半导体芯片气动搬运机械手设计毕业设计Word格式.docx

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摘要

本文设计了一种用于半导体芯片自动化生产线中的搬运气动机械手。

该机械手实现芯片的抓取、释放以及搬运等4个自由度的动作，结构合理，动作准确迅速，安全可靠性高。

采用日本三菱公司的FX2N系列PLC对机械手的上下、左右、回转以及芯片吸取运动进行自动化控制。

利用可编程技术结合相应的硬件装置控制机械手完成搬运动作，来配合和实现生产上的要求。

该气动机械手作为特定工位的搬运机械手，能够取代国外进口的的多功能通用机械手，节约设备成本和维护成本80%以上，在自动化生产国产化进程中具有积极的意义。

本人在实习单位的工作中发现在自动化生产线中为了便于实现柔性制造，大部分机械手都是6自由度通用机械手，它采用模块化安装，改变工位动作时只需改变相应程序即可。

然而用通用机械手去执行特定简单工位的动作，是一种生产资源的浪费。

在当今社会追求高效，节约的大环境下，本人结合工作实际设计了一款能满足特殊工位使用的机械手。

关键词：

机械手；

PLC；

气动控制；

Abstract

ThispapershowaManipulatorwhichisusedfortransportICsemiconductorchips.Thismechanicalarmcancatch,releaseandtransporttheICchips,whichisa4-degreeoffreedomarm.Ithaveareasonablystructuredandahighsafereliability.TheFX2NPLCwhichproducedbyMitsubishiusedtocontrolthemovements,suchasup&

down,right&

left,turnround,catch&

release.Programmabletechnologycombiningrelevanthardwaremakethearmtomeetthedemandofmanufacture.Asdesignedforspecialfunction,themechanicalarmcansubstituteforimportedmultifunctionalManipulatorthatcansavethecostofequipmentandmaintenancebymorethan80%,whichhaveaactivemeaningduringtheautomaticproduction'

slocalization.

ItistheEnglishtranslationoftheChineseabstract.Ifounditinmyinternshipthatinodertoachieveflexiblemanufacturesystem,thevastmajoritynumberofmechanicalarmare6-DOFgeneralmechanicalarm.Itadoptmodularizationinstall,wejustneedtoenterthenewPLCprogramswhenthearmneedtochangethemovement.However,peopleenablegeneralmechanicalarmtoimplementthespecial&

simplemotion,whichisawasteofresourcesforproduction.Innowadayssocialenvironmentwhichpeoplesseektheefficientandeconomical.Consideredthepracticalsituation,Idesignedthemechanicalarmwhichmeetthedemandofspecialmotion.

Keywords:

Manipulator;

PLC;

Pneumaticcontrol

1绪论

1.1基于PLC的气动机械手设计的意义

随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。

由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展。

用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。

机械手是一种模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓（吸）取、搬运工件或工具或进行操作的自动化装置。

在工业生产中得到广泛应用。

其中气动机械手采用PLC控制气路及气压回路驱动气缸实现要求的运动轨迹，在结构上，与其他类型的机械手相比，气动机械手具有结构简单，控制容易，其气动部件已系列化和组立化，便于设计与实现，且维护方便。

由于气动机械手这些特点，气动机械手在生产过程自动化中的应用已日益广泛。

气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。

气动技术经历了一个漫长的发展过程，随着气动伺服技术走出实验室，气动技术及气动机械手迎来了崭新的春天。

目前在世界上形成了以日本、美国和欧盟气动技术、气动机械手三足鼎立的局面。

我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚，但随着投入力度和研发力度的加大，我国自主研制的许多气动机械手已经在汽车等行业为国家的发展进步发挥着重要作用。

随着微电子技术的迅速发展和机械加工工艺水平的提高及现代控制理论的应用，为研究高性能的气动机械手奠定了坚实的物质技术基础。

由于气动机械手有结构简单、易实现调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作、气源使用方便、不污染环境、动作灵活可靠、工作安全可靠，适用于需要模拟人的重复动作场合以及恶劣的工作环境中等诸多独特的优点，因而在冲压加工、注塑、机床下料、仪表电子、汽车航空及自动化生产线中有着广阔的应用前景。

