专用机械手设计Word文档格式.docx
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关键词：
机械抓手；
薄硅片；
红外热成像
TheDesignofManipulater
Abstract
Duringthecourseofmanufacturinginfraredthermalimagingbottompiece,weshoulddoaseriesofprocessonbottompiece–silicondie.Theprocessesinclude:
filming,photographicfixing,visualizing,photoengravingandsoon.Thisisaveryrefinedcourse.Silicondieshouldbegelatinizedagainandagain.Firstlyweshoulddropmucilageontothesilicondie;
secondlystartthecentrifugetospreadthemucilageontothesiliconevenly;
thirdlyplacethesilicondiehavingbeengelatinizedwherethetemperatureamounttothreehundreddegreecentigrade;
finallythesilicondieshouldbepickedupandmanufacturedsecondroundasabove－whirlcoating,heattreatment.Aswesee,thesilicondieshouldbepickedup,letdown,andmovedagainandagain.Therearealotofshortcomingifmanhandlethiscoursesuchasthelowworkefficiency,qualityfluctuationandthehighdefectiveratebecausewecanhardlyavoidtotouchthesurfaceofthesilicondiehavingbeengelatinized.Sometimes,theworkercanbescaldedbyanypossibilitywhilehetakesthesilicondiefromtheplacewherethetemperaturegetstothreehundreddegreecentigrade.Theindustrialrobotisabletocarrygoodsandmanipulateinstrumentautomaticallyaccordingtopreestablishedprocedure.Itcanpartlysubstitutehumantodosomeheavy、riskyandsimpleworksuchasportage、handing、assemblyandsoon.Toimprovetheproductivityandthequalityoftheproductionandtopreventhumanunexpectedaccidentandensuresafetyinproduction,weplanetocompletethecourseautomatically.Inthispaper,wearegoingtodesignaspecialmachineelbowtograbandreleasethesilicondie.
Keywords:
mechanicalfinger；
silicondie；
infraredthermalimaging；
主要符号表
F作用力
Pa标准大气压
β负载率
Cf弹簧刚度
G剪切模量
P压强
n弹簧的有效圈数
Q耗气量
1绪论
1.1课题的背景及研究意义
光刻的本质是把电路结构复制到以后要进行刻蚀和离子注入的硅片上。
首先以图形形式制作在掩模板上。
紫外光透过掩模板把图形转移到硅片表面的光敏薄膜，光学光刻是通过光学系统以投影方法将掩模上的大规模集成电路器件的结构图形“刻”在涂有光刻胶的硅片上。
光刻技术包括光刻机、掩模、光刻胶等一系列技术，涉及光、机、电、物理、化学、材料等多个研究领域。
目前科学家正在探索波长更短的F2激光光刻技术。
