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                洁净玻璃基板搬运机器人发展现状与展望


                摘要:

                玻璃基板是 FPD 产业的关键基础材料,玻璃基 板〗的尺寸越大,可以切割的选择性越大,生产效率 就越高,因此为了节约成本和满足日益增大的显示 面板尺寸需求,玻璃基板正朝着更大尺寸、更薄、更 高分辨率的方向发展[4-5]。玻璃基板各世代的发展 阶段如 图 1 所 示,按尺寸可大致分为ζ小型 ( 1 ~ 5 代) 、中型( 6 ~ 9 代) 和大型( 10 代及以后) 三大发 展阶段。目前主流量产的玻璃基板尺寸已经达到了10. 5 代/11 代。

                1

                                                                                         1 玻璃基板各世代发展阶♂段

                在显示面板的生产过程中,玻璃基板需要被搬 运放置到多个强酸碱和高温制造环境工位中进行 处理,以满足制造工艺要求,同时由于玻璃基板具 备尺寸大、超薄易碎的特点,要求生产设备的玻璃 基板操作面具备较高的平面度和较小的振幅,以保 证玻璃基板在生产过程中的安全。因此为了○满足 FPD 严苛的制造条件,提高生产效率、降低生产成 本和减少基板破损率,玻璃基板搬运机器ぷ人应运而 生,成为显示面板生产线的关键设备之一,它的工作性☆能直接影响着玻璃基板的生产效率和制造 质量。因此,研究高速洁净玻璃基板搬运机器人的关键技术和部件对提高中国 FPD 产品市场竞争力 有很重要的现实意义。


                01.玻璃基板搬运机器人结构

                玻璃基板搬运机器人的主要功能是连接FPD 产线前后ω段制程,实现玻璃基板在不同工位间的高 平稳性、高速度和★高洁净度传输。它应该具备承 受负载高、传输速度与 FPD 产线前后∩段制程同步、 抓取装置不损伤、不污染玻璃基板以及传输过程产 生的冲击↙和振动较小的能力。因此,玻璃基板搬运 机器人要求具有结构刚性好、运动速度和定位精度 高、占地面积小■、操作空间大等特点。国外高性 能玻璃基板搬运机器人的研发高地主要集◤中在日本、韩国等发达国家,其中以日本的研究最为突出。20 世纪 90 年代,日本面板生产商的快速发展使⌒泛 半导体设备生产企业获得了高速发展的良机,日本三协( Sankyo) 、安川电机( Yaskawa) 、三菱电机( Mit- subishi Electric) 、平田机工( Hirata) 与大阪变压器 ( Daihen) 等巨头迅速占领了市场,小型玻璃基板搬▆ 运机器人的供应量占据了全球玻璃」基板搬运机器 人市场的 90% 左右。2000 年以后,韩国 TFT-LCD 行业设备发展迅速,培养了现代重工█、罗普斯达等 公司。为对应尺寸日益大型化的玻璃基㊣板搬运的 新需求,市场开始出现中型甚至大型玻璃基板搬运机】器人。 

                目前,在 FPD 产业中玻璃基板搬运机器人常用◣ 构型包括垂直多关节╲型玻←璃基板搬运机器人、平面 多关节型玻璃基板搬运㊣ 机器人和圆柱坐标型玻璃 基板搬 运 机 器 人。机器人坐标形式分类如图 2 所示。

                2

                                                                                     2 机器人坐标形式分类

                垂直多关节型玻璃基板ㄨ搬运机器人通常具有 6 个自由度,每个自由度都由相对独立的驱动机构驱 动,因此可以自由地实现三维位姿转换,特别适用 于玻璃基板搬运过程中位姿发生变化的场合。如在 FPD 产线前段 Unpacking 系统中,将箱子中堆︻ 叠的玻璃基板取出供给至生产线各个工序上的动 作,就是由垂直多关节★型玻璃基板搬运机器人完 成的。 

                平面多关节型玻璃基板搬运机器人通常具有 4 个自由度。该类型机器人运动速度和定位精度较高,运动快捷、准确,同时由于玻□ 璃基板在 FPD 产线 的主要制造装备间以平面方式传输,故使得这△种构 型玻璃基板搬运机器人在小世代 FPD 产线中使用 较多。例如,日本安川电机株式会社研制的多关节型液晶玻璃基板搬运机器人,在小世代机型⊙上有较 强竞争●优势,拥有较高的用户保有量。 

