NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN WAFER ROBOT ỨNG DỤNG TRONG NGÀNH CÔNG NGHIỆP BÁN DẪN

Và Wafer Robot ở đây sẽ được đặt tại vị trí giữa đường ray và một máy công tác, Robot sẽ lấy từng tấm wafer trong hộp cấp cho máy công tác rồi đưa trở lại vào hộp để được vận chuyển đến

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ – BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN WAFER ROBOT ỨNG DỤNG TRONG NGÀNH CÔNG NGHIỆP

BÁN DẪN

SVTH: LÊ TẤN SANG MSSV: 21303338 GVHD: TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH

TP HCM, 2017

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy Ngô Hà

Quang Thịnh, người đã tận tình chỉ bảo em phương pháp nghiên cứu cũng như việc đặt

vấn đề và giải quyết vấn đề Thầy luôn là người truyền động lực cho em để em có thể

hoàn thành tốt nhất các mục tiêu đề ra

Em xin cảm ơn tất cả quý Thầy/Cô trong khoa Cơ khí cũng như quý Thầy/Cô ở

Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã trang bị những kiến thức quý báu cũng như đã

giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại trường

Xin gửi lời cảm ơn đến các thành viên tại văn phòng làm việc của thầy đã giúp đỡ

em nhiệt tình trong quá trình thực hiện mô hình và hỗ trợ về mặt kiến thức để em có thể

hoàn thành tốt luận văn

Bên cạnh đó, xin gửi lời cảm ơn đến các bạn trong lớp CK13KSCD đã nhiệt tình

giúp đỡ mình trong quá trình học tập tại trường và khi làm luận văn

Sau cùng, con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ba và Mẹ Gia đình luôn là nguồn

động lực để con cố gắng trong suốt quá trình học tập và trên những con đường tiếp theo

trong cuộc sống

Sinh viên,

Lê Tấn Sang

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ngành công nghiệp bán dẫn hay sản xuất vi mạch đóng một vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của nền kinh tế hiện đại Một trong những khâu quan trọng ảnh hưởng đến năng suất trong công nghệ sản xuất vi mạch là việc dùng Robot di chuyển tấm wafer Phương pháp hiện đang được sử dụng tại nhiều công ty, đó là sử dụng cánh tay Wafer Robot Và trong phạm vi luận văn tốt nghiệp, Wafer Robot được chọn làm đề tài để nghiên cứu Luận văn này chủ yếu giải quyết vấn đề thiết kế cơ khí, thiết kế hệ thống điện và điều khiển Qua đó giúp làm chủ công nghệ, tối ưu giá thành sản phẩm và chi phí bảo trì

Luận văn gồm có 6 chương như sau:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

MỤC LỤC

DANH SÁCH HÌNH ẢNH v

DANH SÁCH BẢNG BIỂU viii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Cấu tạo của Wafer Robot 3