光刻技术是开发新型CMOS制造工艺中的闸控功能。
所有半导体制造商都采用相同的光刻工具，但使用工具的方法则根据制造商的专业技术及相关要求而有所差异。
在摩尔定律的指引下，半导体工业每两至三年就跨上一个新的台阶，即所谓的半导体技术发展路线图。
预计2009年进入90nm节点器件的批量生产，到2014年为65nm。
然而这一切变化的关键是光刻技术，所以人们称光刻技术是半导体工业的“领头羊”。
一般的光刻是显影后图形出现在硅片上，然后用一种化学刻蚀工艺把薄膜图形成在下面的硅片上，或者被送到离子注入工作区来完成硅片上图形区可选择的掺杂。
转移到硅片上的各种各样的图形确定了器件的众多特征。
光刻处于硅片加工过程中的中心。
光刻技术要应用光敏光刻或光刻胶，它们作为一种聚合可溶解物被涂在衬底表面，然后光刻胶被烘焙除去溶剂，下一步再将其用受控的光线曝光。
光透过确定了所需图形的投影掩模板。
光刻胶是涂在硅片表面上的临时材料，仅是为了必要图形的转移，一旦图形经过刻蚀或离子注入，就要被去掉。
光刻的第一步是清洗，脱水和硅片表面成底膜处理，是为了增强硅片和光刻胶之间的粘附性。
硅片上的沾污物会造成光刻胶与硅片的粘附性很差。
所以在进入光刻工艺的硅片刚完成氧化或淀积前要处于洁净状态。
光刻胶粘附要求很严格的干燥表面，而硅片具有亲水性，曝光在潮气中容易吸附潮气。
光刻胶涂胶两个重要的涂胶是：
在硅片表面上得到均匀的胶膜覆盖，在长时间内得到硅片间可重复的胶厚，它的步骤为：
分滴—当硅片静止或旋转得非常慢的时候，光刻胶被分滴在硅片上。
滴胶的方式根据参数而变化，静止滴胶后硅片首先低速旋转，使光刻胶均匀铺开，一旦光刻胶到达边缘，转速被加速到设定的转速（通常最终转速为4000rpm）。
另外一种方法是在硅片慢速旋转（100—200rpm）时滴胶。
涂胶量很大程度上取决于光刻胶的粘度。
另外厚度和均匀性。
是非常关键的质量参数，对于光刻胶最关键的参数是转速和粘度，粘度越高转速越低，光刻胶就越厚。
在对硅片涂胶的时候，要反复地将硅片从一个工作台移至另一个工作台。
人工操作此过程，在过去暴露出了不少的问题，工作效率低，质量不够稳定而且出现了不少有瑕疵的产品。
这是因为在人工操作过程中偶尔难免要触及到涂了胶的硅片上表面。
有时工人从高温处取硅片时也会烫伤自己。
为了提高生产效益安全生产，拟设计一个专业机械手将以上工序自动完成。
1.2国内外工业机械手的发展状况
机器人技术的研究开发始于60年代，随着经济的不断发展，计算机和电力电子、微电子、控制等技术的快速进步，机器人技术获得了飞跃发展，已经成了制造业中不可代替的重要装备和手段，同时也成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。
据世界机器人联合会统计和预测，截至1996年，全世界机器人使用台数达67.7万台；
其中日本为近40万台，美国7万台，德国6万台。
国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：
（1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降。
（2）机械结构向模块化、可重构化发展。
例如由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。
（3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化，网络化；
器件集成度，控制柜日见小巧，而且模块化结构。
（4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而控制机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多种传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；
多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
（5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
（6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制。
