Đang tải... (xem toàn văn)
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 mms Tầm hoạt động theo phương bán kính R: 550 mm Độ chính xác vị trí: ±0,1 mm Vận hành tự động, di chuyển tấm wafer từ hộp đựng đến vị trí công tác, sau đónhận lại tấm wafer rồi đặt vào hộp. Có thể điều khiển, giám sát quá trình thông qua máy tính. Các nhiệm vụ cụ thể cần phải được thực hiện như sau: Đề xuất và lựa chọn phương án cho từng phần cấu tạo của máy.CHƯƠNG 1. T Thiết kế cơ khí theo sơ đồ nguyên lý, vẽ bản vẽ lắp và thực hiện chế tạo môhình 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.
TĨM TẮT LUẬN VĂN Ngành cơng nghiệp bán dẫn hay sản xuất vi mạch đóng vai trò quan trọng phát triển kinh tế đại Một khâu quan trọng ảnh hưởng đến suất công nghệ sản xuất vi mạch việc dùng Robot di chuyển wafer Phương pháp sử dụng nhiều cơng ty, sử dụng cánh tay Wafer Robot Và phạm vi luận văn tốt nghiệp, Wafer Robot chọn làm đề tài để nghiên cứu Luận văn chủ yếu giải vấn đề thiết kế khí, thiết kế hệ thống điện điều khiển Qua giúp làm chủ công nghệ, tối ưu giá thành sản phẩm chi phí bảo trì Luận văn gồm có chương sau: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN 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 ii MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH ẢNH v DANH SÁCH BẢNG BIỂU viii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Cấu tạo Wafer Robot 1.3 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 12 1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ phạm vi đề tài 13 1.5 Tổ chức luận văn 14 CHƯƠNG 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 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 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ 21 3.1 Phân tích động học robot 21 3.2 Sơ đồ động 26 3.3 Tính tốn hệ thống dẫn động trục Z 27 3.4 Tính toán hệ thống dẫn động quay θ 34 3.5 Tính tốn hệ thống dẫn động co giãn tay máy R 39 3.6 Tính tốn trục 49 3.7 Tính tốn chọn ổ lăn 54 iii CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 62 4.1 Sơ đồ khối chung hệ thống điện 62 4.2 Nguồn điện 62 4.3 Giới thiệu thành phần hệ thống điện 63 4.3.1 Bộ Servo Pack động 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 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 72 5.1 Phương pháp điều khiển Wafer Robot 72 5.2 Chương trình điều khiển máy tính 74 5.3 Giải thuật nhúng board điều khiển ARM-based 77 5.4 Điều khiển vị trí AC Servo 83 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 86 6.1 Mơ hình thực nghiệm kiểm tra giải thuật điều khiển 86 6.2 Thực nghiệm điều khiển động theo đồ thị vận tốc 86 6.3 Thực nghiệm xác định sai số trục 87 6.4 Thực nghiệm quy trình vận hành 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 iv DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hệ thống đường ray [3] Hình 1.2 Hộp đựng wafer [3] Hình 1.3 Tấm wafer [4] Hình 1.4 Tấm wafer sau cấy chíp [4] Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc Wafer Robot Hình 1.6 R-θ Wafer Robot Hình 1.7 SCARA Wafer robot Hình 1.8 Bộ truyền vít me [7] Hình 1.9 Bộ truyền đai [8] Hình 1.10 Động bước [9] Hình 1.11 Động AC Servo [10] Hình 1.12 Sơ đồ cấu trúc điều khiển Hình 1.13 Vacuum Type [11] Hình 1.14 Contact Type [11] Hình 1.15 Sơ đồ điều khiển động xung 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 giải thuật vòng kín 11 Hình 1.19 Model SHR hãng JEL [5] 12 Hình 1.20 Model IWH Series hãng ISEL Germany AG [6] 13 Hình 2.1 Phương án kết cấu tay máy 16 Hình 2.2 Phương án truyền vít me 17 Hình 2.3 Phương án truyền đai 17 Hình 2.4 Bộ AC Servo Yaskawa 18 v Hình 2.5 Trục Spline THK 18 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động tay máy 21 Hình 3.2 Hệ trục tọa độ robot 22 Hình 3 Cấu trúc phần co giãn R 23 Hình Mơ hình động học phần co giãn R 23 Hình 3.5 Quan hệ vận tốc góc góc quay để vận tốc giãn R số 24 Hình 3.6 Quan hệ vận tốc giãn R góc quay vận tốc góc số 24 