                圆柱坐标型玻璃基板搬√运机器人通常具有 3 个 自由度: 圆周旋转运动、垂直升降〓运动和水平伸缩运动。圆柱坐标型机器人又分为中心立柱构型、门 式构型、立柱偏置构型,其构型分类如图 3 所示。

                3

                                                                       图 3 圆柱坐标型机器人构型分类

                中心立柱构型圆柱坐标型机器人适用于小世代玻璃基板,并且此结构仅适用于垂直方向行程较 短的应用工况。门式构型圆柱坐标型机器人承载 能力强,但结构复杂、维护烦琐,回转半径大( 占地 空间大) 、升降受限,不利于取放高位置的基板。立 柱偏置构型圆柱坐标型机器人升降轴可设计成多¤ 段,可对应高◆度位置变化范围大的基板的取放; 较 容易实现模块化设计,弹性对应升降方向不同行程 需求; 运动¤控制相对简单; 在适用尺寸、作业@ 高度与 基板搬运距离等方面具有优势。



                02.玻璃基板搬运机器人发展现状

                目前玻璃基板搬运机器人有以下发展趋势: ①机械结构的轻量化、模块化和可重构化; ②复杂环境下的安全、智能取放技术; ③高洁净度保持技 术; ④机器人平稳运行与寿命智能预测技术; ⑤系 统集成及产线应用技术々等。目前中外不少公司◣都 有自己的搬运机器人系列化产品,基本可以满足◥大 部分条件下的搬运需♀求。现主要针对中型和大型 玻璃基板搬运机▓器人展开介绍。

                如图 4 所 示 为 Yaskawa 公 司 的 MOTOMAN- MFL2200D 液晶玻璃基板搬运机器人。该机器人是水平多关节型机器人,含有 4 个自由度,适用于第六代玻璃基板的搬运作业本体质◥量为1 020 kg,负载可达 50 kg /手臂。前后轴动作范围可达 ± 1 675 mm,重复定位精度在 ± 0. 2 mm 内。Daihen 公司的 SPR-8573 玻璃基板搬运机器人 如图 5 所示。该类型机器人▓为 3 轴圆柱坐标型机器人,具有 3 个自由度,可在真空环境↘中传输第 6 代玻璃基板。配备原有冷却系统↘支持高温环境,能够负载 120 kg。

                                                    图 4 MFL2200D 玻璃基板搬运机器人

                 

                                                      5 SPR-8573 玻璃基板搬运机器人

                如图 6 所示为 Sankyo 公司的玻璃▼基板搬运机器 人。该类机器人为立柱※偏置构型圆柱坐标机器人,采用模块化构造,可在大气中传输 6~10 代玻璃 基板,通过轻量化设计与≡提升马达功率实现了机器人系统的高速运行。该类机器人可〇以在滑道内滑行,使 运动空间大大提高。Z 轴采用阶梯状结构,避免了结 构重接导致的↘不稳定性问题。末端执行器采用蜂窝状锥形结构,降☆低了重量。同时,使用了高速高性能 的 SC5000 控制器,大大提高了系统的安全性。

                如图 7 所示为 Robostar 公司研制的 AFDH1L629- 545 型玻璃基板搬运机器人,该类№型机器人为门 式构型圆柱坐标型机器人,可以搬运第 10. 5 代玻璃 基板,Z 轴采㊣用门状结构,最大行程5450mm,T 轴 可实现 360°旋转,并同样可在滑道内滑行,工作操作范围广,两臂的重复定位精度均控制在 ± 0. 3 mm 以内,作业环境洁净度可达 Class 10。

                                                           图 6 Sankyo 公司的玻璃基板搬运机器人

                               图 7 AFDH1L629-545 型玻璃基板搬运机器人

                2013 年,中国合肥欣奕华智能机器有限公司进〖入该领域,通过引进国外高端创新人才、产学研合 作等措施,先后产业化应用了中国首台 5. 5 代、6 代 和 8. 5 代基№板搬运机器人(图8) 。2015 年,合肥欣 奕华ξ在世界机器人大会上展示了高世代产品,实现 了对世界先进技术的“由ξ追随到并跑”。部分←研究机构也从本体设计和控制系统等方 面对玻璃基板搬运机器人进行了研究。Lee 等为了减轻玻璃基板搬运机器人的机 械臂重量,采用共固化方法对泡沫芯ω 和钢模夹心结 构进行联合设计,制作的机械臂和关节在玻璃基板 搬运过程下的变形较小; Seo 等、Hwang 等设 计了第 8 代〓玻璃基板搬运机器人,如图 9 所示,提出 的设计方法主要用来设计和】改进机器人,评估机器 人动力部件的疲劳寿命,通过样机验证了数学模型和仿真方法的正确性;Fung 等采用实数编码遗传算法进行玻璃搬运机器人变量自适应函ζ 数的系 统辨识,相比较其他变量自适应函数,提出的算法 能得到较好的辨识效果; Fung 等采用√哈密尔顿 能量法推导永磁同步电机驱动液晶显示器搬运机 器人的动力学方程,利用编码遗传算法辨识机器人 系统各个参数,数值研究了由正『时带柔性引起的振 动对机器人角位移、速度、臂部加『速度、水平位移和 垂直位移的影响,表明动态模型的辨识结果与实验 结果吻合较好。

