических цепей промышленных роботов для кластерного оборудования микроэлектроники. //Тезисы доклада на Российской конференции с участием зарубежных ученых "Микроэлектроника — 94", М., 1994,4.1.

4. Меркушев О. М., Березин А. С. Методы снижения пылегенерации промышленных роботов и технологического оборудования для чистых производственных помещений. //Тезисы докладов на Межвузовской НТК "Микроэлектроника и информатика - 95", Москва, МИЭТ, 1995г.

5. Березин А. С., Меркушев О. М. Система математического моделирования конструкций роботов-манипулятороз на уровне кинематических цепей. //Тезисы докладов на Межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика — 95", Москва, МИЭТ, 1995г. —С. 149-150

6. Ермаков С. А., Березин А. С., Меркушев О. М. Выбор модели промышленного робота для заданного технологического процесса.

//Тезисы докладов на Межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатике — 95", Москва, МИЭТ, 1995г.

8. Меркушев О. М. Математическое моделирование промышленных роботов для чистых производственных помещений/ЛГезисы доклада на Межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика — 96", Москва, МИЭТ, 1996г.— С. 124.

9. Меркушев О. М. Многокритериальная оптимизация параметров кинематических цепей промышленных роботов. // Тезисы докладов на Межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика — 97" , Москва, МИЭТ, 1997г.—С. 174

10. Меркушев О. М., Гусев В. В. Математическое моделирование электромагнитных подшипников для технологического оборудования микроэлектроники. //Тезисы докладов Второй Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Электроника н информатнка-97". В 2-х частях. Ч. I, — С. 192.

11. Меркушев О. М., Гусев В. В. Особенности использования магнитных подшипников для уменьшения пылегеиерпцин в технологическом оборудеванни.//Сб. научных трудов МИЭТ, 1998 г. (в печати)

Иакач 28 Тираж 80 Объем 0.9 уч. изд. л.

Отиечшапо >' пшш рафии МИЭТ