基于連桿理論的裝載端口開門機(jī)構(gòu)設(shè)計與運動學(xué)仿真

褚金錢 徐 方

1.中科院沈陽自動化研究所機(jī)器人國家重點實驗室，沈陽，110016 2.中國科學(xué)院研究生院，北京，100049

0 引言

集成電路制造業(yè)的特點是超精密化、超潔凈環(huán)境和細(xì)微化，加工工藝涉及近百道工序，其中有許多重要的工藝環(huán)節(jié)需要在真空環(huán)境下完成。加工過程中，硅片需要在生產(chǎn)線上不同的工藝加工模塊之間進(jìn)行高效的傳輸和定位，半導(dǎo)體設(shè)備前端模塊（equipment front－end module，EFEM）是完成這一任務(wù)的關(guān)鍵裝備。

裝載端口由支撐系統(tǒng)（符合BOLTS—M標(biāo)準(zhǔn)）、開盒裝置、映射定位系統(tǒng)等組成，其主要功能是通過開盒裝置實現(xiàn)晶圓盒的開門動作，同時映射定位系統(tǒng)掃描晶圓盒里的晶圓位置信息，并將此位置信號反饋給半導(dǎo)體設(shè)備前端模塊的控制系統(tǒng)。

目前，國外科研單位主要從事裝載端口的晶圓盒夾緊機(jī)構(gòu)、晶圓盒門的吸附方式和開鎖機(jī)構(gòu)、晶圓掃描的算法優(yōu)化等方面研究，對裝載端口開盒裝置和映射定位系統(tǒng)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)的研究相對較少，且主要采用傳統(tǒng)的氣缸驅(qū)動方式。該驅(qū)動機(jī)構(gòu)需要3個氣缸來執(zhí)行動作，具有氣缸數(shù)量多、占用空間大、動作復(fù)雜、不易控制等缺點。

根據(jù)裝載端口開盒裝置和映射定位系統(tǒng)動作執(zhí)行的功能需求，筆者運用結(jié)構(gòu)設(shè)計的型綜合理論，將平行四連桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)串聯(lián)起來作為裝載端口開盒裝置、映射定位系統(tǒng)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。利用MATLAB仿真組件中的SimMechanism模塊建立機(jī)構(gòu)運動學(xué)仿真模型，得到開盒裝置的運動軌跡，并將其與傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)仿真模型的運動特性曲線進(jìn)行比較。

1 建立傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的Simulink模型

EFEM主要包括支撐殼體、操作機(jī)械手（安裝有校平螺釘）、機(jī)械手移動單元、預(yù)對準(zhǔn)器、裝載端口組件等，裝載端口組件是EFEM中非常關(guān)鍵的部分，如圖1所示。

目前，國內(nèi)對EFEM的研究基本上處于起步階段，半導(dǎo)體生產(chǎn)線的自動化設(shè)備（如裝載端口）幾乎都靠引進(jìn)國外產(chǎn)品，因此對其研究就顯得非常重要。

如圖2所示，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的裝載端口采用對射式光纖傳感器，由3個氣缸分別驅(qū)動開盒裝置和映射定位系統(tǒng)運動。在運動形式上，它們包括1個沿豎直方向的直線運動和2個繞支點A的旋轉(zhuǎn)運動。運用 MATLAB中的Simulink／Sim－Mechanism建立機(jī)構(gòu)運動的模型（圖3），根據(jù)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中開盒機(jī)構(gòu)和映射定位系統(tǒng)動作執(zhí)行的工作空間要求來設(shè)置模型中機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)。

圖1 EFEM結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳統(tǒng)的裝載端口結(jié)構(gòu)圖［1］

根據(jù)機(jī)械手抓取晶圓的工作空間要求，設(shè)置Simulink模型中的控制信號（圖4）來保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確地模擬運動軌跡。開盒裝置的運動軌跡由1個繞支點A的轉(zhuǎn)動和1個沿豎直方向的移動共同實現(xiàn)，故只需2路位移控制信號。圖4中的Y1、Y2為裝載端口的2路位移控制信號（分別驅(qū)動門繞支點的轉(zhuǎn)動和沿豎直方向的升降）。通過微分模塊對這2路位移信號進(jìn)行一次微分、二次微分處理就可以獲得與之對應(yīng)的速度曲線、加速度曲線，然后用Mux模塊合成位移信號、速度信號和加速度信號，并以此作為仿真模型的控制信號來驅(qū)動機(jī)構(gòu)運動。因為MATLAB工作空間中只能處理n×2（行數(shù)為n，列數(shù)為2）的矩陣，即我們需要對位移曲線信號進(jìn)行矩陣運算后才能把它作為激勵信號輸出到SimMechanism模型中。

