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玻璃基板搬运机器人
一、前言
玻璃基板是
FPD
产业的关键基础材料之一,
,
< br>其对于
FPD
的重要性不亚于硅
晶圆在半导体产业中的地位。在
FPD
产品生产过程中
,
玻璃基板不仅要承受强酸
强碱和高温的制程环
境
,
更需具备精密的表面平整度与平面起伏度。同时
,
FPD
产
业的制造过程
要求高度自动化、无人化。因此
,
搬运机器人被引入到
FPD
产业取
代人工搬运
,
以确保玻璃基板的平稳搬运和精确定位。玻璃基板搬运机器人是一
< br>种应用于无尘或真空环境下的搬运机器人,
它主要应用在
FPD
产业中
联结前后
段。与其它机器
人相比,
,
玻璃基板搬运机器人具有高刚度、高速度、高精度、
高平稳性和高洁净度的特点。因此
,
玻
璃基板搬运机器人现已成为
FPD
产业关键
设备之一
,
本文将对玻璃基板搬运机器人之现况与技术进行
介绍。
,
,
二、玻璃基板搬运机器人发展前沿
随着
FPD
产业的技术革新,
玻璃基板的生产尺寸按摩尔定律逐年
增大,
至今
玻璃基板的尺寸已经历了
1
0
代的变化。按玻璃基板的尺寸大小我们可将其大致
分为小型<
/p>
(1
代
-5
代<
/p>
)
、中型
(6
代
-9
代
)
和
大型
(10
代及以后
)
玻璃基板三大类别
。
因此玻
璃基板搬运机器人也相应分为小型、中型和大型玻璃基板搬运机器人
。其发展历程大约分
为下列三个时期
:
1.1990
年代
以前,玻璃基板基本上处于
1
、
2 <
/p>
代,其尺寸小、质量轻,
FPD
产业的制
造工艺相对简单,因此玻璃基板在
FPD
各制程间的搬运大
p>
都以人工搬运方式或一些简单设备来完成。这种搬运方式不仅严重限制了
FPD
产业生产效率的提高还对玻璃基板造成很大程度的污染。
< br>自
90
年代后玻
璃基板的尺寸和
质量开始增大,
FPD
产业的生产效率逐渐提高人工搬运方式<
/p>
逐渐不符需求
;
因此在此情况下国外一些
自动化设备公司开始研发适用于玻
璃基板搬运的机器人,这种机器人负载承受能力高,大
幅提高了玻璃基板的
传输效率,同时减少了传输过程中对玻璃基板的污染。
2.2000
年后
FPD
产业迅速发展,玻璃基板尺寸再度扩大同时厚度逐渐减小。
为满
足玻璃基板的高平稳性、高速度和高洁净度的搬运需求,国外又先后推
出了各种类型的中
型玻璃基板搬运机器人并研究了适合玻璃基板搬运机器人
~19~
的关键技术和关键零部件
,申请了一些有关玻璃基板搬运机器人结构设计方
面的专利。
3.
近年来玻璃基板出现了两个明显的发展趋势
:
玻璃基板尺寸的大型化和中型
玻璃基板生产效率的提
高。因此国外研究单位在努力提高中型玻璃基板搬运
机器人各种性能指标的同时积极展开
对大型玻璃基板搬运机器人的研究。目
前已成功研发一些大型玻璃基板搬运机器人产品和
关键技术。
三、玻璃基板搬运机器人之结构特性
玻璃基板搬运机器人的主要功能是联结
FPD
产业前后段,实现玻璃基板在
不同工作站间的高平稳性、
高速度和高洁净度传输。
其应具备能够承受较高负载
传送速率
与
FPD
产业前后段制程同步,
抓取装
臵不损伤、
不污染玻璃基板以及传
输过程中不产生冲击和震动的
能力。因此玻璃基板搬运机器人要求高结构刚性、
高运动速度、占地面积小、操作空间大
等特点。目前
,
在
FPD
产业中广泛应用的
玻璃基板搬运机器人从结构型上大致可分为圆柱坐标型机
器人、
多关节型机器人
和直角坐标型机器人。
< br>
1.
圆柱坐标型玻璃基板搬运机器人又称为坐标型玻璃
基板搬运机器人。该类机器
人具有
3
个
自由度,即垂直升降、圆周回转和水平伸缩。该类型机器人轨迹
规划和运动控制均相对容
易,但其负载承受能力和空间利用率相对较低。
2.