                大连理工大学丛明课题组设计了圆柱形玻 璃基板搬运机器人,如图 10 所示。该机器★人具有 3 个自由度,包括 Z 向( 垂直升降运动) 、θ 向( 旋转运 动) 和 R 向( 径向运动) ,机构方式属∮于中心立柱构型圆柱坐标型。其特点是 Z 向运动采〓用伺服电机通过 同步齿型带轮驱动滚珠丝杠来实现,θ 向运动☆由伺服 电机经谐波减速器驱动,R 向运动由伺︽服电机在谐波 减速器和行星︽周转轮系的共同作用下,使执行模块保 持直线运动。执■行模块采用真空夹持技术,避免玻璃 基板与执行模块机械本体的直接接触,减少对玻璃基 板的污染; 径向伸缩模块和旋转模块采用谐波减速 器,减少传递误差和提高精度。

                                                                                             图 8 合肥∮欣奕华的玻璃基板搬运机器人

                                                                                                     图 9  8 代玻璃基板搬运机器人

                北京信息科技大学陈志华设计了基于〓翻转式的超薄玻璃在线码垛机器人,如图 11 所示。利用 MATLAB-ADAMS 软件对玻璃码垛机器人进行运动 学联合仿真,通过 PID 控制技术减少瞬间振动。实 验证明,玻璃码垛机器人分拣玻璃板过程▆中无较大 振动现象,分拣效率高,玻璃破损率低。

                  

                                            1 为机座模块≡控制模块; 

                2  Z 向升降模块θ 向■旋转模块; 3   向伸缩模块; 4 为执行模块↘ 

                                             图 10 玻璃基板搬运机器人


                                                                                               图 11 翻转式机器人样机▅

                河南科技大学崔庆东和王帅军分别设计 了一套玻璃堆垛工业机器人,如图 12 和图 13 所示; 东南大学陈承新对玻璃堆垛机器人系统做了总体研究。机器人采用真空吸附式♂末端执行器,通过 建立系统运动学方程和轨迹规划,对机器人的性能 做了分析和优化设计。虽然中国生产的搬运机器人已经实现了从无◥到有,但是核心技术上依然与日韩存在差距,部分 技术指标和产线应用等方面亟待取得更大突破。中国自主研发的难点主要在两个▲方面: 一是显示行业核心设备由日韩企业所垄断,核心技术№壁垒高, 研发投资大,研发风险高; 二是 FPD 产线投资巨大, 生产商经营⊙压力大,FPD 生产企业〒对承担导入国产 化供应商风险的动力和意愿不强。为此,国家科技 部为了推动〒中国大型玻璃基板搬运机器人的发展, 于 2018 年设立国家重点研发计划项目“洁净环境 大型玻璃基板智能搬运机器人系统开发及示范应 用”。合肥欣奕华智能机器有限公司牵头申报该项 目,获得立项并已经正式启动。这将促进中国玻璃 基板搬运机器人向世界一流水平的发展。

                                                                         图 12 崔庆东设计的玻璃堆垛工业机器人

                                                              13 王帅军设计的玻璃堆垛工业机器人样机


                03.关键技术分析

                高速洁净玻〒璃基板搬运机器人作业环境恶劣, 性能指标要求高。主要表卐现在以下方面:

                (1) 大 重 量、大 尺 寸、超薄易碎的搬运对象。10. 5 代玻璃基板尺寸≥ 2 940 mm × 3 370 mm,最 小厚度达到 0. 4 mm 以下。

                (2) 高变加速度与搬运基板位置变化带来的重心剧变条件下,机器人平稳、高速、高精度运行。手 臂横向振动量≤ 7 mm,最高行走速度≥ 2. 5 m /s, 重复定位精度优※于 ± 0. 25 mm。 