圖3 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的裝載端口模型圖

圖4 位移控制信號

2 基于連桿理論的Simulink模型

如圖2所示，裝載端口的開門機(jī)構(gòu)主要用來執(zhí)行晶圓盒門的開啟、關(guān)閉操作，驅(qū)動映射定位系統(tǒng)的對射式光纖傳感器沿豎直方向移動來獲取晶圓盒里的晶圓位置信息。晶圓盒門開啟后，開門機(jī)構(gòu)執(zhí)行如下動作：驅(qū)動晶圓盒門下降至映射定位系統(tǒng)起始位置處→映射定位系統(tǒng)向前運動伸進(jìn)晶圓盒內(nèi)→驅(qū)動映射定位系統(tǒng)掃描晶圓盒里的晶圓位置信息→映射定位系統(tǒng)機(jī)械手做縮進(jìn)運動退出晶圓盒→驅(qū)動晶圓盒門下降至完全開啟位置處。至此開門機(jī)構(gòu)完成整個開門動作。反之，按照逆序執(zhí)行該流程來完成關(guān)門動作。

在設(shè)計開門機(jī)構(gòu)時，要求開門機(jī)構(gòu)能執(zhí)行晶圓盒門的開啟、關(guān)閉操作并驅(qū)動映射定位系統(tǒng)掃描晶圓盒里的晶圓位置信息。上述任務(wù)過程執(zhí)行中，要求相關(guān)操作能夠有序、準(zhǔn)確進(jìn)行，各種動作之間不會相互干涉，能滿足各動作的執(zhí)行精度要求，且具有很好的柔順性，以便完成晶圓的工藝處理過程。與此同時，開門機(jī)構(gòu)相對整個裝載端口具有嚴(yán)格的位置要求，即當(dāng)被放置在裝載端口前端運動平臺上的晶圓盒移動至分界面處時，開門機(jī)構(gòu)在開啟位置處能夠吸附晶圓盒門，同時，連桿機(jī)構(gòu)在其工作空間范圍內(nèi)能順利執(zhí)行開啟、關(guān)閉操作，并保證映射定位系統(tǒng)能夠掃描整個晶圓盒里的晶圓。

基于連桿理論的裝載端口改變傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的對射式光纖傳感器，采用反射式激光傳感器。運用機(jī)構(gòu)設(shè)計的型綜合方法，將平行四連桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)串聯(lián)起來作為裝載端口的驅(qū)動裝置，只需1個氣缸驅(qū)動機(jī)構(gòu)運動。在運動形式上，開盒裝置（由平行四連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動）的運動可分解為豎直運動和水平運動，映射定位系統(tǒng)的運動是曲柄滑塊結(jié)構(gòu)的滑塊沿豎直方向的直線移動。

在設(shè)計開門機(jī)構(gòu)時，對其初始狀態(tài)位置、開門狀態(tài)位置及工作區(qū)域都有嚴(yán)格限制，工作空間具體要求如圖5所示。

圖5 位置要求示意圖

2.1 解析法分析裝載端口的運動特性

為了研究整個機(jī)構(gòu)的運動特性，采用復(fù)數(shù)矢量法［2］進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運動分析（為便于解析法分析，我們將組合連桿機(jī)構(gòu)的運動簡圖沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)90°）。以O(shè)為坐標(biāo)原點建立圖6所示的直角坐標(biāo)系，取逆時針方向為正方向，CH＝a（a為門的目標(biāo)點與連桿鉸接點的距離）。該平面連桿機(jī)構(gòu)由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)OCE和平行四連桿機(jī)構(gòu)OBCD串聯(lián)組合［3］，桿DG為外部驅(qū)動源。在該坐標(biāo)系下建立機(jī)構(gòu)的位置方程，根據(jù)位置方程對時間分別求一次導(dǎo)數(shù)和二次導(dǎo)數(shù)，得出機(jī)構(gòu)的速度和加速度方程，解出有關(guān)桿件的位置、速度和加速度，從而完成機(jī)構(gòu)的運動學(xué)分析。平行四連桿機(jī)構(gòu)OBCDG［4］的運動分析如下。