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 12

1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi của đề tài 13

1.5 Tổ chức luận văn 14

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 16

2.1 Lựa chọn sơ đồ nguyên lý 16

2.2 Lựa chọn hệ thống truyền động 16

2.3 Lựa chọn động cơ truyền động 17

2.4 Lựa chọn phương án dẫn hướng cho đai ốc vít me 18

2.5 Lựa chọn cảm biến 18

2.6 Lựa chọn phương án điều khiển 19

2.7 Thông số thiết kế 20

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ 21

3.1 Phân tích động học robot 21

3.2 Sơ đồ động 26

3.3 Tính toán hệ thống dẫn động trục Z 27

3.4 Tính toán hệ thống dẫn động quay θ 34

3.5 Tính toán hệ thống dẫn động co giãn tay máy R 39

3.6 Tính toán trục 49

3.7 Tính toán chọn ổ lăn 54

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 62

4.1 Sơ đồ khối chung của hệ thống điện 62

4.2 Nguồn điện 62

4.3 Giới thiệu các thành phần chính của hệ thống điện 63

4.3.1 Bộ Servo Pack và động cơ AC Servo dòng Sigma V 63

4.3.2 Board điều khiển ARM-based 66

4.3.3 Một số khí cụ điện khác 69

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 72

5.1 Phương pháp điều khiển Wafer Robot 72

5.2 Chương trình điều khiển trên máy tính 74

5.3 Giải thuật nhúng trên board điều khiển ARM-based 77

5.4 Điều khiển vị trí AC Servo 83

CHƯƠNG 6 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 86

6.1 Mô hình thực nghiệm kiểm tra giải thuật và điều khiển 86

6.2 Thực nghiệm điều khiển động cơ theo đồ thị vận tốc 86

6.3 Thực nghiệm xác định sai số các trục 87

6.4 Thực nghiệm một quy trình vận hành cơ bản của Wafer Robot 90

6.5 Hướng phát triển đề tài 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

PHỤ LỤC A: BÀI BÁO LIÊN QUAN TÁC GIẢ 94

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hệ thống đường ray [3] 2

Hình 1.2 Hộp đựng tấm wafer [3] 2

Hình 1.3 Tấm wafer [4] 3

Hình 1.4 Tấm wafer sau khi được cấy chíp [4] 3

Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc Wafer Robot 4

Hình 1.6 R-θ Wafer Robot 4

Hình 1.7 SCARA Wafer robot 6

Hình 1.8 Bộ truyền vít me [7] 7

Hình 1.9 Bộ truyền đai răng [8] 7

Hình 1.10 Động cơ bước [9] 7

Hình 1.11 Động cơ AC Servo [10] 7

Hình 1.12 Sơ đồ cấu trúc điều khiển 8

Hình 1.13 Vacuum Type [11] 9

Hình 1.14 Contact Type [11] 9

Hình 1.15 Sơ đồ điều khiển động cơ bằng xung 9

Hình 1.16 Đồ thị vận tốc S-curve [15] 10

Hình 1.17 Motion Control Card 11

Hình 1.18 Sơ đồ điều khiển động cơ bằng giải thuật vòng kín 11

Hình 1.19 Model SHR của hãng JEL [5] 12

Hình 1.20 Model IWH Series của hãng ISEL Germany AG [6] 13

Hình 2.1 Phương án kết cấu tay máy 16

Hình 2.2 Phương án bộ truyền vít me 17

Hình 2.3 Phương án bộ truyền đai răng 17

Hình 2.4 Bộ AC Servo Yaskawa 18

Hình 2.5 Trục Spline THK 18

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý các hệ thống truyền động của tay máy 21

Hình 3.2 Hệ trục tọa độ robot 22

Hình 3 3 Cấu trúc phần co giãn R 23

Hình 3 4 Mô hình động học phần co giãn R 23

Hình 3.5 Quan hệ giữa vận tốc góc và góc quay để vận tốc giãn R là hằng số 24

Hình 3.6 Quan hệ giữa vận tốc giãn R và góc quay khi vận tốc góc là hằng số 24

Hình 3.7 Vị trí điểm đầu R = 0 24

Hình 3.8 Vị trí điểm cuối Rmax 24

Hình 3.9 Mô hình động lực học 25

Hình 3.10 Hệ thống dẫn động trục Z 26

Hình 3.11 Hệ thống dẫn động quay θ 26

Hình 3.12 Hệ thống dẫn động trục R 27

Hình 3.13 Sơ đồ phân tích lực trục Z 27

Hình 3.14 Moment xoắn tác dụng lên đĩa xoay 35

Hình 3.15 Moment xoắn tác dụng lên cánh tay giãn R 39

Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống điện 62

Hình 4.2 Nguồn tổ ong 24V 63

Hình 4.3 Servo Pack SGDV 64

Hình 4.4 AC Servo Motor SGMJV 64

Hình 4.5 Đặc tính cơ của động cơ 65

Hình 4.6 Đường đặc tính quá tải 65

Hình 4.7 Sơ đồ đấu dây động cơ và Servopack 66

Hình 4.8 Board điều khiển ARM-based 66

Hình 4.9 Kiến trúc board điều khiển ARM-based 67

Hình 4.10 Mạch PCB 2D 69

Hình 4.11 Mạch PCB 3D 69

Hình 4.12 Contactor LS MC-18a 70

Hình 4.13 Bộ lọc nhiễu SN-E20H 70

Hình 4.14 Relay kính OMRON 71

Hình 4.15 Sơ đồ chân Relay 71

Hình 5.1 Sơ đồ điều khiển 72

Hình 5.2 Phần mềm trên máy tính 74

Hình 5.3 Giải thuật phần mềm điều khiển trên máy tính 76

Hình 5.4 Mô hình điều khiển thực nghiệm 77

Hình 5.5 Giải thuật chính trên board điều khiển 78

Hình 5.6 Mối quan hệ vận tốc và gia tốc đồ thị hình thang 79

Hình 5.7 Quan hệ giữa các đại lượng trong đồ thị S-curve 79

Hình 5.8 Giải thuật về vị trí Home 80

Hình 5.9 Tín hiệu điều khiển động cơ (command và actual) 84

Hình 5.10 Hệ thống trước tuning 85

Hình 5.11 Hệ thống sau khi tuning 85

Hình 5.12 Cơ cấu để tuning động cơ 85

Hình 6.1 Mô hình 3D Wafer Robot 86

Hình 6.2 Mô hình thực nghiệm 86

Hình 6.3 Đồ thị điều khiển vị trí 87

Hình 6.4 Đồ thị vận tốc 87

Hình 6.5 Đo độ chính xác trục Z 88

Hình 6.6 Đo độ chính xác trục R 88

Hình 6.7 Thực nghiệm chạy theo chu trình 90

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng so sánh các bộ điều khiển động cơ 19

Bảng 2.2 Thông số thiết kế 20

Bảng 3.1 Bảng thông số D-H 22

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của động cơ dòng SGMJV 29

Bảng 3.3 Đặc tính kỹ thuật hệ thống truyền động trục Z 30

Bảng 3.4 Bảng hộp giảm tốc Yaskawa lựa chọn cho trục θ 36

Bảng 3.5 Đặc tính kỹ thuật hệ thống truyền động θ 37

Bảng 3.6 Bảng hộp giảm tốc Yaskawa lựa chọn cho trục R 41

Bảng 3.7 Đặc tính kỹ thuật hệ thống truyền động R 42

Bảng 4.3 Công suất điện cần cung cấp cho các thiết bị 62

Bảng 4.4 Công suất điện các thiết bị sử dụng điện AC 63

Bảng 4.1 Thông số cơ bản của board điều khiển 67

Bảng 4.2 Các tín hiệu giao tiếp servo 68

Bảng 5.1 Cấu trúc frame truyền 81

Bảng 5.2 Loại dữ liệu của frame truyền 81

Bảng 5.3 Cấu trúc frame lệnh thực thi 82

Bảng 5.4 Một số mã lệnh COMB0 82

Bảng 5.5 Tín hiệu điều khiển vị trí 83

Bảng 6.1 Bảng kết quả đo 89

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung

Ngành công nghiệp bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế tri thức hiện nay, đặc biệt là cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 Các thiết bị như laptop, điện thoại, ti vi,… đều chứa bên trong nó hàng loạt các loại chíp khác nhau, các loại chíp ấy chính là sản phẩm của ngành công nghiệp bán dẫn

