1. XVII ННТК с международно участие „АДП-2008”
165
ИЗБОР НА КИНЕМАТИЧНА СХЕМА ПРИ
ПРОЕКТИРАНЕ И КОНСТРУИРАНЕ НА РОБОТИ ЗА
МАНИПУЛИРАНЕ НА СИЛИЦИЕВИ ПЛАСТИНИ
Веселин Данчев, Гено Хаджикосев
Резюме: Pоботите в микроелектронното производство са предназначени за
автоматизация на спомагателните процеси. Те осигуряват манипулирането и
транспорта на силициевите пластини от различните магазинни устройства до
процесните камери, преориентирането, презареждането на пластините от един
тип магазинни устройства в друг и др. Предназначението на робота определя
необходимата кинематична схема.
В доклада са разгледани основните моменти свързани с определяне броя на
управляваните оси и тяхното подреждане, а така също изборът на зависимост
между управляваните оси в конструкцията.
Ключови думи: кинематична схема, робот, микроелектроника,
манипулиране, силициеви пластини, оси.
1. Увод
Специализираните роботи в микроелектронното производство трябва да
отговарят на редица изисквания: надеждност, производителност, способност за
работа в чиста среда, точност и повторяемост на позициониране, себестойност, да
притежават редица допълнителни възможности [1]. В зависимост от изискванията,
които се налагат от конкретното предназначение на робота, се определя важността
на отделните негови характеристики и оттам проектозаданието. Използваните
роботи са с една или две ръце. Основен момент при съставянето на кинематичната
схема на робота е подреждането на управляемите оси. Броят на управляваните оси
е най-често три (при повечето конструкции роботи), но в общия случай варира от
две [2] до шест и повече оси [7]. На второ място е изборът на зависимост между
отделните оси. Анализът на съществуващите до момента решения също трябва да
се вземе предвид.
2. Подреждане на управляемите оси на робота
Управляемите оси на робота могат да бъдат за глобални, регионални или
локални движения.
Регионалните структури на манипулационната система най-често са от вида
ТRТ. От конфигурацията на осите се вижда, че този тип роботи имат три
управляеми оси и работят в цилиндрична координатната система (RTZ) –
вертикална ос Z, ротация около вертикална ос T и радиално движение на ръката R

2. XVII ННТК с международно участие „АДП-2008”
166
(фиг. 1). На фиг. 2 са посочени основните възли на такъв робот (базов вариант).
Роботът се състои от основа (тяло) 1 осигуряващо задвижването и воденето по
вертикалната ос Z, модул 2 за ротацията на ръката T около вертикалната ос на
робота и ръка на робота 3, изпълняваща радиално движение R в хоризонтална
равнина. Върху полюса на ръката е монтирано хващащото устройство 4. Тези три
степени на свобода най-често са достатъчни за осигуряване на необходимото
позициониране на транспортираните обекти. При необходимост се поставят два
хващача [4], с което се повишават манипулационните възможности на робота.
Фиг. 1 Фиг. 2
Най-често наблюдаваното подреждане на управляемите оси на структурата за
регионални движения е Z-T-R. Съществуват обаче и конструкции, при които като
първа ос е разположена ротацията около централната ос Т, следват Z и R. При тези
варианти цялата базова конструкция на робота е монтирана върху въртяща се
основа (оста Т). Това са най-често роботи, предназначени за монтиране върху
долния край на основата (фиг. 9, 10) [5]. Ако е необходимо повишаване на
производителността оста R се дублира, т.е. роботът става двурък (фиг. 3) [10] или
пък има две независимо управляеми оси на изпълнителното звено, респективно
две независимо управлявани хващащи устройства (фиг. 5) [7,12], или две
противоположно разположени хващащи устройства (фиг. 4) [4]. Двуръките роботи
работят също в цилиндрична координатна система [13]. Регионалната структура
на манипулационната система на този тип роботи e от вида ТR2Т (ZT2R).
Фиг. 3 Фиг. 4 Фиг. 5

