一种三轴全自动机械手臂机构的制作方法

本实用新型涉及机械手臂技术领域，具体地说是一种三轴全自动机械手臂机构。

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背景技术：
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在LED和半导体行业，湿制程设备利用全自动机械手臂进行晶圆或晶舟的搬运已经成为一项应用越来越普遍的技术。全自动机械手臂作为制程设备最基本的运输类附属机构，其运行的平顺性、稳定性、安全性是其性能的主要体现方式。

晶圆常见的尺寸一般有2"/4"/6"/8"/12"乃至16"，晶圆厚度一般在650～850μm之间。在晶圆制造厂，一片晶圆需要两到三个月的工艺流程，完成450道或者更多的工艺步骤，集成几十到上万个特定芯片，在制造工艺末端，将单个芯片从晶圆上分开，然后封装成最终产品。由此可见，单片晶圆的成本已经远超估量，尤其是在后段封装工艺，晶圆在每一个步骤的任何损坏或破片风险都必须控制在最低限度。基于此，全自动机械手臂运行的稳定性和安全性也被提到了新的高度。

全自动机械手臂的运行一般分为X轴、Y轴和Z轴运动，X轴方向通过伺服电机、减速机带动齿轮齿条运动，实现机械臂在不同制程步骤的搬运；Y轴方向通过伺服电机、减速机及皮带传输机构带动滚珠丝杠上下运动，实现机械臂在同一步骤的提取和放置动作；Z轴方向通过气缸运动，带动转轴和夹具在一定范围内转动，实现对晶圆或晶舟的夹取及放开动作。经过长期的现场实际验证和经验总结，发现全自动机械手臂在X轴和Y轴方向的运行可以满足现在的制程要求，但是Z轴方向的夹取和放开动作可能存在空夹或放置不到位的风险，该风险可能导致破片/过制程/叠货或晶舟翻转。若能提供一种可确保Z轴方向运行稳定性的机构势在必行。

此外，全自动湿制程设备中，常用各种机械臂进行cassette的搬运和传送。常用的机械臂一般要实现X/Y/Z轴三向运动。目前，行业常用吊臂式机械手臂，通过在设备顶部安装滑轨，左右传输，上下方向采用直线减速机构，夹取机构采用双气缸控制，这一技术存在以下问题：(1)左右传输在设备顶部，容易导致粉尘等partical直接落入制程槽，严重影响制程洁净度；(2)上下运动采用直线减速机构，即是粉尘的来源之一，运动平顺度和重复定位精度也较难控制在严格的范围；(3)夹取机构采用双气缸控制，可能存在气源不稳定，两支气缸运动不同步的问题，这将导致cassette夹取不到位甚至cassette载具移位；(4)现有机械臂一般无检测装置，无法判定夹取的动作是否正常无误，导致存在因空夹或夹取不到位引起的晶舟翻转/过制程/叠货或破片的风险。

综上，若能提供一套晶舟夹取侦测机构，以解决Z轴方向夹具夹取判断的问题，并对Z轴是否夹取到位或空夹进行判断及反馈，从而避免因空夹或夹取不到位或放置不到位导致的晶舟翻转/过制程/叠货乃至破片的风险，将具有非常重要的意义。

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技术实现要素：
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本实用新型的目的就是要解决上述的不足而提供一种三轴全自动机械手臂机构，能够避免因空夹或夹取不到位引起的晶舟翻转/过制程/叠货或破片情况，解决了Z轴方向夹具夹取判断的问题。

为实现上述目的设计一种三轴全自动机械手臂机构，包括左右运动机构1、上下运动机构2、夹持机构3、花篮及载具4、Cassette侦测部件5，所述花篮及载具4连接在夹持机构3上,所述夹持机构3连接在上下运动机构2上,所述上下运动机构2连接在左右运动机构1上，所述左右运动机构1顶部安装有Cassette侦测部件5，所述Cassette侦测部件5用于对花篮及载具4的夹取状况及放置位置进行检测，所述花篮及载具4在左右运动机构1、上下运动机构2、夹持机构3的作用下沿左右X轴、上下Y轴、旋转夹取Z轴三个方向运动。

进一步地，所述Cassette侦测部件5通过PLC连接左右运动机构1、上下运动机构2、夹持机构3。

进一步地，所述左右运动机构1包括左右运动电机及减速机11、左右运动齿轮齿条机构12、左右运动导轨导向机构13、固定座机构14，所述左右运动电机及减速机11的输出端连接左右运动齿轮齿条机构12，所述左右运动齿轮齿条机构12连接左右运动导轨导向机构13，所述固定座机构14在左右运动导轨导向机构13的挂载及导向下作X轴方向的左右运动。