Trên thị trường toàn cầu, thị phần ngành công nghiệp bán dẫn vào khoảng 335 tỉ USD năm 2016, và tốc độ tăng trưởng dự đoán cho năm 2017 là 3,3%, năm 2018 là 2,3% [1] Tại thị trường Việt Nam, ngành công nghiệp bán dẫn được xem là non trẻ tuy nhiên cũng có những bước phát triển chú ý, mục tiêu năm 2017 đạt 100 – 150 triệu USD, tốc độ tăng trưởng hàng năm đạt 15% [2]

Trong ngành công nghiệp bán dẫn thì đặc thù công việc là thao tác với các đối tượng rất nhỏ có thể tới nanomet, cho nên yêu cầu các thiết bị phải làm việc chính xác

và tốc độ cao Ở đây, các qui trình sản xuất luôn được áp dụng công nghệ kỹ thuật cao với hầu hết các máy tự động, con người hay các kỹ thuật viên chỉ đóng vai trò là giám sát các thiết bị, để từ các vật liệu bán dẫn ban đầu, tạo ra các linh kiện điện tử, mạch điện tử Và một trong số những máy tự động giữ vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp này, đó chính là Wafer Robot

Wafer Robot bản chất là cánh tay Robot có nhiệm vụ là di chuyển tấm wafer từ vị trí này đến vị trí khác để phục vụ cho từng công đoạn khác nhau trong quy trình sản xuất

vi mạch Cụ thể hơn, trong nhà máy sản xuất vi mạch, thường là một không gian kín bao gồm các cụm máy tướng ứng với từng quy trình riêng biệt Giữa các cụm máy là các hệ thống đường ray (Hình 1.1) được bố trí trên trần nhà hoặc nền nhà để vận chuyển các hộp đựng tấm wafer (Hình 1.2) giữa các khâu sản xuất Và Wafer Robot ở đây sẽ được đặt tại vị trí giữa đường ray và một máy công tác, Robot sẽ lấy từng tấm wafer trong hộp cấp cho máy công tác rồi đưa trở lại vào hộp để được vận chuyển đến công đoạn tiếp theo Do đó, Wafer Robot sẽ có vai trò góp phần cho quy trình sản xuất vi mạch được tự động hóa hoàn toàn, thao tác với tấm wafer chính xác và ổn định hơn cũng như việc tăng năng suất lao động

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Hình 1.1 Hệ thống đường ray [3] Hình 1.2 Hộp đựng tấm wafer [3]

Về môi trường làm việc của Wafer Robot, tại đây luôn đặt ra yêu cầu nghiêm ngặt

về độ sạch của không khí, yêu cầu các thiết bị, máy móc phải đảm bảo các yêu cầu về môi trường hay người kỹ thuật viên phải trang bị quần áo, trang thiết bị để chống gây bụi bẩn Do đó, muốn đưa một sản phẩm Wafer Robot lên thị trường, phải chú ý đến việc ảnh hưởng môi trường của máy, mà ảnh hưởng đó phần lớn là do bụi từ các bộ truyền, vậy nên phải có biện pháp xử lý hoặc che chắn phù hợp

Về đối tượng thao tác, tấm wafer (Hình 1.3) là một vật liệu quan trọng trong ngành công nghiệp bán dẫn, nó là một tấm silicon mỏng được cắt ra từ thanh silicon hình trụ Vật liệu này được sử dụng là vật liệu nền để sản xuất vi mạch tích hợp Đa số, các vi mạch hiện nay đều được sản xuất bằng cách cấy linh kiện lên tấm wafer để tạo ra những

vi mạch với những chức năng và đặc tính khác nhau (Hình 1.4), phụ thuộc vào môi trường ứng dụng của vi mạch mà lựa chọn các wafer cho phù hợp

Tấm bán dẫn (wafer) với đặc điểm là mỏng (0,005÷20mm), khối lượng nhỏ và dễ biến dạng, tấm wafer yêu cầu cơ cấu Wafer Robot vận chuyển nó có những đặc thù riêng:

 Vận hành với vận tốc cao để đạt hiệu quả về năng suất, bên cạnh đó phải giới hạn về gia tốc để tránh hiện tượng trượt vì tấm wafer chỉ được giữ trên tay nâng bằng lực ma sát

 Yêu cầu cao về độ chính xác và sự linh hoạt trong chuyển động, cần có các biện pháp giảm rung động

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

 Rung và dao động là nguyên nhân gây ra trượt và làm hư hỏng tầm wafer Nếu sản xuất được Wafer Robot trở thành một sản phẩm thương mại tại thị trường Việt Nam có thể mang lại nhiều lợi ích sau:

