真空機器人的磁性聯(lián)軸器及軸系理論建模與實驗研究.pdf

1、真空機器人是半導體前道集束型設備中各反應工藝腔室之間傳輸晶圓的核心部件,歸屬于禁運產(chǎn)品,已成為制約我國半導體整機裝備制造的“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器人性能提高的技術瓶頸。因此,真空機器人關鍵技術的突破及原型系統(tǒng)的創(chuàng)新設計,對實現(xiàn)具有自主知識產(chǎn)權的半導體整機設備核心部件具有重要的理論意義和實際應用價值。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,結合磁力傳動技術和直接驅(qū)動技術,設計

2、兩自由度同軸布局的真空機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)剛度的關系。并使用三維有限元法分別對軛鐵的導磁效應、多組磁性聯(lián)軸器間的磁耦合效應以及四種不同構型的內(nèi)外軸式磁性聯(lián)軸器進行了仿真分析。分析結果被應用于磁性聯(lián)軸器的優(yōu)化設計。
　　 基于磁性聯(lián)軸器在真空機器人軸系中實際應用時的耦合工況,以同時優(yōu)化兩組磁性聯(lián)軸器為例,建立了磁性聯(lián)軸器設計幾何參數(shù)優(yōu)化的

4、目標函數(shù)。創(chuàng)新地提出了一種基于正交實驗設計技術的小范圍窮舉優(yōu)化設計方案,該方案縱觀全局的設計參數(shù),結合了解析法運算效率高和三維有限元法求解精度高的優(yōu)點,利用正交實驗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)組的指標值提高了約30％,優(yōu)化結果與設計的目標值一致。
　　 研制了具有兩自由度同軸布局的真空機器人動力傳遞軸系原型系統(tǒng)。結合真空機器

5、人的開發(fā),創(chuàng)新地將隔離密封套設計為臺階式的空心薄壁容器構件,并對隔離套的強度和徑向變形進行了校核,對隔離套上的渦流損失進行了研究分析。此外,提出了一種適用于真空機器人的磁性聯(lián)軸器設計方案,對分體式直接驅(qū)動電機軸系的設計進行了研究,對下一代真空機器人的研發(fā)有著重要的參考價值。
　　 最后,研制了可測試磁性聯(lián)軸器內(nèi)外轉(zhuǎn)子間偏位影響的實驗平臺,進行了軸向偏位、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。實驗結

6、果表明,在實際應用中,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。實驗中,磁性聯(lián)軸器的動態(tài)跟蹤性能良好,在啟動階段,響應時間小于0.01s；當峰值速度為670deg/s,加速度為1260deg/s2時,穩(wěn)定時間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定位精度,以及動態(tài)響應特性進行了測試,結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