本文设计了一种基于PLC控制的四自由度的气动机械手，用于半导体芯片自动化生产线中用于搬运8英寸芯片的气动机械手，该气动机械手由气控真空发生器、真空吸盘、悬臂气缸、旋转气缸、底座滑台气缸等部分组成。

运用PLC可编程技术进行控制，对气动机械手完成生产物料运输搬运工作，实现自动化控制。

该气动机械手能放置在各种不同的电子产业的生产线或物流流水线中，使芯片盘的搬运更快捷、便利、准确、到位。

1.2机械手的国内外的发展概况

1.2.1机械手的发展史

Mechanicalhand，也被称为自动手，Autohand，能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。

它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。

手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。

运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。

运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。

为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。

自由度是机械手设计的关键参数。

自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

一般专用机械手有2～3个自由度。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；

按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；

按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。

有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。

机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

机械手首先是从美国开始研制的。

1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

它的结构是：

机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。

1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。

商名为Unimate（即万能自动）。

运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；

控制系统用磁鼓作为存储装置。

不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。

同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。

1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。

该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。

虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±

1毫米。

联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。

联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。

自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。

前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口[1]。

目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；

改进的方向主要是降低成本和提高精度。

第二代机械手正在加紧研制。

它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。

研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。

第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。

它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。

1.2.2气动机械手的发展史和发展前景

随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。

近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。

电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；

气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；

微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展，现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；

由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。

从各国的行业统计资料来看，近30多年来，气动行业发展很快。

20世纪70年代，液压与气动元件的产值比约为9:

1，而30多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本等国家，该比例已达到6:

4，甚至接近5:

5。

我国的气动行业起步较晚，但发展较快。

从20世纪80年代中期开始，气动元件产值的年递增率达20%以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。

随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。

气动技术是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递或信号传递的工程技术，是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。

大约开始于1776年，Johnwilkimson发明能产生1个大气压左右压力的空气压缩机。

1880年，人们第一次利用气缸做成气动刹车装置，将它成功地用到火车的制动上。

20世纪30年代初，气动技术成功地应用于自动门的开闭及各种机械的辅助动作上。

至50年代初，大多数气压元件从液压元件改造或演变过来，体积很大。

60年代，开始构成工业控制系统，自成体系，不再与风动技术相提并论。

在70年代，由于气动技术与电子技术的结合应用，在自动化控制领域得到广泛的推广。

80年代进入气动集成化、微型化的时代。

90年代至今，气动技术突破了传统的死区，经历着飞跃性的发展，人们克服了阀的物理尺寸局限，真空技术日趋完美，高精度模块化气动机械手问世，智能气动这一概念产生，气动伺服定位技术使气缸高速下实现任意点自动定位，智能阀岛十分理想地解决了整个自动生产线的分散与集中控制问题。

气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。

气动机械手强调模块化的形式，现代传输技术的气动机械手在控制方面采用了先进的阀岛技术（可重复编程等），气动伺服系统（实现任意位置上的精确定位），在执行机构上全部采用模块化的拼装结构。

90年代初，由布鲁塞尔皇家军事学院Y•Bando教授领导的综合技术部开发研制的电子气动机器人——“阿基里斯”六脚勘探员，是气动技术、PLC控制技术和传感技术完美结合产生的“六足动物”。

6个脚中的每一个脚都有3个自由度，一个直线气缸把脚提起、放下，一个摆动马达控制脚伸展/退回运动，另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心做旋转之用。

由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人，它集遥感技术和真空技术于一体，成功地解决了垂直攀缘等视为危险工作的操作问题[13]。

Tron-X电子气动机器人，能与人亲切地握手，它的头部、腰部、手能与人类一样弯曲运动，并且有良好的柔韧性。

在幕后操纵人员的操作下（或通过自身的编程控制）能与人进行对话，或作自我介绍等。

Tron-X电子气动机器人集电子技术、气动技术和人工智能为一体，它告诉我们，气动技术能够实现机器人中最难解决的灵活的自由度，具有在足够工作空间的适应性、高精度和快速灵敏的反应能力[10]。