Hình 3.7 Vị trí điểm đầu R = 24 Hình 3.8 Vị trí điểm cuối Rmax 24 Hình 3.9 Mơ 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 động 65 Hình 4.6 Đường đặc tính q tải 65 Hình 4.7 Sơ đồ đấu dây động Servopack 66 Hình 4.8 Board điều khiển ARM-based 66 Hình 4.9 Kiến trúc board điều khiển ARM-based 67 vi 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 máy tính 74 Hình 5.3 Giải thuật phần mềm điều khiển máy tính 76 Hình 5.4 Mơ hình điều khiển thực nghiệm 77 Hình 5.5 Giải thuật board điều khiển 78 Hình 5.6 Mối quan hệ vận tốc gia tốc đồ thị hình thang 79 Hình 5.7 Quan hệ đại lượng đồ thị S-curve 79 Hình 5.8 Giải thuật vị trí Home 80 Hình 5.9 Tín hiệu điều khiển động (command actual) 84 Hình 5.10 Hệ thống trước tuning 85 Hình 5.11 Hệ thống sau tuning 85 Hình 5.12 Cơ cấu để tuning động 85 Hình 6.1 Mơ hình 3D Wafer Robot 86 Hình 6.2 Mơ 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 xác trục Z 88 Hình 6.6 Đo độ xác trục R 88 Hình 6.7 Thực nghiệm chạy theo chu trình 90 vii DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng so sánh điều khiển động 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 động 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 thiết bị 62 Bảng 4.4 Công suất điện thiết bị sử dụng điện AC 63 Bảng 4.1 Thông số 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 liệu 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 đo 89 viii CHƯƠNG TỔNG QUAN CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung Ngành cơng nghiệp bán dẫn đóng vai trò quan trọng phát triển kinh tế tri thức nay, đặc biệt cách mạng công nghiệp 4.0 Các thiết bị laptop, điện thoại, ti vi,… chứa bên hàng loạt loại chíp khác nhau, loại chíp sản phẩm ngành công nghiệp bán dẫn Trên thị trường tồn cầu, thị phần ngành cơng nghiệp bán dẫn vào khoảng 335 tỉ USD năm 2016, tốc độ tăng trưởng dự đoán cho năm 2017 3,3%, năm 2018 2,3% [1] Tại thị trường Việt Nam, ngành công nghiệp bán dẫn xem non trẻ nhiên có bước phát triển 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 đặc thù cơng việc thao tác với đối tượng nhỏ tới nanomet, yêu cầu thiết bị phải làm việc xác tốc độ cao Ở đây, qui trình sản xuất ln áp dụng cơng nghệ kỹ thuật cao với hầu hết máy tự động, người hay kỹ thuật viên đóng vai trò giám sát thiết bị, để từ vật liệu bán dẫn ban đầu, tạo linh kiện điện tử, mạch điện tử Và số máy tự động giữ vai trò quan trọng ngành cơng nghiệp này, Wafer Robot Wafer Robot chất cánh tay Robot có nhiệm vụ di chuyển wafer từ vị trí đến vị trí khác để phục vụ cho cơng đoạn khác quy trình sản xuất vi mạch Cụ thể hơn, nhà máy sản xuất vi mạch, thường khơng gian kín bao gồm cụm máy tướng ứng với quy trình riêng biệt Giữa cụm máy hệ thống đường ray (Hình 1.1) bố trí trần nhà nhà để vận chuyển hộp đựng wafer (Hình 1.2) khâu sản xuất Và Wafer Robot đặt vị trí đường ray máy công tác, Robot lấy wafer hộp cấp cho máy công tác đưa trở lại vào hộp để vận chuyển đến công đoạn Do đó, Wafer Robot có vai trò góp phần cho quy trình sản xuất vi mạch tự động hóa hồn tồn, thao tác với wafer xác ổn định việc tăng suất lao động CHƯƠNG TỔNG QUAN Hình 1.1 Hệ thống đường ray [3] Hình 1.2 Hộp đựng wafer [3] Về môi trường làm việc Wafer Robot, đặt yêu cầu nghiêm ngặt độ khơng khí, u cầu thiết bị, máy móc phải đảm bảo u cầu mơi trường hay người kỹ thuật viên phải trang bị quần áo, trang thiết bị để chống gây bụi bẩn Do đó, muốn đưa sản phẩm Wafer Robot lên thị trường, phải ý đến việc ảnh hưởng môi trường máy, mà ảnh hưởng phần lớn bụi từ truyền, nên phải có biện pháp xử lý che chắn phù hợp Về đối tượng thao tác, wafer (Hình 1.3) vật liệu quan trọng ngành cơng nghiệp bán dẫn, silicon mỏng cắt từ silicon hình trụ Vật liệu sử dụng vật liệu để sản xuất vi mạch tích hợp Đa số, vi mạch sản xuất cách cấy linh kiện lên wafer để tạo vi mạch với chức đặc tính khác (Hình 1.4), phụ thuộc vào mơi trường ứng dụng vi mạch mà lựa chọn wafer