我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。
但总体看来，我国的工业机器人技术及工程应用水平和国外比还有一定的距离，如：
可靠性低于国外产品；
机器人应用工程起步较晚，应用较窄，生产线系统技术与国外比有差距；
在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。
以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。
因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系统化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。
2机械手的总体方案设计
2.1机械手的一般要求及常见种类
工业机械手是一种按预先设定的程序来搬运物品或操纵工具的自动化装置，可以部分地代替人在工业生产中进行繁重、危险和简单重复的工作，解决工件的搬运、装卸、焊接等作业，使单机自动化或将单机连成自动生产线实现生产的自动化。
工业机械手并能在高温、高压、低温、低压、粉尘大、有毒、及放射性环境中工作。
工业机械手一般由抓取机构、手腕、手臂、立柱、驱动系统和电控系统组成。
有的还带有行程检测系统及传感器等。
抓取机构能抓放工件或操纵工具。
手腕可以回转及摆动，手臂可以前后伸缩、上下升降、左右回转。
因此，机械手能完成类似人手的某些动作。
当我们按工作需要给机械手的电控系统编好动作程序，机械手就能自动按编定的程序周而复始地搬运工件或完成其他作业要求。
机械抓手是机械手中具体实现抓取动作的部分。
它主要包括手指和夹紧装置两部分。
它抓取工件的速度、准确与牢靠的程度，都直接影响到机械手的性能，因此在设计抓手时有以下要求：
（1）要具有足够的夹紧力。
机械手在抓取工件后，要受到工件自重以及在传送过程中或操作过程中的惯性力和振动等因素的影响。
为防止工件松动或脱落，抓取机构必须具有足够的夹紧力。
（2）要具有足够的夹持范围。
卡爪的开闭角度应与工件的形状和尺寸相适应。
（3）要具有一定的精度。
（4）抓取机构的夹持动作要求迅速、灵活。
（5）其他要求。
卡爪部分的结构要简单紧凑，强度刚度要好，自重要轻；
卡爪夹块应考虑到磨损后能更换；
抓取机构在手腕（或手臂）上安装要方便，更换迅速等。
由于抓取工件的类型、方式不同，抓取机构的种类也就不同，常见的有以下几种：
（1）机械卡爪式。
卡爪是爪形的夹钳，利用其指形卡爪（双抓或多抓）将工件夹持。
按卡爪的动作可分为回转型和平移型。
按夹持的工件种类可分为外卡式（如抓取轴类、盘类、套类等工件）和内涨式（如抓取盘类及套类工件）。
按手指的数量可分为双指和多指的。
这种机械式卡爪是目前应用最广泛的一种。
（2）吸盘式。
抓取机构采用橡皮碗或软性塑料碗，利用真空泵吸气、负压吸气或其他形式吸气，将板类工件吸住和放松。
吸气式抓取机构，在电机、搪瓷、印刷等行业使用较多。
本机械手的抓取对象是一个直径50±
0.1mm,厚度为0.5mm的薄硅片，一般情况下采用吸盘式是最为合理的，因为硅片的质量轻，而且也是板状工件。
但由于对硅片的加工是在高温环境下进行的，且要求抓手不能碰到硅片的一个涂胶表面。
一般的吸盘式抓手是不能胜任这一工作的。
所以，我们选用了机械卡爪式抓手。
2.2传动形式的选择
在动力的选择上我们选用气体动力驱动机械抓手，因为与别的传动技术相比它有以下优点[1]:
（1）以空气为工作介质，较容易取得，用后的空气排到大气中，处理方便，与液压传动相比不必设置回收油的油箱和管道。
（2）因为空气的粘度小，其损失也小，所以便于集中供气、远距离输送。
外泄露不会像液压传动那样，对环境污染严重。
（3）与液压传动相比，气体动作迅速、反应快、维修简单、工作介质清洁、不存在介质变质及补充等问题。
（4）工作环境适应性强，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中，比液压、电子、电气控制优越。
（5）成本低、过载能自动保护。
硅片涂胶工艺是在防尘，防污染的环境中进行，而且抓取硅片时所需的力也不大。
故采用气压驱动。
2.3机械手结构形式的构思
既然本机械抓手要用气动，则在机构中就少不了活塞和钢筒。
这是将气体动力转变为机械动力的必要转换装置。