 Giảm được giá thành sản phẩm so với các thương hiệu từ nước ngoài, góp phần thúc đẩy ngành công nghiệp bán dẫn tại Việt Nam

 Chủ động về mặt công nghệ, có thể tùy chỉnh chức năng theo từng yêu cầu riêng của khách hàng

1.2 Cấu tạo của Wafer Robot

Về cấu trúc, Wafer Robot gồm 6 bộ phận chính (Hình 1.5):

 Thiết bị đầu vào: dùng để thiết lập các dữ liệu vào cho Robot như nút nhấn, bàn phím hay máy tính,…

 Bộ điều khiển: nhận lệnh và điều khiển Robot thực hiện công việc

 Tay máy: phần cơ khí để điều khiển, liên kết các thành phần với nhau và bao gồm bộ phận công tác để thao tác với tấm wafer

 Hệ thống truyền động: nằm trong tay máy để truyền chuyển động quay của động

cơ thành chuyển động của bộ phận công tác

 Thiết bị phản hồi: là các cảm biến bên trong Robot hoặc từ vị trí làm việc để giúp người điều khiển có thể theo dõi được hoạt động

 Thiết bị hiển thị: giao tiếp với người sử dụng, thông báo đến người sử dụng về tình trạng hoạt động của Robot

Hình 1.3 Tấm wafer [4] Hình 1.4 Tấm wafer sau khi được cấy chíp [4]

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Input/OutputDevice

ControlUnit

Robot Tooling

Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc Wafer Robot

Về sơ đồ nguyên lý, có nhiều loại được đưa vào sử dụng cho Wafer Robot như

SCARA robot, robot nối tiếp hay R-θ robot,…

R-θ Robot 3 bậc tự do

R-θ robot 3 bậc tự do (Hình 1.6) là một trong những cấu trúc đầu tiên được đưa vào ứng dụng cho việc vận chuyển tấm wafer do sự thuận lợi cho những thao tác của cánh tay với hộp đựng Robot bao gồm 3 phần cơ bản: phần nâng hạ (trục Z), phần xoay (θ) và phần co giãn tay máy (R)

θ Z

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Ưu điểm

 Sơ đồ nguyên lý đơn giản, phù hợp yêu cầu công việc

 Khối lượng tập trung hầu hết ở phần thân trụ, nên quán tính khi quay nhỏ

 Chỉ cần 3 bậc tự do nên việc điều khiển dễ dàng hơn

SCARA Robot 4 bậc tự do

SCARA viết tắt của từ “Selective Compliance Assembly Robot Arm” hay

“Selective Compliance Articulated Robot Arm” là loại robot được phát triển dưới sự hướng dẫn của giáo sư Hiroshi Makio, trường đại học Yamanashi (Nhật Bản) năm 1981 Tuy mới ra đời hơn 30 năm, nhưng SCARA robot đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp, đặc biệt với ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như lắp ráp các chi tiết trên mặt phẳng,…

Trong lĩnh vực sản xuất vi mạch, SCARA Robot cũng đang dần chiếm tỷ trọng cao so với dạng R-θ robot truyền thống Với những yêu cầu trong việc thao tác với hộp đựng tấm wafer một cách linh hoạt, một dạng 4 bậc tự do của SCARA Robot (Hình 1.7) được đưa ra và sử dụng phổ biến hiện nay Robot bao gồm 4 phần cơ bản: phần nâng hạ (trục Z), 3 phần xoay (θ1, θ2 và θ3)

Ưu điểm

 Động cơ truyền động trực tiếp cho mỗi khớp, tốc độ và độ chính xác cao

 Mỗi khớp xoay đều có thể xoay toàn vòng nên linh hoạt trong di chuyển, diện tích cần thiết cho thao tác vận chuyển tấm wafer nhỏ hơn so với dạng R-θ

 Kết cấu cơ khí đơn giản hơn so với dạng R-θ

a) Mô hình [6] b) Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.7 SCARA Wafer robot Nhược điểm

 Yêu cầu tối thiểu 4 bậc tự do để đáp ứng yêu cầu công việc nên việc điều khiển phức tạp hơn

 Khi động cơ đặt tại khớp quay, khối lượng tay máy dạng SCARA sẽ lớn so với tay máy dạng R-θ, quán tính khi quay khi đó cũng sẽ lớn hơn, dễ gây ra rung động dư trong điều khiển vị trí

Về hệ thống truyền động ở các trục thường sử dụng bộ truyền vít me bi và bộ

truyền đai răng:

- Bộ truyền vít me bi (Hình 1.8): có ưu điểm là hiệu suất và độ tin cậy cao, moment khởi động nhỏ, hiệu suất truyền động cao có thể lên đến 95%, tuổi thọ cao, dịch chuyển mịn trong suốt hành trình Tuy nhiên, vít me vẫn có những nhược điểm như: Yêu cầu bảo dưỡng định kỳ, bôi trơn thường xuyên, tạp chất có thể giảm tuổi thọ của vít me Chi phí lớn khi ứng dụng đòi hỏi hành trình dài

- Bộ truyền đai răng (Hình 1.9): Phù hợp với những ứng dụng tốc độ cao, hành trình dài, chi phí thấp, truyền động giữa các trục song song Kéo được tải nhẹ hơn so với vít me Không có bảo vệ khi quá tải

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Hình 1.8 Bộ truyền vít me [7] Hình 1.9 Bộ truyền đai răng [8]