cho phù hợp Tấm bán dẫn (wafer) với đặc điểm mỏng (0,005÷20mm), khối lượng nhỏ dễ biến dạng, wafer yêu cầu cấu Wafer Robot vận chuyển có đặc thù riêng: Vận hành với vận tốc cao để đạt hiệu suất, bên cạnh phải giới hạn gia tốc để tránh tượng trượt wafer giữ tay nâng lực ma sát Yêu cầu cao độ xác linh hoạt chuyển động, cần có biện pháp giảm rung động CHƯƠNG TỔNG QUAN Hình 1.3 Tấm wafer [4] Hình 1.4 Tấm wafer sau cấy chíp [4] Rung dao động nguyên nhân gây trượt làm hư hỏng tầm wafer Nếu sản xuất Wafer Robot trở thành sản phẩm thương mại thị trường Việt Nam mang lại nhiều lợi ích sau: Giảm giá thành sản phẩm so với thương hiệu từ nước ngồi, góp phần thúc đẩy ngành công nghiệp bán dẫn Việt Nam Chủ động mặt cơng nghệ, tùy chỉnh chức theo yêu cầu riêng khách hàng 1.2 Cấu tạo Wafer Robot Về cấu trúc, Wafer Robot gồm phận (Hình 1.5): Thiết bị đầu vào: dùng để thiết lập liệu vào cho Robot nút nhấn, bàn phím hay máy tính,… Bộ điều khiển: nhận lệnh điều khiển Robot thực công việc Tay máy: phần khí để điều khiển, liên kết thành phần với bao gồm phận công tác để thao tác với wafer Hệ thống truyền động: nằm tay máy để truyền chuyển động quay động thành chuyển động phận công tác Thiết bị phản hồi: cảm biến bên Robot từ vị trí làm việc để giúp người điều khiển theo dõi hoạt động Thiết bị hiển thị: giao tiếp với người sử dụng, thơng báo đến người sử dụng tình trạng hoạt động Robot CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Mơ hình thực nghiệm kiểm tra giải thuật điều khiển Kết quả: Phần khí hệ thống điện thiết kế hồn thành chế tạo, lắp ráp Mơ hình 3D vẽ phần mềm Inventor Hình 6.1, gia công gần giống theo thiết kế Hình 6.2 Hình 6.1 Mơ hình 3D Wafer Robot Hình 6.2 Mơ hình thực nghiệm 6.2 Thực nghiệm board điều khiển động theo đồ thị vận tốc Bộ điều khiển Wafer Robot hay điều khiển vị trí AC Servo hoàn thành Một số kết đạt sau: Về kiến trúc: sử dụng chíp vi điều khiển để thay cho chíp xử lý chíp motion control mà card motion control thường dùng (Hình 4.9) Về phần cứng: hồn thành việc gia công mạch PCB hàn gắn linh kiện (Hình 4.8) Trong đó, phần sơ đồ ngun lý giao tiếp servo tham khảo từ dòng card điều khiển hãng Nippon Về phần mềm: thứ hoàn thành việc nhúng số giải thuật vào board để điều khiển vị trí AC Servo xuất xung liên tục, xuất xung theo đồ thị S-curve, return home, tín hiệu GPIO Thứ hai, hồn thành giải thuật giao 86 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN tiếp ổn định board máy tính (Mục 5.3.5) Thứ ba, hồn thành thư viện C++ máy tính với số hàm bản, giúp cho người dùng giao tiếp với board điều khiển dễ dàng Tiến hành điều khiển động AC Servo theo đồ thị S-curve, với tổng số xung 5000, vận tốc lớn 1200 xung/s, kết sau: Hình 6.3 Đồ thị điều khiển vị trí Hình 6.4 Đồ thị vận tốc Nhận xét: Về phần tín hiệu điều khiển có dạng S-curve, tổng số xung xuất xác sai số thời gian thực Nguyên nhân thời gian thực bám đồ thị chu kỳ lớn thời gian lấy mẫu làm cho việc bám theo đồ thị bị hoãn lại, dẫn đến sai số thời gian Về phần tín hiệu đáp ứng động cơ, nhận thấy servopack nhận đầy đủ tín hiệu điều khiển tồn thời gian trễ định tín hiệu điều khiển đáp ứng thực tế 6.3 Thực nghiệm xác định sai số trục Phương pháp đo trục Z Cách đo: dùng đồ hồ so đặt phía dưới, tựa lên mặt phận công tác, dùng đồng hồ so khác mẫu 50 mm đặt phía để xác định hành trình 50 mm cần di chuyển Sau cấp 5000 xung cho động đo kết Lặp lại 10 lần phép đo 87 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Phương pháp đo trục R Cách đo: Bộ phận công tác gá thêm chặn theo phương R, di chuyển cánh tay đển vị trí R = 450 mm (cấp 6000 xung), sau dùng đồ hồ so đặt phía sau, tựa lên mặt sau chặn, dùng đồng hồ so khác mẫu 50 mm đặt phía trước để xác định hành trình 50 mm cần di chuyển Sau cấp 887 xung cho động tương đương di chuyển 50 mm theo phương R đo kết Lặp lại 10 lần phép đo Căn mẫu Bộ phận công tác Đồng hồ so Hình 6.5 Đo độ xác