由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作”’。

而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。

所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。

现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。

车身在每个工序的移动；

车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；

点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。

高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。

在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。

气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；

用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。

如酒、油漆灌装气动机械手；

自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等。

此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。

如：

气动自动调节病床，Robodoc机器人，daVinci外科手术机器人等。

重复高精度

精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。

重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。

重复精度比精度更重要，如果一个机器人定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。

重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机器人来测定。

随着微电子技术和现代控制技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。

气动机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。

模块化

有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。

模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。

它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。

由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。

优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。

模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向。

智能阀岛的出现对提高模块化气动机械手和气动机器人的性能起到了十分重要的支持作用。

因为智能阀岛本来就是模块化的设备，特别是紧凑型CP阀岛，它对分散上的集中控制起了十分重要的作用，特别对机械手中的移动模块。

无给油化

为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。

随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。

机电气一体化

由“可编程序控制器-传感器-气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；

发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”；

省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。

而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。

气动机械手、气动控制越来越离不开PLC，而阀岛技术的发展，又使PLC在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手。

由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等诸多独特的优点，可以预见，在不久的将来，气动机械手将越来越广泛地进人工业、军事、航空、医疗、生活等领域。

1.3本课题应达到的要求

本课题的任务是研制半导体芯片自动化生产线中用于搬运芯片的气动机械手。

本课题采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，对机械手的上下、左右、回转以及芯片吸取运动进行自动化控制。

我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作，来配合和实现生产上的要求。

由于时间仓促和个人水平限制，我的设计存在着许多还没来得及解决的问题，希望广大老师、同学能够给予批评指正并予以解决。

2机械手基本结构与控制任务

2.1机械手的主要部件及运动

根据任务要求，气动机械手实现的是搬运芯片，可以看成无负载（零负载），因此设计气动系统的硬件结构时只需注意机械手本身的强度，以及当悬臂缸伸出到最大位置时，支架底座能否承受该转距而不倾倒。

如图2.1，待搬运芯片放置于工位A的传送托盘上，气动机械手的初始位置如图，要实现将芯片从工位A搬运至工位B，对机械手的自由度提出一定的要求。

根据任务要求，机械手要实现X方向与Y方向的运动（

）绕Z方向的旋转（

），同时在抓取过程中要实现手臂的升降

和吸放光盘的过程。

所以确定该机械手是一个4自由度的机械手。

图2.1任务要求

假设要实现将芯片从工位A搬至工位B，开始时机械手处于初始位置，即要实现动作如下图所示：

图2.2气缸动作图

2.2机械手的结构及技术参数列表

2.2.1气动机械手的结构

图2.3　气动机械手结构示意图

1.真空吸盘2.真空发生器

3.升降缸与真空发生器的连接法兰4.升降缸

5.伸缩缸与旋转气缸的连接法兰6.旋转气缸

7.旋转气缸与铝合金型材立柱的连接法兰8.铝合金型材立柱

9.角铁10.底座

2.2.1气动机械手的技术参数列表

一、用途：

搬运半导体芯片

二、设计技术参数:

1.自由度数:

4个自由度

2.座标型式:

圆柱座标

3.最大工作半径:

300mm

4.手臂最大中心高:

463mm

5.手臂运动参数

伸缩行程：

300mm伸缩速度：

53mm/s

升降行程：

100mm升降速度：

80mm/s

回转范围:

-180°

~180°

3机械手气动系统设计

要实现上述机械手控制动作，机械手的控制部分包括气动与PLC控制部分。

其动作是靠气动装置来完成的。

3.1气压传动的组成及工作原理

气压传动，是以压缩空气为工作介质进行能量传递和信号传递的一门技术。

气压传动的工作原理是利用空压机把电动机或其它原动机输出的机械能转换为空气的压力能，然后在控制元件的作用下，通过执行元件把压力能转换为直线运动或回转运动形式的机械能，从而完成各种动作，并对外做功[11]。

气压传动系统和液压传动系统类似，也是由四部分组成的，它们是：

（1）气源装置

获得压缩空气的装置。

其主体部分是空气压缩机，它将原动机供给的机械能转变为气体的压力能；

气源装置的组成：

A.空气压缩机（气源部分）

空气压缩机是气动系统的动力源，它将电动机输出的机械能转换成气压能输送给气动系统。

本设计采用的是活塞式低压空压机。

是一种容积式空气压缩机，是通过机件的运动，使密封容积发生周期性大小的变化，从而完成对空气的吸入和压缩过程。

B.气源净化处理装置

（2）