                (3) 高洁净度保持,适用环境洁净度等级优※于 Class10( 0. 3 μm) 。 

                (4) 高通用性和可扩展性。机器人工作范围 大,可在整个↙玻璃基板加工过程中的不同恶劣环境 中使用,还需要适应不同玻璃基板尺寸。 

                为了进一步提升高速洁净玻璃基板搬运机器 人的性能指♀标,目前关于搬运机器人的研发主要集 中在以下几个方面。 


                3. 1 玻璃基板搬运机器人构型综合

                构型综合是玻璃基板搬运机器人研究的基础, 其内容包括机构拓扑结构综合『和机构尺度综合∏两 个方面。拓扑结构综合的目的是探索满足玻璃基板搬运机器人设计要求的理想构型,而机构尺度综◇ 合的目的是设计满足玻璃基板搬运机器人性能指标要求的理想机构部件尺寸。构型综合对机器人研制至关重要,不仅仅是在结构上优化现有机 构,更可以创造出性能更佳的新型机构。 

                鉴于构型综合在机器人结构设计方面的重要 作用,该问题持续受到国际︻机构学家的重点关注。初始阶段从业人Ψ 员依靠观测、直觉和经验对机构进行粗略的综合,直到 20 世纪 60 年代拓扑图论方法 的引入才使机构的构型综合有了数学理论基础,并 基于此获得了一系◤列研究成果。近年来随着行业 的发展,主要形成了基于螺旋理论、基于位移子群 和基于方位特征的〇三种结构综合方法,基本可以 满足不同适用范围□的玻璃基板搬运机器人的机构 设计要求。杨廷力等将三种机构结构综合方法 进行归纳》和对比,为机构拓扑结构学进一步发展作 出铺垫。孙志娟等↓依据线性、非线性降维原则, 研究了典型串联机器人机构的类型、尺寸与综合性 能之间的映射规律。构型综合可以大大缩短玻璃 基板搬运机器人的开发周期,节省大量的人力物 力,促进新产品的研发工作。 


                3. 2 玻璃基板搬运机器人模块化设计 

                模块化▃设计方法是通过以往产品设计和生产 实践过程不断∮发展而来的,并于 20 世纪 80 年代应 用于第一个模块化机器人RMMS中,自此众多机 构在理论方面以及生产实践中陆续开展了大量的 工作。其基本思想是在产品功能性分析的基础上,把完整产品分解成若干个独立的、具有特定功能的 模块,再以类似搭积木的方式将不同的模块组合成 可以完成不同任务的系列化▲产品,以实现用户特定 的需 求。典型性的研究成果除了 RMMS( Carnegie MellonD 大学研制) 还有 LWR-Ⅲ ( 德 国宇航中心研制) 等,此外瑞典 ABB、日本 Sankyo 等 公司在模块化设计的基础上研发了一系列玻璃基 板搬运机器人产品,取得了巨大的经济效益。 

                模块的划分和设计是玻璃基板搬运机器人模块化的主要研究内容。对于工业机器人来说,其主 体根据结构和功能主要可以划分为关节模块、连杆 模块、伺服模块、控制模块以及执行器模块等,通 过把各个模块有机地结合在一起,就可以集成整体 的功能,从而实现机器人系统的模块化。玻璃基板 搬运机器人的模块化设计◇可缩短研发周期,提高产品品质稳定性和系统可靠性,提高面向不同工艺流 程的环境适应能力,同时方便机器人的维修和保 养,有很好的应用前↑景。


                3. 3 玻璃基板搬运机器人振动抑制技术 

                搬运机器人在作业过程中,可能会因机械臂、末 端执行器等构件振动过大导致玻璃基板的变形和损 坏。这时需要采用合适的抑振手段,使系统的振动响 应低于特定指标,以此来降』低风险。工业机器人的振 动抑制技术,从能量需求角度,主要分为主动抑振和被动抑振。主动抑振的控制力是根据反馈信号按 照某种事先设计的控制律实时产生,而被动抑振是通 过采用储能、耗能材料或者机构优化的方式来降低振动,其控制力不是由反馈产生。 

                被动抑振虽然实∞现简单且不会消耗外部能量, 但是控制效果∩以及环境适应能力均较差,且往往需 要在机器人主体上附加质量导致机器人工作能力 下降; 而主动抑振虽然︽需要依赖外部的能源,但是其环境适应能力较强可适应不同的场景需求。考 虑到玻璃基板搬运机器人的轻量化设计需求,主动 抑振技术显然更利于新型号的研制,而其中一个较 重要的研究方向就是压电主动抑振技术,它主〓要是利用压电材料的逆压电效应,通过外界的能量输入对粘贴在基体上的压电元件产生可控的应力或应变,从而实现振动的主动控制。新型玻璃基板搬 运机器人可以考虑采用压电主动抑振☆技术来达到 不同工况的振动指标要求。 


                3. 4 玻璃基板搬运机器人高速高精度控制技术 

                实现大型基板¤搬运机器人作业时的高速高精度控制,其≡难点在于大型机器人高平稳、低冲击的运动轨迹优化以及高性能控制算法,以下从这两方 面展开探讨.