trục Z Đồng hồ so Căn mẫu Bộ phận cơng tác Hình 6.6 Đo độ xác trục R Phương pháp đo trục θ Cách đo: dùng encoder gá lên trục xoay θ máy, cấp 4500 xung cho động tương đương góc quay 45 0, lấy tín hiệu từ encoder tính giá trị góc quay Lặp lại 10 lần phép đo 88 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Bảng 6.1 Bảng kết đo cho trục di chuyển khoảng cách xác định Lần Z (mm) θ (0 ) R (mm) 50,12 45,10 49,52 50,30 45,00 50,12 50,16 45,12 50,30 50,12 45,11 50,24 50,46 45,11 50,54 50,34 45,20 49,90 50,53 45,12 50,26 50,08 45,00 50,60 50,24 45,11 50,26 10 50,12 45,12 50,15 Giá trị trung bình 50,247 45,09 50,189 Phương sai 0,022 0,003 0,085 Giả sử kích thước phân bố theo quy luật phân phối chuẩn Xác xuất để trục Z nằm vùng sai số: ±0,1 mm 𝑃(|𝑍| ≤ 0,1) = 2𝜙 ( 0,1 √0,022 ) = 49,72% (6.1) Xác xuất để trục θ nằm vùng sai số: ±0,10 𝑃(|𝜃| ≤ 0,1) = 2𝜙 ( 0,1 √0,003 89 ) = 92,98% (6.2) CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Xác xuất để trục R nằm vùng sai số: ±0,1 mm 𝑃(|𝑅| ≤ 0,1) = 2𝜙 ( 0,1 √0,085 ) = 34% Nhận xét kết thực nghiệm: Dựa vào kết thực nghiệm, thấy sai số trục Z R lớn Nguyên nhân gây sai số: - Do mơ hình gia cơng chưa xác so với mơ hình thiết kế - Chất lượng bánh đai chưa tốt dẫn đến việc ăn khớp khơng tốt 6.4 Thực nghiệm quy trình vận hành Wafer Robot Tiến hành lập trình để Wafer Robot thực chu trình sau (Hình 6.7): - Lấy wafer hộp đựng từ vị trí đưa đến vị trí - Chờ khoảng thời gian, lấy wafer từ vị trí đến vị trí - Chờ khoảng thời gian, lấy wafer từ vị trí đặt hộp Kết thể video đính kèm Hình 6.7 Thực nghiệm chạy theo chu trình 90 (6.3) CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Nhận xét: - Về thiết kế khí hệ thống truyền động đáp ứng yêu cầu đặt cho Wafer Robot Tuy nhiên mơ hình thực nghiệm chưa đáp ứng độ xác - Về thiết kế điều khiển AC Servo từ vi điều khiển lõi ARM, đạt độ xác ổn định cao, giao tiếp máy tính, nhận lệnh từ máy tính cách ổn định, thực chức điều khiển vị trí 6.5 Hướng phát triển đề tài Một số giải pháp đề xuất để giúp máy đạt độ xác suất cao hơn: - Về khí: sử dụng đai GT2, GT3 có độ xác cao biên dạng thiết kế để ăn khớp có khe hở nhỏ Sử dụng thêm pulley căng đai để điều chỉnh lực căng đai sau thời gian sử dụng, dây đai bị giãn Thiết kế phần gá phận công tác để thay đổi tay máy tùy theo kích thước wafer Sử dụng thêm hệ thống hút khí nén để giữ wafer q trình di chuyển - Về điều khiển: áp dụng thêm phương pháp khử dao động khác input shaping hay giảm chấn gắn ngoài,… 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dan Rosso (2016) Global Semiconductor Sales Report 2016 Semiconductor Industry Association (SIA) [2] ITPC (2016) Ngành công nghiệp vi mạch bán dẫn Tp.HCM Cổng thông tin điện tử công nghiệp hỗ trợ (www.support.gov.vn) [3] Mathew Miranda (2010) Intel and Micron Unveil 25nm NAND Flash HotHardware online publication (www.hothardware.com) [4] Cho Jin-young (2017) SmallFabless Semiconductor Manufacturers See Their Performance Worsen Business Korea online publication (www.businesskorea.co.kr) [5] JEL Robot for Semiconductor [6] ISEL Single Arm Wafer Handler [7] TBI Ball Screw Selection Precedure [8] Karlparker (2016) Timing Belt and Pulley Matching Bearing Shop online website (www.bearingshopuk.com) [9] Inventables Stepper Motors [10] Damen CNC Delta Servo Motors [11] JEL End Effector [12] Luigi Biagiotti, Claudio Melchiorri (2010) Trajectory Planning for Automatic Machines and Robots [13] Paul Lamrechts (2011) Digital Motion Control Lettures, Eindhoven University of Technology [14] Chuck Lewin (2011) Mathematics of Motion Control Profile [15] Chang-Wan Ha, Keun-Ho Rew (2008) A Complete Solution to Asymmetric S-curve Motion Profile 2008 International Conference on Control, 2845-2849 [16] Delta Tau Machine and Motion Controllers 92 [17] Nippon Pulse America Board Level Controllers [18] Xiaowen Yu, Cong Wang, Yu Zhao, Masayoshi Tomizuka (2015) Controller Design and Optimal Tuning of a Wafer Handling Robot, CASE Conference 2015, 640646 [19] Ming Cong, Xu Yu , Baohong Shen and Jing Liu (2007) Research on A Novel Rθ Wafer-handling Robot, International Conference on Automation and Logistics 2007, 597-602 [20] Yaskawa Rotary Servo Motors [21] THK Ball Spline Series [22] Nguyễn Hữu Lộc (2016), Cơ sở thiết kế máy, Nhà xuất Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh [23] Nguyễn Hữu Lộc (2013), Bài tập Chi tiết máy, Nhà xuất Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh [24] Trịnh Chất – Lê Văn Uyển (2013), Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí tập 1, Nhà xuất giáo dục Việt Nam [25] Trịnh Chất – Lê Văn Uyển (2013), Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí tập 2, Nhà xuất giáo dục Việt Nam [26] WeiMin Tao (2006) Residual Vibration Analysis and Suppression for SCARA Robot Arm in Semiconductor Manufacturing, International Conference on Intelligent Robots and Systems 2006 [27] Yanjie LIU, Yumei CAO, Lining SUN, Xiaofei ZHENG (2010) Vibration Suppression for Wafer Transfer Robot During Trajectory Tracking, International Conference on Mechatronics and Automation 2010 [28] Yaskawa AC Servo ΣV Series Product Catalog [29] LS Industrial System Contactors and Overload Relays [30] Orient Electronics Noise Filter Model SN-E datasheet 93 PHỤ LỤC A: BÀI BÁO LIÊN QUAN TÁC GIẢ [1] Hong Sam Luong, Tan Sang Le, Ha Quang Thinh Ngo, Anh Son Tran (2017) Research and Develop of Motion Controller for Handling Robot in the Industrial Semiconductor, ICMT 2017, ISSN: 978-6-0463-2635-9 [2] H.-Q.-T Ngo, M.-H Tran, T.-S Le (2017) Application of image processing method in smart farming system, 2017 South East Asia Technical University Consortium, 98104, ISBN:1882-5796 [3] H.-Q.-T Ngo, V.-N.-S Huynh, T.-S Le (2017) Development of FPGA-based approach to control motor in mechatronics system, 2017 South East Asia Technical University Consortium, 67-73, ISBN:1882-5796 [4] H.-Q.-T Ngo, T.-H Nguyen, T.-S Le (2017) Comparison of complementary filter and kalman filter to hover the quadcopter, 2017 South East Asia Technical University Consortium, 152-158, ISBN:1882-5796 [5] H.-Q.-T Ngo, T.-P Nguyen, T.-S Le, V.-N.-S Huynh, A.-M Tran (2017) Experimental Design of PC-based Servo System, IEEE International Conference on System Science and Engineering, 733-738, ISSN: 978-1-5386-3421-9 [6] H.-Q.-T Ngo, T.-P Nguyen, V.-N.-S Huynh, T.-S Le, C.-T Nguyen (2017) Experimental Comparison of Complementary Filter and Kalman Filter Design for LowCost Sensor in Quadcopter, IEEE International Conference on System Science and Engineering, 488-493, ISSN: 978-1-5386-3421-9 94 21st International Conference on Mechatronics Technology October 20 – 23, 2017 in Ho Chi Minh City, Vietnam Research and Develop of Motion Controller for Handling Robot in the Industrial Semiconductor Hong Sam Luong1, Tan Sang Le2, Ha Quang Thinh Ngo3* and Anh Son Tran3 Tran Dai Nghia University, Vietnam Student, Faculty of Mechanical Engineering, HCMC University of Technology, Vietnam * Corresponding: nhqthinh@hcmut.edu.vn Abstract – In Vietnam, the semiconductor seems firstly to be appeared However, it is urgent to research and develop to meet these requirements In this paper, a motion controller for Servo motor is studied to serve in wafer-handling robot The hardware structure is design for mid-size robot The control algorithm is implemented in firmware to guarantee the performance From the experiments, the proposed design is suitable for the industrial semiconductor the dynamic stable time, lowering the transferring efficiency of the wafer Hence the stable and nonvibrant movement is necessary for the robot The synchronized control techniques available currently include concurrent control, master-slave control, crosscoupled synchronized control, etc The advantage of concurrent