Về động cơ cho từng trục, thường dùng 2 loại chính:

- Động cơ bước (Hình 1.10): với những ưu điểm như: giá rẻ, ít phải bảo trì, đáp ứng tốt lúc start/stop Nhược điểm của động cơ bước là giới hạn về mặt tốc độ, rung động và ồn khi chạy ở tốc độ cao, trong lúc chạy quá tải sự đồng bộ bị mất, không có tín hiệu phản hồi

- Động cơ AC Servo (Hình 1.11): với những ưu điểm như cung cấp torque lớn, điều khiển vận tốc tốt hơn, ít ồn, quay mượt ở tốc độ chậm Bên cạnh đó, có thể kiểm soát được quá trình vận hành thông qua hàng loạt các tín hiệu phản hồi và cảnh báo khi gặp sự cố Servopack còn có các chức năng giao tiếp máy tính và điều khiển bằng tay Tuy nhiên, động cơ servo có nhược điểm là: đắt, yêu cầu phải hiệu chỉnh với từng tải trọng khác nhau

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Về dạng điều khiển, có 2 kiểu:

- Điều khiển không đồng bộ: di chuyển không đồng thời các trục của tay máy nên giải thuật điều khiển đơn giản, tuy nhiên có nhược điểm là không tối ưu được đường đi

và tốn nhiều thời gian hơn

- Điều khiển đồng bộ: di chuyển đồng thời nhiều trục để được một quỹ đạo nhất định, giải thuật điều khiển phức tạp hơn, nội suy đường thẳng hay đường tròn, tuy nhiên

có ưu điểm là nâng cao hiệu suất tay máy, tối ưu được quảng đường đi

Về cấu trúc điều khiển: bộ điều khiển sẽ nhận các tham số cần cho quá trình vận hành từ các thiết bị nhập như máy tính hay nút nhấn Sau đó sẽ tính toán, xử lý dữ liệu

để đưa ra các thông số trong quỹ đạo di chuyển tấm wafer Từ đó, bộ điều khiển sẽ xuất tín hiệu điều khiển cho động cơ hoạt động

Controller

Input Device(PC/Keyboard)

ServoMotor

Hình 1.12 Sơ đồ cấu trúc điều khiển

Về bộ phận công tác (Wafer Handler)

Wafer Handler dùng để nâng tấm wafer thường có dạng chữ Y, có kết cấu sử dụng khí nén hoặc sử dụng các núm cao su, dựa vào ma sát để giữ tấm wafer Vật liệu là alumina ceramic, loại vật liệu được dùng phổ biển trong các linh kiện điện tử có tính cách điện cao, độ bền tốt và chống mài mòn

Hiện nay có nhiều loại Wafer Handler khác nhau như:

 Vacuum Type End-Effector (Hình 1.13): sử dụng hệ thống khí nén để giữ 1 mặt tấm wafer

 Contact Type End-Effector (Hình 1.14): sử dụng các núm cao su để giữ 1 mặt tấm wafer

 Bernoulli Type End-Effector: sử dụng định luật Bernoulli để giữ tấm wafer mà không tiếp xúc

 Double Type End Effector: có kết cấu 2 tay nâng cao hiệu suất công việc

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Về giải thuật điều khiển vị trí

Nội dung điều khiển chính được đặt ra cũng giống như hầu hết các dạng cánh tay robot khác là điều khiển vị trí cho các trục (point-to-point motion) Phương pháp điều khiển vị trí có thể sử dụng là điều khiển vòng hở thông qua điều khiển việc xuất xung hoặc điều khiển vòng kín với các giải thuật PID hay fuzzy PID,…

Điều khiển vị trí bằng xung

Là phương pháp điều khiển vị trí phổ biến cho các loại động cơ Step và AC Servo (Hình 1.15) trong môi trường công nghiệp Sử dụng số lượng xung cấp cho driver để driver điều khiển động cơ quay một góc nhất định, 1 xung tương ứng với một góc quay xác định Bên cạnh đó, khi điều khiển vị trí bằng xung thì tốc độ động cơ sẽ phụ thuộc vào tần số xuất xung, thông qua việc điều khiển tần xuất xung số đó sẽ điều khiển được tốc độ của động cơ

AC ServoMotor

Pulse Signal

StepMotor

Pulse Signal

Hình 1.15 Sơ đồ điều khiển động cơ bằng xung

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Để điều khiển xung cả về số lượng và vận tốc, giải thuật điều khiển quỹ đạo theo

đồ thị vận tốc được sử dụng phổ biến Đây cũng là một giải pháp phù hợp để kiểm soát được mức quán tính cũng như các thông số giới hạn về vận tốc, gia tốc, “jerk” trong quá trình di chuyển tấm wafer, nâng cao đáp ứng của chuyển động Các thông số sẽ được kiểm soát trong toàn bộ chuyển động từ vị trí bắt đầu đến vị trí mong muốn Đồ thị vận tốc thường được sử dụng có dạng hình thang hoặc S-curve (Hình 1.16)