多关节型玻璃基板搬运机器人又可分为垂直多关节型和平面多关节型玻璃
基板搬运机器人。垂直多关节型玻璃基板搬运机器人通常具有
6
个自由度每
个自由度都由相对独立的驱动机构驱动,因此可以自由地实现三维的各种姿<
/p>
态,特别适用于玻璃基板搬运过程中姿态发生变化的场合。平面多关节型玻
璃基板搬运机器人有
4
个自由度,即
< br>3
个回转运动和
1
个升降运动。
该类型
机器人运动速度和定位精度较高,
运动快捷、
准确,
同时由于玻璃基板在
FPD
产业的主要制造装备间多以平面方式传输,故使得这种构型玻璃基板搬运机
器人
在当前
FPD
产业中使用最多。
p>
3.
直角坐标型玻璃基板搬运机器人通常具有
2
—
3
个自由度,
具有空间上相互垂
直的两或三条直线移动轴,
透过直角
坐标方向的
3
个独立自由度确定其手部的
空间位臵,
因此其动作空间常为一长方体。
直角坐标型玻璃基
板搬运机器人虽
然空间利用率较低,但其结构简单、刚性好、定位精度高、空间轨迹易于
求解
且负载承受能力高,故特别适用于大型玻璃基板的传输。
四、玻璃基板搬运机器人研究现状
目
前
,
玻璃基板搬运机器人的研究主要集中在日本、韩国、台湾等
发达国
家和地区
,
其中以日本的研究最
为突出
,
其安川电机、
日电三协、
p>
三菱电机、
平田
机工
(Hirata)
与大阪变压器
(Daihen)
五家公司占据全球玻璃基板搬运机器人市
场供应量的
90%
左右。
经过几十年的发展
,
玻璃基板搬运机器人已形成了传输不
同代玻璃基板的系列产品<
/p>
,
根据这些产品应用环境不同
,
可将其分为大气环境用
和真空环境用玻璃基板搬运机器人。
1.
大气环境用玻璃基板搬运机器人
:
大气环境用玻璃基板搬运机器人包括应用在一
般大
气环境下和洁净大气环境下的玻璃基板搬运机器人。
该类型机器人因本体内
外气压相等,较少产生空气流动,且各运动关节处具有较好的密封装臵。由于
FPD
产业大多数制程均为大气环境,故大气环境用玻璃基板搬运机器人的应
用较多。
图
1
是
Daihen
公司的
SPR-902S
玻璃基板搬运机器人。该类型机器人为
3
p>
轴圆柱坐标型机器人
,
具有
3
个自由度
,
可在大气环境中
传输第
2
代玻璃基
板。机器人采用
p>
S
曲线加减速
,
并
经良好的轨迹规划
,
使得轨迹精度达到
±
2.0mm
以下
,
< br>重复定位精度达到
±
0.2m
m
以下
,
该机器人运动速度快,
耐振动性好
(4.9m/s2),
且可在
p>
10
级洁净度、
+15
< br>度
--+35
度的环境下工
作。
图
1
Daihen
公司的
SPR-902
S
玻璃
基板搬运机器人
图
3 Hirata
公司的
AR-
S550AE
玻璃基
板搬运机器人
图
4
Yaskawa
公司的
Motoman-CR20
图
2 D
aihen
公司的
SPR-9505
玻
璃基板搬运机器人
图
3
是
Hirata
公司的
AR
-S550AE
玻璃基板搬运机器人。
该类型机器人为
平面多关节型机器人,
多应用于一般大气环境中。
纵轴关节由
750W
的伺服电
机驱动
,
长约
550mm
横轴关节由
200W
伺服电机驱动,
长约
< br>400mm
两臂的重复
定位精度可达±
< br>0.05mm
以内。
机器人运动速度高、
运动惯量小,
可承受
12kg
的负载。
图
4
是
Yaskawa
公司的
MOTOMAN-CR20
玻璃基板搬运机器人。该类型机
器人
为垂直多关节型机器人,
具有
6
个自由
度,
可承受
45kg
的负载。
机器人
利用结构拓扑优化方法进行结构刚度优化,并采用特殊的运动控制
系统,使
得机器人运动平稳
,
反应迅速
。
机器人运用新的材料防止尘埃粒子的产生并采
用表面抛光技术
、喷漆技术以及良好的密封结构使机器人具有较高的洁净度
。
图
5
是
San
kyo
公司的
SR8882
玻璃基板搬
运机器人。该类型机器人应用
~21~