control lies in simple schematic layout, easy implementation, good synchronizing performances during the phase of start and stop Keywords - Motion controller, S-curve profile In this paper, the design of DOF R-θ wafer handling robot is presented It consists of lift and rotation component and radial linear stretching component which are used for realizing Z (up-down) movement, (rotation) movement and R (radial linear stretching) movement According to the characteristics of radial linear stretching component, the kinematics model and dynamics model are built, then, the analysis of kinematics and dynamics is discussed INTRODUCTION The wafer handling robots currently are utilized in the semiconductor manufacturing processes to transfer wafers between different wafer processing stations Automated wafer transferring using wafer handling robots is very important in semiconductor manufacturing because the wafers have to be transferred accurately, rapidly and smoothly between different stations [1-5] As we know, the wafer size changes every 15 years and bigger wafers mean better productivity and more profits Meanwhile, the density of a chip is doubled about every two years Thus, the line-width on the wafers is becoming narrower and narrower These innovations bring rigorous challenges to the semiconductor manufacturing equipment [6-8] including wafer handling robots THE R-θ WAFER-HANDLING ROBOT The R- θ wafer-handling robot is shown in Fig.1 It has DOF (R, θ, Z) and includes four main components: the endeffector, the radial linear stretching component, lift and rotation component and the base In wafer processing, even the slight vibration at the edge of the wafer will lead to the destruction of the wafer, so the contour of the trajectory is required to be accurate for the end-effector of the robot When the trajectory tracking is realized for the end-effector of wafer transfer robot by coordinating the angular movement of the joints, the synchronizing error between each joint will reflect on the trajectory contour of the end-effector, resulting in contour error, which calls for synchronized control And according to the requirements for clean surroundings, dust cannot be brought in during the movement If there is vibration at the end-effector of the robot, the easily-appearing friction between the wafer and the robot will result in the production of dust and make the clean environment dirty On the other hand, the residual vibration at the end-effector will cause the friction between the wafer and the wafer box, destroying the wafer and lengthen Fig The R- θ Wafer-Handling Robot A The Lift and Rotation Component 21st International Conference on Mechatronics Technology October 20 – 23, 2017 in Ho Chi Minh City, Vietnam Z-Direction Movement (Fig 2): This movement is driven by the lift nut of ball screw that forced by the ball screw The power, which is transmitted by the timing belt components is supported by the servomotor ANALYSIS OF KINEMATICS AND DYNAMICS FOR WAFER ROBOT Fig demonstrates the structure of radial linear stretching component for wafer robot Some kinematic parameters are defined A O θ2 B θ1 C θ3 X Fig Structure of Radial Linear Stretching Component Fig Z-Direction Movement θ-Direction Movement (Fig 3): This movement is achieved by a planetary cyclic gear train which consists of the timing belt components The rotation platform and the components which are fixed on it are forced by the servo-motor l1 l2 l (1) 1 : 2 : 3 1: 2 :1 (2) Assume that the counter-clockwise is minus, according to the figure of structure principle, it is known as relative angular velocity BAO 2 , BAO BA AO CBA , CBA CB BA Then and AO (3) BA (4) CB (5) Fig Z-Direction Movement B The Radial Linear Stretching Component R-Direction Movement (Fig 4): This movement is achieved by two correlative timing belt structures which are