进一步地，所述上下运动机构2包括上下运动电机及减速机21、上下运动同步带传输机构22、上下运动丝杠导轨机构23、上下运动防腐轴24、ARM固定轴承机构25，所述上下运动防腐轴24与固定座机构14紧固连接，所述上下运动电机及减速机21的输出端连接上下运动同步带传输机构22，所述上下运动同步带传输机构22连接上下运动丝杠导轨机构23，所述ARM固定轴承机构25在上下运动丝杠导轨机构23的导向下作Y轴方向的上下运动。

进一步地，所述夹持机构3包括夹持机构臂31、夹持机构对称U型夹32、夹持位置感应装置33、夹持机构滑台气缸机构34，所述夹持机构滑台气缸机构34与ARM固定轴承机构25相连接，所述夹持机构滑台气缸机构34的活塞端连接有夹持机构臂31，所述夹持机构臂31连接夹持机构对称U型夹32，所述夹持机构对称U型夹32在夹持机构臂31的带动下做夹紧或放开的Z轴方向旋转运动，所述夹持机构滑台气缸机构34上安装有夹持位置感应装置33。

进一步地，所述夹持机构滑台气缸机构34包括滑台气缸，所述滑台气缸上紧固有引导块及镜像鱼眼轴承，所述滑台气缸通过引导块及镜像鱼眼轴承带动夹持机构臂31做镜像旋转运动。

进一步地，所述Cassette侦测部件5包括红外感应传感器51、传感器安装固定座52、可调传感器支架53、透明PVC防护罩54，所述传感器安装固定座52安装在左右运动机构1顶板上，所述可调传感器支架53连接在传感器安装固定座52上，所述红外感应传感器51安装在可调传感器支架53上，并通过可调传感器支架53调节侦测角度，所述红外感应传感器51外围设有透明PVC防护罩54。

进一步地，所述红外感应传感器51为距离可控的反射型光电传感器。

本实用新型同现有技术相比，通过在原来的全自动机械手臂基础上，加装Cassette侦测部件，传输到PLC，通过Cassette侦测部件传输的信号进行判断，若Z轴存在空夹或夹取不到位的状况，可中断机械手臂在X轴及Y轴的运行，重新夹取成功后，再进行下一步的动作，最终避免因空夹或夹取不到位引起的晶舟翻转/过制程/叠货或破片情况，最终解决了Z轴方向夹具夹取判断的问题；而且，该全自动机械手臂通过对安装位置，动力方式等各个方面的技术改进及提升，以及安全防护装置的增加，适用性更强，成本低，组装制造简单，维护方便，有效的改善了湿制程设备中机械臂的洁净度、安全性、稳定性及可靠性，值得推广应用。

[附图说明]

图1是本实用新型的正面结构示意图；

图2是本实用新型的右侧结构示意图；

图3是图2的俯视图；

图4是本实用新型中Cassette侦测部件的结构示意图；

图中：1、左右运动机构 11、左右运动电机及减速机 12、左右运动齿轮齿条机构 13、左右运动导轨导向机构 14、固定座机构 2、上下运动机构 21、上下运动电机及减速机 22、上下运动同步带传输机构 23、上下运动丝杠导轨机构 24、上下运动防腐轴 25、ARM固定轴承机构 3、夹持机构 31、夹持机构臂 32、夹持机构对称U型夹 33、夹持位置感应装置 34、夹持机构滑台气缸机构 4、花篮及载具 5、Cassette侦测部件 51、红外感应传感器 52、传感器安装固定座 53、可调传感器支架 54、透明PVC防护罩。

[具体实施方式]

下面结合附图对本实用新型作以下进一步说明：

如附图所示，本实用新型包括左右运动机构1、上下运动机构2、夹持机构3、花篮及载具4、Cassette侦测部件5，花篮及载具4连接在夹持机构3上,夹持机构3连接在上下运动机构2上,上下运动机构2连接在左右运动机构1上，左右运动机构1顶部安装有Cassette侦测部件5，Cassette侦测部件5用于对花篮及载具4的夹取状况及放置位置进行检测，花篮及载具4在左右运动机构1、上下运动机构2、夹持机构3的作用下沿左右X轴、上下Y轴、旋转夹取Z轴三个方向运动，Cassette侦测部件5通过PLC连接左右运动机构1、上下运动机构2、夹持机构3。

其中，左右运动机构1包括左右运动电机及减速机11、左右运动齿轮齿条机构12、左右运动导轨导向机构13、固定座机构14，左右运动电机及减速机11的输出端连接左右运动齿轮齿条机构12，左右运动齿轮齿条机构12连接左右运动导轨导向机构13，固定座机构14在左右运动导轨导向机构13的挂载及导向下作X轴方向的左右运动。