 Bị trượt xung làm sai vị trí, mà nguyên nhân chủ yếu là do quá tải

Hiện nay, trên thế giới việc điều khiển quỹ đạo theo đồ thị vận tốc được nghiên cứu, phát triển đa dạng về mặt lý thuyết Giải thuật đồ thị chuyển động theo hàm đa thức (Polynomial Trajectory) hay lượng giác (Trigonometric Trajectory) được nghiên cứu và đưa ra lý thuyết [12] Giải thuật xử lý giới hạn vận tốc, gia tốc, jerk và tối ưu thời gian chuyển động được giới thiệu trong Digital Motion Control Lettures [13] Phân tích các dạng đồ thị hình thang, s-curve, parabolic và đưa ra mô hình toán trong Mathematics

of Motion Control Profile [14] Nhiều bài báo nghiên cứu về giải thuật cho đồ thị đối

a) PMAC của hãng Delta Tau [16] b) PPCI7443 của hãng Nippon [17]

Hình 1.17 Motion Control Card

Điều khiển vị trí bằng giải thuật PID (Hình 1.18)

Là phương pháp thường sử dụng để điều khiển vị trí cho động cơ DC Servo, xử lý sai số với các phép toán tỉ lệ, tích phân, đạo hàm Còn với động cơ AC Servo và Step thì việc sử dụng giải thuật vòng kín để điều khiển được sử dụng khi không có yêu cầu khắc khe về giới hạn vận tốc và gia tốc

Controller Motion Control

Board Servo Pack

AC ServoMotor

Voltage Signal

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Nhược điểm

 Kém chính xác hơn trong điều khiển vị trí

 Giải thuật điều khiển phức tạp hơn

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Hiện nay, trong nước có một số bài báo nghiên cứu các vấn đề xung quanh Wafer Robot nhằm nâng cao chuyển động của Robot như “Development of A Vibration Suppression GUI Tool based on Input Preshaping and Its Application to Semiconductor Wafer Transfer Robot” của tác giả Dương Minh Đức (ĐH Bách Khoa Hà Nội) Còn sản phẩm thương mại thì hiện nay chưa có doanh nghiệp Việt Nam nào sản xuất

Ngoài nước thì việc nghiên cứu Wafer Robot đa dạng hơn với nhiều sản phẩm thương mại và hàng loạt các bài báo liên quan các vấn đề như “Controller design and optimal tuning of a wafer handling robot”[18], “Research on a novel R-θ wafer-handling robot”[19]

- Model một tay máy SHR3158 của hãng JEL

Hình 1.19 Model SHR của hãng JEL [5]

Thông số kỹ thuật

 Bậc tự do: 3

 Khối lượng tải: 3 kg/tay máy

 Phương pháp giữ tấm wafer: hút chân không

 Độ sạch môi trường: ISO 1

 Kết nối giao tiếp: RS232C

 Nguồn điện: 220VAC

Model một tay máy của hãng ISEL (Đức)

Hình 1.20 Model IWH Series của hãng ISEL Germany AG [6]

Thông số kỹ thuật

 Bậc tự do: 4

 Khối lượng tải: 1,25 kg/tay máy

 Tầm hoạt động (phương bán kính R): 355,6 mm (1100 mm/s)

 Phương pháp giữ tấm wafer: hút chân không

 Độ sạch môi trường: ISO 1

 Kết nối giao tiếp: RS232, ethernet RJ45

 MTBF (mean time between failures): lớn hơn 50 000 giờ

 Nguồn điện 220VAC

1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi của đề tài

1.4.1 Mục tiêu đề tài

Từ việc tìm hiểu ở trên cùng các đặc tính kỹ thuật của các máy trong thực tế, đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế và điều khiển tay máy Wafer Robot gồm phần cơ khí, điện và bộ điều khiển động cơ AC Servo có thông số như sau:

 Khối lượng tải: 2 kg

 Tầm hoạt động trục Z: 300 mm, tốc độ tối đa 100 mm/s

 Tầm hoạt động theo phương bán kính R: 550 mm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

 Thiết kế cơ khí theo sơ đồ nguyên lý, vẽ bản vẽ lắp và thực hiện chế tạo mô hình thực nghiệm

 Thiết kế hệ thống điện

 Thiết kế bộ điều khiển có khả năng điều khiển vị trí và giao tiếp máy tính

 Thực nghiệm đánh giá kết quả

1.4.3 Phạm vi đề tài

Từ mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể được nêu, đề tài này tập trung thiết kế Wafer Robot nằm trong phạm vi như sau:

 Thiết kế Wafer Robot 3 bậc tự do

 Cơ cấu tác động cuối dùng cho tấm wafer có đường kính tối đa 200 mm

 Vận hành thực nghiệm điều khiển giữa 3 vị trí

1.5 Tổ chức luận văn

Luận văn được chia làm 6 chương, các chương có nội dung như sau:

 Chương 1: trình bày tổng quan về vị trí, vai trò của Wafer Robot, cũng như các đặc điểm kỹ thuật về mặt cấu tạo

 Chương 2: lựa chọn các phương án thiết kế từ các phương án đã tìm hiểu ở phần tổng quan

 Chương 3: trình bày các tính toán thiết kế cơ khí bao gồm các bộ truyền, tính toán trục và chọn ổ lăn Phân tích động học phần giãn R của Wafer Robot

 Chương 4: trình bày về hệ thống điện được sử dụng, đặc tính kỹ thuật của các khí cụ điện liên quan

 Chương 5: trình bày về bộ điều khiển bao gồm chương trình trên máy tính và board điều khiển được thiết kế để điều khiển động cơ và giao tiếp máy tính