in the first arm and the second arm, and the rotation ratios are different: 2:1 and 1:2 Fig The model for kinematics analysis From (3) and (4), we obtain VA l VBA l (6) Based on the synthesized method of the velocity, applying cosine theorem, we have Fig R-Direction Movement VB 2l sin 1 (7) 21st International Conference on Mechatronics Technology October 20 – 23, 2017 in Ho Chi Minh City, Vietnam Suppose l1 l2 l3 l and the initial position and final position of the radial linear stretching component are shown in Fig and Fig Fig The model for dynamics analysis Apply derivative of (8), we have 3l1 sin 1 xB0 y l1 cos 1 B0 Fig The initial position The model for dynamics analysis is shown in Fig The arms are predigested as bars (OA, AB, BC) and the bar-centers (A0, B0, C0) are located at geometric centers OA which is the first arm only includes (9) Then, VB20 l 212 0.25 2sin 1 rotation and the angular velocity is 1 BC which is the end-effector only includes translation and the velocity is described as (6) AB which is the second arm includes not only rotation, but also translation and the velocity calculation as follows (10) Based on Lagrange equation, with L is Lagrange function, K is kinetic energy, P is potential energy We achive L=K–P (11) Consider that Z=0, then P=0 Equation (11)) can be rewritten as L K1 K2 K3 I112 1 I2 Fig The final position m2VB20 m3VC20 m m2 l 212 m2 2m3 sin 1 (12) The bar-centric coordinate B0 of AB obtained by calculating 3l cos 1 xB0 y l sin 1 B0 Where inertia, (8) i is angular velocity, I i is moment of mi is mass and i=1, 2, By applying Lagrange equation for dynamics, we have L i L Ti t i (13) Where Ti is sum of external torques By doing derivation, we get the external torque of first arm 21st International Conference on Mechatronics Technology October 20 – 23, 2017 in Ho Chi Minh City, Vietnam Ti X 1 1 1 Y 1 12 Fig 10 performs the desired angular velocity for the 1st joint so that the end-effector is often achieved max velocity while it tracks the trajectory Hence, to guarantee the stability and smooth, it is necessary to control the robot from 0.5 rad to 2.5 rad, whilst the Scurve profile is applied for position control of industrial motor (14) Where m m2 X 1 2l m2 2m3 sin 1 Y 1 2l m2 2m3 sin 21 The pulse train of controller based on the symmetric S-curve profile is proposed The motion profile is built in polynomial function The dimensions of the arms are shown in Table Length (m) 1st Arm 2nd Arm End-Effector 0.2 0.2 0.2 MOTION CONTROLLER AND RESULTS The model of the 3rd order polynomial model in Fig 11 is defined by the below expression For polynomial models whose orders are higher than 2, the jerks exhibit finite values Thus, their velocity profiles are smooth during motion DESIGN J peak t0 t t1 J peak t2 t t3 j J peak t4 t t5 J peak t6 t t7 The key problems in the operation of waferhandling robot are how to make the robot move fleetly, smoothly and reliably and make end-effector attain the appointed position accurately Because of these, Scurve velocity profile control is adopted in the control system of the R- wafer-handling robot (16) The speed of movement in Z-direction and θdirection is proportion to speed of motor As a result, S-curve profile is chosen to control in position of motor directly The velocity of R-joint is also investigated in this paper Based on the rated rotation speed of servo-motor vservomotor max , the rotation ratios and the limit velocity of end-effector vend effector max , the angular velocity limit can be calculated: vservomotor max 69.77 0.5 (15) vend effector max sin( ) 2l sin( ) And the maximum angular velocity curve in the phase plane of the first arm is shown in Fig.10 Fig 11 Third order polynomial s-curve model The parameters of motion planning is as following t j only depends on j and x tj x jmax Compare amax and If Fig 10 The Maximum