                机器人的运动轨迹,是指其在工作过程中的运① 动参数,即位移、速度和加速度,而轨迹规划是指根 据任务的要求,在满足机器人动力学、运动学约束 条件下,计算得到机器人预期运动轨迹的方法。中外关于机器人轨迹规划的研究众多,所针对的性 能优化指标主要是↑时间最优、能量最优等。然而高世代玻璃基板尺▲寸较大,在搬运过程中 容易磨损甚至破碎,在保证作业效率的情况下降低 振动也格外重要。目前能直接将应用于玻璃基板 搬运机器人的时间、振动、能量等因素综合考虑的 轨迹规划方法较少,还有待进一步研究。 

                机器人运动控制一般是指将机器人指定的控 制方案、规划轨迹转变为期望的关节运动,可在复 杂条件下实现机器人各关节运动学、动力学参数的精确控制。应用于高世代玻璃基板搬运的机器人系统在高速重载工↑作状况下,具有强非线性、不确定性和时变性的特点。由于 PID 算法等传统的控 制方法精度较低,且不能迅速响应,因此中外学者 提出了大量非线性控制方法以及动力学模型 误差补偿方法等来弥补缺陷,此外智能算法的 发展使自适应控制等高级算法也可以应用到 机器人的非线性控制中,玻璃基板搬运机器人可以考虑将传统算法以及智能算法结合来设计控制器, 以此提高运行性能。 


                3. 5 玻璃基板搬【运机器人洁净保持与高速无痕抓 

                取技术玻璃基板在被搬运过程中对环境的洁净程度 有着严苛的要求。然而机器人受限于零部件材料的挥发以及作业时关节往复运动产生的磨损颗粒 污染,令洁净度的保持成为难题。为此机器人需选用更加合适的材料和表面处理方法,如选用不 锈钢、铝合金、陶瓷、聚氨酯等材料,或对铝合金零 件表面阳极氧化处理、碳钢零件进行表面镀镍等, 或研究部件内空腔形状与气流的关系,利用风扇过 滤单元、风道设计配合特有的防尘密封负压设计 等,确保磨损形◤成微粒不污染应用环境。此外由于末◤端执行器直接与易碎易污染的玻璃基板接触,其材料的选取以及设计的合理程度也关系到搬运的稳定性和可靠∑性。 

                为实现玻璃基板的洁净无痕抓取,保证玻璃基板在传输过程中不发生滑动偏移甚至掉落,末端执行器还需设置真⌒空、电磁、仿生等固定吸盘以及传 感器,需要考虑玻璃基板搬运机器人本体的运动特性与末端吸附机构的吸附强度和监测能力之 间存在匹配性设计问题」,即末端吸附结构对玻璃基 板的法向和切向吸附强度以及对于基板吸附状态的监测能力直接限制了机器人本体的运行速度和 加速度,从而最终影响产线玻璃基板搬运的节拍, 因此,必须针对机器人本体㊣ 运动特性设计搬运机器 人高速洁净无痕取放末端执行机构。


                04.总结

                对玻璃基板搬运机器人的中外研究及应用现 状进行了综述,分析了当前关键技术的发展趋势。目前玻璃基板搬运机器人的研◤究主要集中于本体 结构设计与优化、控制系统研究与开发、高洁净结 构设计与技术应用等方面。为使机器人在高速、高 洁净、高精度的方向进一步发展,今后研究√工作应 充分考虑机器人关键性能需求,对本体结构和控制 系统进行联合优化设计,以满足高世代玻璃基板搬 运机器人的工业应用要求。高速洁净玻璃基板搬 运机器人能够促进中国 FPD 产业的快□速发展,具有广々大的工程应用空间和经济价值。


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                本文内容来源于科学技术与工程2020年20/16期刊,版权归原作者所有,转载目的在于传递更多信息,并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责。如涉①及作品内容、版权和其它问题,请来电或致函告之,我们将及时给予处理!

                原文作者:刘正勇,郭 垒,王广炎,樊继壮,陈友东