 Chương 6: trình bày kết quả đạt được và một số kết quả thực nghiệm Đưa ra nhận xét và đề xuất hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 Lựa chọn sơ đồ nguyên lý

Dựa vào việc tham khảo một số tay máy có trên thị trường và mục tiêu của đề tài, chọn cấu trúc R-θ 3 bậc tự do cho Wafer Robot Cấu trúc R-θ tuy chỉ với 3 bậc tự do nhưng hoàn toàn phù hợp nhiệm vụ thao tác với tấm wafer trong hộp đựng Trong đó, phần co giãn R được thiết kế đặc biệt gồm 3 tay máy Các tay máy chuyển động quay phụ thuộc nhau sao cho đảm bảo cho tay máy thứ 3 luôn tịnh tiến theo một phương xác định

θ Z

Hình 2.1 Phương án kết cấu tay máy

Chọn bộ phận công tác có dạng chữ Y, bề mặt có các núm cao su tạo ma sát giữ tấm wafer trong quá trình di chuyển Loại này có ưu điểm là kết cấu đơn giản nhưng khó giữ tấm wafer khi di chuyển tốc độ cao so với loại sử dụng khí nén

2.2 Lựa chọn hệ thống truyền động

Yêu cầu đặt ra cho hệ thống truyền động là phải có tỉ số truyền cố định, đảm bảo

độ chính xác và làm việc được ở tốc độ cao Từ đó, chọn bộ truyền vít me – đai ốc bi cho trục Z để biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến Chọn bộ truyền đai răng cho trục xoay θ và trục theo phương bán kính R

Ưu điểm của bộ truyền vit me – đai ốc bi là có hiệu suất lớn hơn hẳn so với loại vít me thường, thường trên 90% Hơn nữa, tuổi thọ sử dụng lớn, độ chính xác trong điều

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

khiển vị trí là ưu thế nổi bật so với các loại piston khí nén hay thủy lực Bên cạnh đó, vít me bi tồn tại nhược điểm là không có khả năng tự hãm cũng như giá thành khá cao Đai răng được chọn là loại gờ hình thang, có ưu điểm làm việc êm ở tốc độ cao, tỉ

số truyền cố định, giá thành thấp Gờ hình thang giúp cho bề mặt tiếp xúc lớn, phù hợp cho các ứng dụng băng tải Tuy nhiên, gờ hình thang tồn tại khe hở lớn so với các loại đai gờ hình tròn GT2, GT3, do đó độ chính xác kém hơn Bên cạnh đó, khi sử dụng bộ truyền đai răng, cần chú ý đến việc căng đai, lực căng đai quá nhỏ sẽ làm khe hở lớn, ảnh hướng đến sai số, lực căng đai quá lớn sẽ làm giảm tuổi thọ dây đai

2.3 Lựa chọn động cơ truyền động

Với yêu cầu điều khiển vị trí theo đồ thị vận tốc, chọn sử dụng động cơ AC Servo

là phương án có độ ổn định cao trong môi trường công nghiệp Tuy giá thành cao, nhưng theo đó thì chất lượng điều khiển là ưu điểm nổi bật, làm việc êm, tốc độ cao và chính xác Động cơ cùng với servopack đi kèm cho phép điều khiển vị trí bằng phương pháp vòng hở tương tự như động cơ Step, đặc biệt hơn là có thể kiểm soát được quá trình vận hành thông qua hàng loạt các tín hiệu phản hồi và cảnh báo khi gặp sự cố Servopack còn có các chức năng giao tiếp máy tính và điều khiển bằng tay Bên cạnh đó, bộ AC Servo sẽ cho đáp ứng điều khiển vị trí khác nhau về độ vọt lố hay thời gian xác lập khi tải trọng thay đổi, do đó khi sử dụng cần tunning để đạt được đáp ứng mong muốn Một điểm đáng chú ý là động cơ AC Servo có điện áp rò lớn, nên trong quá trình hoạt động cần nối đất các thiết bị, dùng bộ lọc nguồn và cần xử lý nhiễu cho các tín hiệu điều khiển cũng như tín hiệu phản hồi trước khi sử dụng

Hình 2.2 Phương án bộ truyền vít me [7] Hình 2.3 Phương án đai răng [8]

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Hình 2.4 Bộ AC Servo Yaskawa [20]

2.4 Lựa chọn phương án dẫn hướng cho đai ốc vít me

Việc lựa chọn vít me là phương án truyền động cho trục tịnh tiến Z, do đó cần có trục dẫn hướng cho đai ốc Bên cạnh việc dẫn hướng, trục còn có thêm nhiệm vụ truyền chuyển động quay cho cơ cấu giãn tay máy R nên không thể sử dụng ray trượt tròn hay ray trượt vuông được Ở đây, trục Spline bi được lựa chọn để đáp ứng đồng thời cả hai yêu cầu trên

Trục Spline bi có ưu điểm là độ chính xác cao, quá trình dẫn hướng êm nhờ vào

ma sát lăn, quá trình truyền chuyển động quay cũng có hiệu suất lớn

Hình 2.5 Trục Spline THK [21]