圖6 組合連桿機(jī)構(gòu)分析圖

2.1.1 基于D點建立函數(shù)關(guān)系

（1）位置分析。建立圖6所示的直角坐標(biāo)系，其中l(wèi)1為桿AC的長度，l2為桿CD的長度，l4為桿D G的長度，φ為桿AC與X軸的夾角，θ4為DG與X負(fù)向的夾角，（xG，yG）是G點在直角坐標(biāo)系OXY中的坐標(biāo)。根據(jù)桿件的位置關(guān)系，列出投影方程：

X方向

Y方向

故可以求得

故可以求得

2.1.2 基于H點建立函數(shù)關(guān)系

（1）位置分析。建立如圖6所示的直角坐標(biāo)系，根據(jù)桿件的位置關(guān)系，列出投影方程：X方向

Y方向

2.1.3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)OCE［5］的運動（基于E點建立函數(shù)關(guān)系）分析

（1）位置分析。建立如圖6所示的直角坐標(biāo)系，（xE，yE）是E點在直角坐標(biāo)系OXY中的坐標(biāo)，θ3為桿EC與X正向的夾角。根據(jù)桿件的位置關(guān)系，列出投影方程：

X方向

Y方向

由式（11）代入式（10）可得

故可以求得

（3）加速度分析。對式（10）、式（11）進(jìn)行二次求導(dǎo)（aE為滑塊E的加速度），解方程可以得到

2.2 建立裝載端口的Simulink模型［6-8］

根據(jù)Semi標(biāo)準(zhǔn)［9］要求設(shè)計裝載端口的開門機(jī)構(gòu)，準(zhǔn)確安裝在裝載端口合適位置處。結(jié)合開門機(jī)構(gòu)的工作原理，分析并繪出該開門機(jī)構(gòu)的運動簡圖，確定各桿件的尺寸參數(shù)：OB＝CD＝320mm，OC＝BD＝202mm，映射定位系統(tǒng)的反射式激光傳感器在圖6所示坐標(biāo)系位置坐標(biāo)E（－75mm，72mm）。利用 MATLAB中的Simulink／SimMechanism模塊建立機(jī)構(gòu)運動的模型圖（圖7）。

圖7 裝載端口模型圖（基于連桿理論）

根據(jù)機(jī)械手抓取晶圓的工作空間要求，設(shè)置Simulink模型中的控制信號（圖8），以保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)能準(zhǔn)確地模擬運動軌跡。圖7中，Y為裝載端口的位移控制信號，用來驅(qū)動串聯(lián)機(jī)構(gòu)運動。

圖8 位移控制信號

3 仿真結(jié)果分析

搭建裝載端口模型后，Simin模塊將工作空間workspace中的速度信號輸入到仿真模型，為控制系統(tǒng)提供激勵信號。由Joint Actuator模塊驅(qū)動機(jī)構(gòu)運動，以保證裝載端口能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行開盒動作和晶圓的映射定位功能。仿真過程中，加載在目標(biāo)點處的Joint Sensor模塊輸出相關(guān)運動學(xué)特性信號（如位移、速度、加速度等），考慮到基于連桿理論開門機(jī)構(gòu)的軌跡曲線直接影響到該機(jī)構(gòu)設(shè)計的可行性，因此論文重點分析比較設(shè)計機(jī)構(gòu)的軌跡曲線與傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的軌跡曲線。通過建立裝載端口的仿真模型、動態(tài)模擬設(shè)計機(jī)構(gòu)的裝載過程和卸載過程，形象直觀地再現(xiàn)裝載端口的動作流程，并輸出開盒裝置運動的軌跡曲線，如圖9、圖10所示，設(shè)計機(jī)構(gòu)中滑塊的速度、加速度曲線如圖11、圖12所示。大，過渡過程平穩(wěn)，且加速度控制在30mm／s2以內(nèi)，能更好地執(zhí)行開盒動作和映射定位掃描動作，有效減小周圍氣流擾動并獲得Semi標(biāo)準(zhǔn)中所需的 Mini環(huán)境（Class 1000）。

圖9 連桿理論的軌跡曲線

4 結(jié)語

本文采用機(jī)構(gòu)設(shè)計的型綜合方法將平行四連桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)串聯(lián)起來，為裝載端口開盒裝置、映射定位系統(tǒng)提供動力驅(qū)動，是裝載端口組件設(shè)計中的一種創(chuàng)新思路。通過MATLAB的Simulink／SimMechanism模塊建立仿真模型，獲得開盒裝置運動的軌跡曲線，其運動學(xué)特性符合半導(dǎo)體設(shè)備前端模塊的動作需求和工作空間要求，對裝載端口設(shè)計具有一定的工程指導(dǎo)意義。