3. XVII ННТК с международно участие „АДП-2008”
167
Глобалните движения на робота най-често са:
• допълнителна хоризонтална ос (Track system) - при необходимост от
разширяване на хоризонталната зона на обслужване на робота;
• допълнителна вертикална ос (Elevation system) - при необходимост от
разширяване на вертикалната зона на обслужване (досег) на робота;
• комбинация от удължени хоризонтално и вертикално движение.
Осите за локални движения се използуват, когато се изисква значително
увеличаване на манипулационните възможности на робота, като преориентиране
на силициевите пластини преди или по време на технологичния процес.
• Ротация около надлъжната ос на пластината (Roll) – при необходимост от
обръщане или накланяне на силициевата пластина около надлъжната и ос (фиг. 6);
• Ротация около вертикалната ос на пластината (Yaw) – при нужда от
увеличаване маневреността на ръката и коефициента на досег, както и отпадане на
необходимостта от допълнителна хоризонтална ос (система за глобални
хоризонтални премествания) – (фиг.7);
• Ротация около напречната ос на пластината (Pitch) – ориентиране на
пластините във вертикално положение при измиване на пластините от реактиви,
фотолакове, твърди частици и абразиви след шлифоване и полиране и др.(фиг.8).
Фиг. 6 Фиг. 7 Фиг. 8
3. Избор на зависимост между управляваните оси в конструкцията
Основен момент при съставянето на кинематичната схема е изборът на
зависимост между управляемите оси в конструкцията. Под зависимост на осите
се разбира задвижване на една управляема ос с повече от един двигател и
съответното синхронизиране на двигателите при управлението им с цел
получаване на желаното движение. При дадена кинематична схема зависимостта
на осите може да играе положителна роля, например по-добро разпределение и
използуване на мощностите на двигателите задвижващи зависимите оси, а при
друга да влияе негативно, например да ограничава скоростта на движение и

4. XVII ННТК с международно участие „АДП-2008”
168
обхвата на движение на другата ос. Най-често зависимост се наблюдава между
осите T и R.
Важен момент при проектирането и конструирането на разглежданите роботи
е решението за разполагането на двигателите и на елементите на трансмисията
(избор на двигателите, предавателните механизми, сензорите и т.н.). Използването
на определен тип двигател до голяма степен се определя от компоновката на
конструкцията и вида на управлението, след което се избира и оптимизира типа на
преводните механизми. При робот с една ръка е възможна схема, при която
радиалното движение на ръката се реализира като първото звено на ръката се
задвижва от двигателя на оста T, а двигателят на оста R задвижва само второто
звено („разпъва ръката“). При тази схема двигателят T се явява подчинен (slave)
на главния (master) двигател R, т.е. радиалното движение се получава като
координирано едновременно движение на две управляеми оси. Възможни са и
схеми за пълно декуплиране на движението на ръката, при което двигателят на
оста T реализира само ротацията на ръката на робота около централната ос, а
двигателят на оста R – само радиалното движение на ръката. Колкото двигателите
са по-близо до задвижвания елемент, толкова движенията са по-независими за
управление и кинематичната верига за предаване на движението по-къса, което
води до увеличаване на кинематичната точност и оттам точността на
позициониране на робота.
Фиг. 9 Фиг. 10
Схеми с независими оси R и T. Кинематичните схеми с независими оси R и T
представляват схеми, при които всяка отделна ос се задвижва изцяло само от един
двигател. Примерна кинематична схема на робот със зависими оси е показана на
фиг. 9. Необходимото и достатъчно условие за независимост на осите е да бъдат
спазени следните условия:
• за равна дължина на двете звена на ръката (L1=L2).

5. XVII ННТК с международно участие „АДП-2008”
169
• за предавателното отношение 2:1 (в първото звено) и 1:2 (във второто
звено) на трансмисията в ръката (Фиг. 11).
1
2
2
1
1 ==
n
n
R и
2
1
4
3
2 ==
n
n
R
Фиг. 11
Предимствата при независимите управляеми оси са лесното управление,
максималното използуване на скоростите на двигателите, възможността за
вграждане на двигателите в централната колона на робота. Постига се съществено
намаляване на броя на компонентите и по този начин намаляване на сложносттта
на конструкцията, което води до увеличаване на общата надеждност на робота и
намаляване себестойността му. Тази схема се прилага изключително при двуръки
роботи, тъй като двигателят за осигуряване на ротацията около централната ос T е
общ за двата двигателя на ръцете R1 и R2 и практически не е възможно да бъде
подчинен едновременно на двата R двигателя.
Недостатъците при използуване на кинематични схеми с независими
управляеми оси са трудно осигуряване на свободно пространство в централната
част за преминаване на кабелите и пневматичните линии на ръката, необходимост
от специални конструктивни решения за разполагане и движение на кабелите и
пневматичните линии между въртящите се части, по-тежка конструкция
вследствие подвижните двигатели.
Схеми със зависими оси R и T. Използването на конструкция по схемата
“master-slave” (зависимост между управляемите оси) се наблюдава при значителна
част от роботите в микроелектронното производство. Примерна кинематична
схема на робот със зависими оси е показана на фиг.10. Предимствата при
зависимите управляеми оси са отдалечаване на двигателите от задвижваното звено
(ос) и възможността за закрепването им към неподвижна част от робота (към
горния или долния фланец) и по този начин облекчаване масата на подвижната
част на робота, която е гравитационно зависима. Към подвижната част на робота в
общия случай се отнасят трансмисията и ръката. Други предимства са
възможностите за осигуряване на достатъчно пространство и връзки за вграждане

