真空機(jī)器人的磁性聯(lián)軸器及軸系理論建模與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、真空機(jī)器人是半導(dǎo)體前道集束型設(shè)備中各反應(yīng)工藝腔室之間傳輸晶圓的核心部件,歸屬于禁運(yùn)產(chǎn)品,已成為制約我國半導(dǎo)體整機(jī)裝備制造的“卡脖子”問題。大氣環(huán)境與真空環(huán)境之間的密封隔離與動力傳遞正是制約真空機(jī)器人性能提高的技術(shù)瓶頸。因此,真空機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的突破及原型系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì),對實(shí)現(xiàn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的半導(dǎo)體整機(jī)設(shè)備核心部件具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本論文以內(nèi)外軸式磁性聯(lián)軸器的建模與分析優(yōu)化為主要目標(biāo),結(jié)合磁力傳動技術(shù)和直接驅(qū)動技術(shù),設(shè)計(jì)

2、兩自由度同軸布局的真空機(jī)器人動力傳遞軸系原型系統(tǒng)。
　　 本文首先分別建立了內(nèi)外軸式磁性聯(lián)軸器的理論模型和三維有限元模型。改進(jìn)了等效磁荷法和片電流法求解磁性聯(lián)軸器傳遞扭矩的數(shù)學(xué)模型,引入漏磁損失系數(shù),分別得到了基于這兩種方法的內(nèi)外軸間隙式磁性聯(lián)軸器的最大扭矩簡化公式,擴(kuò)大了模型的適用范圍,顯著提高了這兩種方法的求解精度和效率。其中,片電流法在求解精度上提高了25％-30％,等效磁荷法精度提高了4％-30％,求解效率提高超過了一倍

3、。
　　 通過使用片電流法,等效磁荷法和三維有限元模型,全面地分析了磁性聯(lián)軸器幾何參數(shù)與其最大扭矩、最大扭矩體積比,以及啟動扭轉(zhuǎn)剛度的關(guān)系。并使用三維有限元法分別對軛鐵的導(dǎo)磁效應(yīng)、多組磁性聯(lián)軸器間的磁耦合效應(yīng)以及四種不同構(gòu)型的內(nèi)外軸式磁性聯(lián)軸器進(jìn)行了仿真分析。分析結(jié)果被應(yīng)用于磁性聯(lián)軸器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 基于磁性聯(lián)軸器在真空機(jī)器人軸系中實(shí)際應(yīng)用時(shí)的耦合工況,以同時(shí)優(yōu)化兩組磁性聯(lián)軸器為例,建立了磁性聯(lián)軸器設(shè)計(jì)幾何參數(shù)優(yōu)化的

4、目標(biāo)函數(shù)。創(chuàng)新地提出了一種基于正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)的小范圍窮舉優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,該方案縱觀全局的設(shè)計(jì)參數(shù),結(jié)合了解析法運(yùn)算效率高和三維有限元法求解精度高的優(yōu)點(diǎn),利用正交實(shí)驗(yàn)法和小范圍窮舉法顯著地減少了分析模型的數(shù)目,是一種高效實(shí)用、穩(wěn)定可靠的優(yōu)化方法。本例中,最終的優(yōu)化參數(shù)組比正交表中可獲得的相對最優(yōu)參數(shù)組的指標(biāo)值提高了約30％,優(yōu)化結(jié)果與設(shè)計(jì)的目標(biāo)值一致。
　　 研制了具有兩自由度同軸布局的真空機(jī)器人動力傳遞軸系原型系統(tǒng)。結(jié)合真空機(jī)器

5、人的開發(fā),創(chuàng)新地將隔離密封套設(shè)計(jì)為臺階式的空心薄壁容器構(gòu)件,并對隔離套的強(qiáng)度和徑向變形進(jìn)行了校核,對隔離套上的渦流損失進(jìn)行了研究分析。此外,提出了一種適用于真空機(jī)器人的磁性聯(lián)軸器設(shè)計(jì)方案,對分體式直接驅(qū)動電機(jī)軸系的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,對下一代真空機(jī)器人的研發(fā)有著重要的參考價(jià)值。
　　 最后,研制了可測試磁性聯(lián)軸器內(nèi)外轉(zhuǎn)子間偏位影響的實(shí)驗(yàn)平臺,進(jìn)行了軸向偏位、徑向偏位,和角向偏位對內(nèi)外軸式磁性聯(lián)軸器傳遞扭矩和動態(tài)性能的影響測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)

6、果表明,在實(shí)際應(yīng)用中,偏位對內(nèi)外軸式磁性聯(lián)軸器的傳遞扭矩和動態(tài)跟蹤特性影響很小。實(shí)驗(yàn)中,磁性聯(lián)軸器的動態(tài)跟蹤性能良好,在啟動階段,響應(yīng)時(shí)間小于0.01s；當(dāng)峰值速度為670deg/s,加速度為1260deg/s2時(shí),穩(wěn)定時(shí)間ts為0.35s,各種偏位情況下的最大跟蹤誤差δ均為20’左右,穩(wěn)態(tài)誤差ess在2’左右。此外,對軸系的定位精度和重復(fù)定位精度,以及動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了測試,結(jié)果表明其具有良好的跟蹤性能,穩(wěn)態(tài)誤差ess在3’左右,各組