Angular Velocity Curve ; amax imal jmax t j amax imal amax imal amax then: (17) 21st International Conference on Mechatronics Technology October 20 – 23, 2017 in Ho Chi Minh City, Vietnam Given t j , get ta Compute vmaximal jmax t j Compare vmax and vmax imal If vmax imal vmax then tv If vmax imal vmax then calculate t j again and tv If x jmax t 3j vmax (b) segments (18) amax imal amax then: tj amax jmax (19) ta is solution of second order equation Compute vmaximal jmax t j jmax t j ta Compare If vmax imal vmax then tv If vmax imal vmax then calculate ta again and tv (c) segments vmax and vmax imal x 2( jmax t 3j 3 jmax t 2j ta jmax t j ta2 2 (20) vmax The results of above algorithm is demonstrated in Fig 12 It is implemented in ARM Cortex M4 STM32F407 with 168MHz clock In each cycle of 10 us interrupt, CPU receives the feed-back signal and gets the error tracking Later, if the error is accepted, the controller generates new position value and drives the motor (d) Full s-curve segments Fig 12 Results of motion planning algorithm CONCLUSION In this paper, the motion controller for wafer handling robot is proposed The design of motion profile is feasible and capable to generate the smooth trajectory The hardware design of robot is illustrated in 3D model to simulate Then, the control algorithm is studied to guarantee the stability and vibrationless during the operation From the results, it can be seen clearly that the proposed design can be applied in the industrial semiconductor REFERENCES (a) segments [1] K Mathia, Robotics for Electronics Manufacturing Principles and Applications in Cleanroom Automation Cambridge: Cambridge University Press, 2010 21st International Conference on Mechatronics Technology October 20 – 23, 2017 in Ho Chi Minh City, Vietnam [2] M Cong, Y Zhou, Y Jiang, R Kang, and D Guo, “An automated wafer handling system based on the integrated circuit equipments,” Int Conf on Robotics and Biomimetics, China, July 2005, pp 240–245 expenditure,” Microelectronic Engineering, vol 56, pp 61–71, May 2001 [8] J Wang, H Chung, and H Wu, “Evaluating the 300mm wafer handling task in semiconductor industry,” Int J of Industrial Ergonomics, vol 34, pp 459–466, December 2004 [3] X Wang and Z Zhan, “A new kind of wafer positioning method,” Electronic Industries Special Equipment, pp 8–11, March 2003 [9] J Smith, “Static friction effects during for tasks and their implications for manipulator design,” Int J Robot Res., vol 15, no 6, pp 508–510, 1998 [4] R Hu, “Slice automated handling manipulator,” Electronic Industries Special Equipment, pp 3942, January 1997 [10] M T Mason and J K Salisbury, Robot Hands and the Mechanics of Manipulation Cambridge, MA: MIT Press, 1985 [5] X Yang, “The technology of the border detecting and the pre-alignment,” Electronic Industries Special Equipment, pp 1620, December 2002 [11] B J Li and R A Freeman, “Synthesis of actively [6] M Cong, X Yu, B Chen, and J Liu, “Research on a novel r-θ wafer handling robot,” Int Conf on Automation and Logistics, pp 597 – 602, 2007 adjustable springs by antagonistic redundant actuation,” ASME J Dyn Syst., Measur Contr., vol 114, pp 454–461, 1992 [7] L Pfitzner, N Benesch, R Chsner, C Schmidt, and C Schneider, “Cost reduction strategies for wafer ... tạo Wafer Robot Về cấu trúc, Wafer Robot gồm phận (Hình 1.5): Thiết bị đầu vào: dùng để thiết lập liệu vào cho Robot nút nhấn, bàn phím hay máy tính,… Bộ điều khiển: nhận lệnh điều khiển Robot. .. Board điều khiển ARM-based 66 4.3.3 Một số khí cụ điện khác 69 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 72 5.1 Phương pháp điều khiển Wafer Robot 72 5.2 Chương trình điều khiển. .. Nội dung điều khiển đặt giống hầu hết dạng cánh tay robot khác điều khiển vị trí cho trục (point-to-point motion) Phương pháp điều khiển vị trí sử dụng điều khiển vòng hở thơng qua điều khiển việc