圖10 傳統(tǒng)的軌跡曲線

圖11 滑塊的速度曲線

圖12 滑塊的加速度曲線

設(shè)計時，將裝載端口布置在半導(dǎo)體設(shè)備前端模塊內(nèi)合適位置處，運用Solidworks動態(tài)模擬開門機(jī)構(gòu)的執(zhí)行過程。結(jié)果表明，基于連桿理論開門機(jī)構(gòu)的運動軌跡在EFEM可允許的空間范圍內(nèi)且不會對其他設(shè)備產(chǎn)生運動干涉。

基于連桿理論設(shè)計的機(jī)構(gòu)只需1路控制信號，這樣就能很好地優(yōu)化開門機(jī)構(gòu)的運動軌跡。通過規(guī)劃控制信號，可以使滑塊的速度達(dá)到55mm／s，加速度控制在30mm／s2以內(nèi)，能更好地避免傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)中的加速沖擊等問題。

通過與傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的運動曲線比較，我們不難看出，基于連桿理論的軌跡曲線起始段曲率半徑

［1］Jun Emoto，Takeshi Kagaya，Kazuo Yamazaki.Wafer Processing Apparatus Having Wafer Mapping Function：USA，US6795202B2［P］.2004－09－21.

［2］陳劍，葛文杰，王軍強(qiáng)，等.平面四連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計與運動仿真研究與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代設(shè)計與先進(jìn)制造技術(shù)，2010，39（9）：23－25.Chen Jian，Ge Wenjie，Wang Junqiang，et al.Planar Four－bar Linkage Parametric Design，Motion Simulation and Realization of Modern Design［J］.Advanced Manufacturing Technology，2010，39（9）：23－25.

［3］田發(fā)達(dá)，姚養(yǎng)無，武俊明.平面組合連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計與運動學(xué)仿真［J］.機(jī)械工程與自動化，2010（4）：40－45.Tian Fada，Yao Yangwu，Wu Junming.Plane Combination of Linkage Design and Kinematic Simulation［J］.Mechanical Engineering and Automation，2010（4）：40－45.

［4］郭飛，韓冰.基于Matlab的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運動學(xué)仿真［J］.煤礦機(jī)械，2006，27（7）：45－46.Guo Fei，Han Bing.Crank－rocker Mechanism Kinematics Simulation Based on Matlab［J］.Coal Mining Machinery，2006，27（7）：45－46.

［5］耿其東，方志國.偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)仿真與運動分析［J］.機(jī)械工程與自動化，2011（3）：49－53.Geng Qidong，F(xiàn)ang Zhiguo.Crank Slider Mechanism Simulation and Motion Analysis［J］.Mechanical Engineering and Automation，2011（3）：49－53.

［6］高道祥，薛定宇.基于Matlab／Simulink機(jī)器人魯棒自適應(yīng)控制系統(tǒng)仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，18（7）：2022－2025.Gao Daoxiang，Xue Dingyu.Matlab／Simulinkbased Robot Robust Adaptive Control System Simulation［J］.Journal of System Simulation，2006，18（7）：2022－2025.

［7］王春香，丁紅，宋曉峰.平面連桿機(jī)構(gòu)的高效可視化運動仿真研究［J］.煤礦機(jī)械，2007，28（7）：71－73.Wang Chunxiang，Ding Hong，Song Xiaofeng.Efficient Visualization of Planar Linkage Movement Simulation［J］.Coal Mining Machinery，2007，28（7）：71－73.

［8］吳覺士，仲梁維.基于 Matlab－Simulink的四缸內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)仿真和動力學(xué)分析［J］.機(jī)械傳動，2007，31（1）：34－36.Wu Jueshi，Zhong Liangwei.Four－cylinder Engine Crank Linkage of Matlab－Simulink－based Simulation and Dynamics Analysis［J］.Mechanical Transmission，2007，31（1）：34－36.

［9］The Global Physical Interfaces ＆ Carriers Committee.SEMI E15.1－0600－2000Specification for 300mm Tool Load Port［S］.Washington，D.C.：SEMI North American Regional Standards Committee，2000.