6. XVII ННТК с международно участие „АДП-2008”
170
на предавателни механизми за увеличаване на въртящия момент и намаляване на
скоростта на въртене (зъбно-ремъчни, планетни или вълнови редуктори), както и
осигуряване на цилиндрична кухина в централния вал за преминаване на кабелите
и пневматичните линии на ръката, лесно реализиране на твърдите упори за
ограничаване на движението между двете зависими оси, лека и сравнително
проста конструкция, постигане на оптимално предавателно отношение на
преводните механизми (между 10 и 50). Предимства са и постигане на оптимално
разпределение и използуване на мощностите на двигателите задвижващи
зависимите оси.
Недостатъците при използуване на кинематични схеми със зависими
управляеми оси са по-сложното управление, изискващо отчитане на зависимостта
между осите, значителното намаляване на коравината на трансмисията с
отдалечаване на двигателите от задвижваното звено, възможна поява на мъртъв
ход в трансмисията и оттам нарастване на грешката на позициониране,
респективно намаляване на повторяемостта на позициониране. Повишава се
сложността на конструкцията и съответно себестойността на робота.
Използуването на преводни механизми внася допълнителна еластика, води до
намаляване на усукващата коравина на трансмисията и оттам до поява на
вибрации при движение на робота и като следствие влошаване на динамичните
показатели и намаляване точността на позициониране. Използуването на преводни
механизми води и до отделяне на замърсявания (отронвания на микрочастици
вследствие относителното движение и контакта между отделните елементи) и
възможност за излизането им извън конструкцията на робота и попадането им
върху транспортираните силициеви пластини, което е нежелателно.
4. Заключение
При създаването на нови конструкции специализирани роботи за
автоматизация на полупроводниковото производство се открояват тенденции като:
• Нови възгледи за конструкции, включващи синтез на кинематични схеми
характеризиращи се с повече от три степени на свобода, високи манипулационни
възможности и маневреност;
• Използуване на конструкции, осигуряващи висока производителност на
робота;
• Модулност на конструкцията с възможна максимална универсалност на
отделните модули;
• Използуване на кинематични схеми, в които по-голям брой елементи са
разположени под нивото на преместване на силициевите пластини (главно
задвижвания, предавателни механизми и подвижни компоненти на
конструкцията);

7. XVII ННТК с международно участие „АДП-2008”
171
• Използуване на конструкции, чиито възли и елементи, отделящи
механични замърсявания, са надеждно изолирани и уплътнени по отношение на
транспортирания обект.
Постигнати резултати
Систематизирани са най-често използваните оси при разработване на
специализирани роботи за полупроводниковото производство и тяхното
подреждане за локални, регионални и глобални движения. Анализирани са
предимствата и недостатъците на кинематични схеми със зависими и независими
оси R и T.
Изводи
Получените резултати могат да се използват при синтез на нови кинематични
схеми на роботи за манипулиране на силициеви пластини.
Литература
1. Данчев В., Г. Хаджикосев, Основни изисквания към специализираните
роботи използвани в микроелектронното производство, XV национална НТК с
международно участие “Автоматизация на дискретното производство”, АДП 2006,
ноември 2006 г., София, ISSN – 1310-3946.
2. Patent US 4813846 Leybold Heraeus
3. Patent US 4897015 ADE Corporation
4. Patent US 5007784 Genmark Automation
5. Patent US 5178512 Equipe Technologies
6. Patent US 5741113 Kensington Labs
7. Patent US 5789890 Genmark Automation
8. Patent US 5794487 Smart Machines
9. Patent US 6438449 Kawasaki Kabushiki Kaisha
10.Patent US 6764271 Hirata Corporation
11.Patent US 7086822 Rorze Automation
12.Patent Publication US 20050193854 Yaskawa Denki
13.Samsung Electronics - “WTR-300 Robot User’s Manual”
14.Adept Technology Inc. - “Adept Vicron 300S Robot Instruction Handbook”
Данни за авторите:
инж. Веселин Николаев Данчев, Integrated Dynamics Engineering GmbH, Karl
Liebknecht Strasse 30, e-mail: vesselin.dantchev@ideworld.com
инж. Гено Николов Хаджикосев, д-р, доцент, ТУ-София, РБ, 1756 София
Студентски град, кат. АДП, тел. 9652766, факс 9653685, e-mail: genoh@tu-sofia.bg