2.5 Lựa chọn cảm biến

Cảm biến trong tay máy Wafer Robot được dùng để xác định vị trí Home và các giới hạn hành trình Có 2 loại thường được sử dụng là cảm biến tiệm cận và công tắc hành trình Ở đây chọn dùng công tắc hành trình cho giới hạn hành trình của từng trục

và dùng làm cảm biến Home ở một đầu hành trình

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

 Nhược điểm: tuổi thọ ngắn hơn so với cảm biến công nghệ bán dẫn, bị hao mòn

2.6 Lựa chọn phương án điều khiển

Có nhiều phương án cho bộ điều khiển AC Servo như máy tính với board motion control hay vi điều khiển, PLC,…

Bảng 2.1 Bảng so sánh các bộ điều khiển động cơ

Tính chuyên biệt

Các module điều khiển chuyển động chuyên dùng được kết nối qua cổng PCI hay USB

Được thiết kế cho điều khiển chuyển động chung

Các module chuyên dùng điều khiển động cơ

Khả năng chống

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Ở đây chọn kết hợp máy tính và board motion control để làm bộ điều khiển cho động cơ AC Servo Trong đó board motion control được thiết kế từ vi điều khiển nhằm mục đích giảm giá thành sản phẩm và có thể can thiệp sâu vào giải thuật điều khiển vị trí theo đồ thị vận tốc

Về giải thuật điều khiển, chọn phương án điều khiển vị trí bằng xung và điều khiển đồng bộ giữa các trục, các trục sẽ chuyển động đồng thời với vận tốc lớn nhất thiết lặp

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Dựa vào nhu cầu thực tế tại một số công ty sản xuất, chọn chế độ làm việc cho tay máy như sau: thời gian phục vụ 10 năm, mỗi năm làm việc 300 ngày, mỗi ngày 2 ca, mỗi ca 4 tiếng Vậy thời gian máy hoạt động tổng cộng là:

3 – Con trượt Spline

4 – Động cơ truyền động phương bán kính R

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý các hệ thống truyền động của tay máy

3.1 Phân tích động học robot

Phân tích động học ở đây có nhiệm vụ biến đổi các thông số vị trí của bộ phận công tác cuối từ tọa Descartes sang tọa độ cực hoặc ngược lại Bên cạnh đó, xem xét phần động học cơ cấu co giãn tay máy R, khảo sát vị trí, vận tốc co giãn R theo từng góc quay của tay máy

Gán hệ trục tọa độ:

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

A

Hình 3 3 Cấu trúc phần co giãn R Hình 3 4 Mô hình động học phần co giãn R

Trong đó, xét mô hình có các thông số sau:

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Hình 3.7 Vị trí điểm đầu R = 0 Hình 3.8 Vị trí điểm cuối Rmax

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Hình 3.9 Mô hình động lực học

Phân tích động lực học phần co giãn R của cánh tay robot [19]

Lấy đạo hàm vị trí tại điểm B từ phương trình 3.12, có

{

𝑥̇𝐵 = −3𝑙𝜃̇1𝑠𝑖𝑛𝜃1

2𝑦̇𝐵 =𝑙𝜃̇1𝑐𝑜𝑠𝜃1

𝑋(𝜃1) = 2𝑙2[𝑚1+ 𝑚2

𝑌(𝜃1) = 2𝑙2(𝑚2+ 2𝑚3)sin (2𝜃1) (3.19)

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

1 – Động cơ điện AC Servo 1; 2 – Bộ truyền đai răng

4

1 – Động cơ điện AC Servo 2; 2 – Nối trục cứng

3 – Bộ truyền đai răng; 4 – Đĩa xoay

Hình 3.11 Hệ thống dẫn động quay θ

c/ Chuyển động tịnh tiến theo phương bán kính R

Chuyển động này được dẫn động từ động cơ thông qua 2 bộ truyền đai răng thường

và 2 bộ truyền đai răng hành tinh (Hình 3.12)

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

1

2

3

45

67

8

1 – Động cơ điện AC Servo 3; 2,3,5,7 – Bộ truyền đai răng

4 – Khuỷu tay 3; 6 – Khuỷu tay 2; 8 – Khuỷu tay 1

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

 Thời gian làm việc 𝑡 = 19200 𝑔𝑖ờ

 Điều kiện làm việc: di chuyển tốc độ cao với tải trọng ổn định

Thông số đầu bài:

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

𝜌 = 2780 𝑘𝑔/𝑚3: khối lượng riêng hợp kim nhôm

- Công suất: 200W

- Vận tốc định mức: 3000 vòng/ph

- Moment xoắn định mức: 0,637 N.m

- Moment xoắn tối đa: 2,23 N.m

- Moment quán tính trục động cơ: 0,259.10-4 kg.m2

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của động cơ dòng SGMJV

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Moment quán tính của tải trên trục:

𝐽𝐿 = 0,745 10−5< 15.0,259 10−4 = 3,885 10−4 𝑘𝑔 𝑚2 (3.30) Vậy động cơ thỏa các yêu cầu đề ra

Bảng 3.3 Đặc tính kỹ thuật hệ thống truyền động trục Z

Trục

Trục Động cơ

Trục Vít me

Con Trượt Công suất

100 mm/s

Tính toán bộ truyền đai răng

Công suất thiết kế

Chọn dạng đai

Dựa vào công suất và tốc độ quay của bánh dẫn (𝑃𝑑 = 73,92 𝑊, 𝑛1 =

1200 𝑣𝑔/𝑝ℎ), theo sơ đồ Hình 4.28 [22, tr.176], chọn đai răng loại XL

Lựa chọn dây đai

Chiều dài dây đai cần thiết:

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