动力问题解决后就要确定具体如何抓取硅片，因为硅片的一个表面是要反复涂胶的，别的装置是决不能碰到这个表面的。
图2.1壳体
故只有从硅片的非涂胶表面着手考虑[2]。
在日常生活中我们都非常熟悉用铁锨铲东西的过程。
在这个过程中，由于铁锨是很薄的，另一方面铁锨在推力的作用下紧贴地面滑行。
故而很容易伸进地面与被铲物体之间。
我们可以仿照此过程也做上很薄的铲子从硅片的下表面将硅片铲起。
但另一方面由于硅片很轻，当铲子紧贴工作台铲取硅片时，硅片有可能在铲子推力的作用下随铲子一块儿向同一个方向运动。
这样铲子是不能将硅片铲起的。
为了解决这个问题，我们可以设计一个限位的东西，在铲子伸进硅片下表面之前，先将硅片限定于某一具体位置。
在此机械抓手中，我们设计了三个限位块，它们互成120度地均匀地去接触硅片的边缘，并将硅片限定于由这三个接触点所确定的圆内。
这样当铲子运动过来时，硅片就会自动地向上移动，使铲子顺利地伸进硅片的下表面。
并且在抓手随别的装置移动时，限位块也起到了夹紧硅片的作用。
基于上面的构思，如图2.1我们设计了这样一个骨架。
在薄圆柱上互成120度地伸出了三个爪，在这三个爪的中心都有光孔。
这三个光孔是用来安装活塞的。
在这个骨架内铣出一定的气体通道，以使气泵压力可作用于活塞。
这样活塞就可以往复运动了。
但如何利用活塞带动铲子运动呢？
我们可以在这三个爪上铣三个槽，然后设计一个恰当的东西并把它装卡于槽中所露出来的活塞上[3][4]。
这样用螺钉紧固于该装置上的铲子也就可以随活塞一起运动，从而实现了对硅片的抓取和释放。
骨架中心预留有孔，这是为了将整个机械手方便地安装于别的装置上而设计的。
3零件的设计
3.1常用公差介绍
在零件的设计过程中，配合尺寸，公差的选取一直以来都是重点也是难点。
下面就将本设计中用到的配合及公差作以介绍，见表3.1。
表3.1常见公差示例[5]
特征
项目
公差带定义
示例
说明
直
线
度
1.在给定平面内，公差带是距离为公差值t的两平直线之间的距离
圆柱面上任意素线必须位于距离为公差值0.02mm的两平行直线之间
2.在任意方向上，公差带是直径为公差值t的圆柱内的区域
圆柱的轴线必须位于直径为公差值0.04的圆柱面内
平
面
公差带是距离为公差值t的两平行平面之间的区域
被测平面必须位于距离为公差值0.02mm的两平行平面内
圆
公差带是在同一正截面上半径差为公差值t的两同心圆之间的区域
被测圆锥面任一正截面上的圆周必须位于半径差为公差值0.02mm的两同心圆之间
柱
公差带是半径差为公差值t的两同轴圆柱面之间的区域
圆柱面必须位于半径差为公差值0.02mm的两同轴圆柱面之间
行
1.在给定方向上,共差带是距离为公差值t，且平行于基准平面（或直线，轴线）的两平行平面之间的距离
上表面必须位于距离为公差值0.02mm且平行于基准平面A的两平行平面之间
2.在任意方向上公差带是直径为公差值t,且平行于基准线的圆柱面内的区域
Фd2的轴线必须位于距离为公差值0.1mm，且平行于基准轴线A的圆柱面内
垂
1.在给定方向上公差带是距离为公差值t,且垂直于基准线的两平行平面之间的区域
左侧端面必须位于距离为公差值0.05mm，且垂直于基准轴线A的圆柱面内
2.在任意方向上公差带是直径为公差值t,垂直于基准面的圆柱面内的区域
Фd的轴线必须位于直径公差值为Ф0.05mm,且垂直于基准平面A的圆柱面内
同
轴
公差带是直径为公差值t的圆柱面内的区域，该圆柱面的轴线与基准轴线同轴
Фd3的轴线必须位于直径公差值Ф0.1mm，且与公共轴线A-B同轴的圆柱面内
对
称
公差带是距离为公差值t,且相对基准平面对称配置的两平行平面之间的区域
键槽的中心平面必须位于距离为公差值0.1mm的两平行平面之间，且该两平行平面对程于基准轴线两侧
跳
1.径向圆跳度
公差带是在垂直于基准轴线的任意测量平面内，半径为公差值t,且圆心在基准轴线上的两同心圆之间的区域
圆柱面绕基准轴线A旋转一周时，在任一测量平面内的径向圆跳动量不得大于0.02mm
2.端面圆跳度
公差带在与基准同轴的任意半径位置的测量圆柱面上距离为t的两圆之间的区域
被测面围绕轴线旋转一周时，在任一测量圆柱面内轴向的跳动量不得大于0.02mm
3.2公差的选择
机械产品设计中，合理确定形位公差，是关系到实现设计的目的和生产经济性的问题。
位置公差的公差带包容整个被测要素，位置公差确定后,当作用上已能够控制规定的形状误差且能满足使用要求时，一般不再提形状误差的要求；