上下运动机构2包括上下运动电机及减速机21、上下运动同步带传输机构22、上下运动丝杠导轨机构23、上下运动防腐轴24、ARM固定轴承机构25，上下运动防腐轴24与固定座机构14紧固连接，上下运动电机及减速机21的输出端连接上下运动同步带传输机构22，上下运动同步带传输机构22连接上下运动丝杠导轨机构23，ARM固定轴承机构25在上下运动丝杠导轨机构23的导向下作Y轴方向的上下运动。

夹持机构3包括夹持机构臂31、夹持机构对称U型夹32、夹持位置感应装置33、夹持机构滑台气缸机构34，夹持机构滑台气缸机构34与ARM固定轴承机构25相连接，夹持机构滑台气缸机构34的活塞端连接有夹持机构臂31，夹持机构臂31连接夹持机构对称U型夹32，夹持机构对称U型夹32在夹持机构臂31的带动下做夹紧或放开的Z轴方向旋转运动，夹持机构滑台气缸机构34上安装有夹持位置感应装置33，夹持机构滑台气缸机构34包括滑台气缸，滑台气缸上紧固有引导块及镜像鱼眼轴承，滑台气缸通过引导块及镜像鱼眼轴承带动夹持机构臂31做镜像旋转运动。

Cassette侦测部件5包括红外感应传感器51、传感器安装固定座52、可调传感器支架53、透明PVC防护罩54，传感器安装固定座52安装在左右运动机构1顶板上，可调传感器支架53连接在传感器安装固定座52上，红外感应传感器51安装在可调传感器支架53上，并通过可调传感器支架53调节侦测角度，红外感应传感器51外围设有透明PVC防护罩54，红外感应传感器51为距离可控的反射型光电传感器。

本实用新型的基本原理为：

(1)全自动机械手臂单晶舟夹取侦测机构通过左右运动机构、上下运动机构、夹持机构、Cassette侦测部件的共同作用，实现对花篮及载具在左右X轴/上下Y轴及旋转夹取Z轴三个方向的位移控制及精准检测；

(2)左右运动机构通过左右运动伺服电机和减速机，带动齿轮齿条机构，在导轨导向机构的挂载及导向下实现X轴的水平左右传输；

(3)上下运动机构通过固定座机构与上下运动防腐轴紧固连接，在X轴上实现与左右运动机构的同步运动；同时通过上下运动伺服电机及减速机的动力输出，及同步带动力传输机构和丝杠导轨机构，将电机动力旋转输出转化成上下直线运动，实现机械臂在Y轴方向的上下运动；

(4)夹持机构通过ARM固定轴承机构与夹持机构ARM的轴承连接，与整套系统实现在X轴及Y轴的左右/上下同步运动；同时夹持机构滑台气缸机构作为夹持机构整体动力来源，通过滑台气缸机构上紧固的引导块及镜像鱼眼轴承，将滑台气缸的前后直线运动转化为夹持机构ARM的镜像旋转运动，进而带动夹持机构对称U型夹实现加紧或放开的Z轴方向一定角度的旋转运动，同时通过夹持位置sensor感应机构控制滑台气缸机构的运动行程，进而控制夹持机构对称U型夹夹取或打开的角度；

(5)Cassette侦测部件通过sensor安装固定座安装到左右运动机构顶板上，红外感应sensor通过可调sensor支架实现在-5～30°侦测角度可调，以匹配不同规格的cassette应用，同时透明PVC防护罩作为辅助防护部件，保护感应sensor无论在有机或酸碱环境均能适应且不受腐蚀。红外感应sensor是一种距离可控的反射型光电传感器，并辅助可调角度(-5至30°可调)的支架安装稳定机构，在设定的检测距离内，检测cassette的有无，再通过程序判定，确定是正常夹取/放置或者空夹等状况，进而影响机械臂的下一步动作，有效避免因空夹或夹取不到位引起的晶舟翻转/过制程/叠货或破片情况。

本实用新型针对现有技术的不足，将左右运动机构和上下运动机构采用与制程槽前后水平布置，分区明显，机械臂左右及上下运动空间不与制程槽空间重合，避免了粉尘等污染；该机械臂上下运动采用带刹车的伺服电机控制，控制简单，精度可靠，同时也有一定的断电防护左右；夹取机构采用同一个滑台气缸，利用引导块和鱼眼轴承，将直线运动转化为夹抓的转动运动，动力源统一，避免了两支U型夹动作不同步带来的各种问题；增加cassette侦测装置，对夹取动作进行判断，进一步保证机械臂运行的安全可靠性；该方案适用于所有制程及各规格晶圆；该机构体积及质量控制在一定范围内，耐酸碱及有机化学剂，适用性强；通过可调距离的传感器和可调角度的稳定支架系统，可适用于更多的制程要求和制程场合；结构简单，控制方便，降低了加工和组装难度，易于维护，对于机械臂运行的安全和稳定性有较好的提升。

本实用新型并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。