在具体选择设计的零件公差时,首先，在根据零件的使用要求提出形位公差，在不影响使用的情况下，应考虑加工设备，加工工艺、检测等的经济合理性；
对一般零件相对尺寸精度，形位公差精度要求较低，形位公差能被尺寸公差控制，可不再提出形位公差；
在选用形位公差时还应随时考虑独立原则和相关原则及最大实体原则[6][7]。
1.形状公差和位置公差的关系及选择
由于位置公差是关联实际要素的方向或位置对基准所允许的变动全量，而形状公差是单一实际要素的形状所允许的变动全量，位置公差的公差带包容整个被测要素。
因此，在很多情况下，位置公差是能够控制形状误差的。
如在定位公差中，同轴度可以控制轴线的形状误差，对称度和位置度可以控制平面度误差。
又如在跳动公差中，端面全跳可以控制平面度误差，径向全跳动可以控制圆度、直线度、圆柱度误差。
所以，在确定形状公差和位置公差过程中，一旦位置公差给定后，当作用上已能够控制相应的形状误差，且能满足使用要求时，就不必再提形状公差的要求。
2.圆柱度与圆度、直线度的选择
圆度公差控制回转体垂直于轴线正截面内的形状误差；
素线直线度公差控制圆柱体轴线方向截面内的形状误差；
圆柱体公差用来控制任一正截面和轴线方向截面的形状误差。
因此，圆柱度公差完全能控制圆度和素线直线度公差。
当回转体给定了圆柱度公差后，一般就不必再给出圆度或素线直线度公差要求。
当然，从检测角度来考虑，圆柱度的检测比圆度与直线度困难。
所以，对于一般精度的圆柱体零件，还是用圆度与直线读来控制为好。
3.圆柱体素线直线度与轴线直线度的选择
圆柱体素线直线度公差用来控制圆柱面上素线的形状误差；
轴线直线度公差用来控制圆柱体轴线的形状误差。
尽管它们控制的被测要素不同，但它们之间是有联系的，即当圆柱体轴线存在直线度误差时，一定存在素线直线度误差，且素线直线度误差要大于轴线直线度误差。
相反，当圆柱体上存在素线直线度误差时，圆柱体轴线直线度误差可能很小，甚至为零。
因此，素线直线度公差可以控制轴线的直线度误差，而轴线直线度公差则不能控制素线直线度误差。
所以，圆柱体零件如有直线度公差要求时，多数标注素线直线度。
一旦确定了圆柱体的素线直线度，就不要再给轴线直线度公差。
在具体选用这两项公差时，还应根据具体情况来决定。
例如，只允许外凸或内凹时，只能选用素线直线度公差，对于较长的圆柱体零件，当长度与直径之比大于8～10时，工艺上不易保证其轴线直线度，此时应给出轴线直线度公差。
4.端面圆跳动与垂直度的选择
端面圆跳动公差，是在与基准轴线同轴的任一直径位置的测量圆柱面上，沿母线方向、宽度为t公差值的圆柱面区域。
从定义看出，端面圆跳动不仅反映端面的任一圆周上各点沿轴线相对的位置关系，而且也能反映该圆周对基准轴线的垂直关系。
但是它仅能反映端面上任一圆周对基准轴线的垂直关系，却不能反映整个端面对基准轴线的垂直关系。
只有垂直度才能反映整个端面对基准轴线的垂直关系，端面对基准轴线的垂直度是端面位置（端面圆跳动）和形状（平面度）误差的综合反映。
显然，端面圆跳动误差为零的零件，其垂直度误差仍可能存在，相反，垂直度误差为零的零件，其端面跳动也等于零。
所以，如果采用端面圆跳动来代替垂直度公差要求，其结果会降低精度，不能满足使用要求。
但从检测的角度来看，端面圆跳动的检测较垂直度检测简单得多。
因此在选用这两个项目时，应分析零件的作用。
如果端面对基准的垂直度精度要求不高的零件，如齿轮毛坯或一般起固定联接作用的端面，以及低速运动旋转轴上的轴肩等，应优先选用端面圆跳动。
对垂直度有一定要求的零件，如车床花盘、立式车床工作台等，则必须注出垂直度公差要求。
5.径向圆跳动与同轴度的选择
同轴度是指基准线和被测轴线之间的位置关系；
径向圆跳动是指被测旋转体表面在同一横截面内实际表面是各点到基准轴线间距离的最大变动量，两者所控制的要素不同。
但是，径向圆跳动是一项综合性误差，它不仅包括被测轴线对基准轴线的平移和倾斜及轴线弯曲等同轴度误差，还包括同一横截面的圆度形状误差。
所以，径向圆跳动与同轴度之间也有密切联系。
当圆柱面轴线对基准轴线有同轴度误差时，即使形状误差为零，也有径向圆跳动，且圆跳动误差等于或大于同轴度误差。
相反，当存在径向圆跳动误差时，同轴度误差可能很小，甚至为零。
从检测的角度来看，检测径向圆跳动误差方法
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