Часть 5 ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ

И ГИБКИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ

г л а в а 11 промышленные роботы

микроэлектроники

11.1. ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ: СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ПОКОЛЕНИЯ

Промышленные роботы (ПР) и системы управления технологическим оборудованием и производством с использованием мини-, а затем и микроЭВМ и микропроцессоров появились в СССР и за рубежом в конце 60-х - начале 70-х годов. Именно появление и прогресс этих технических средств сделали возможным создание гибких автоматизированных производств и робототех-нических комплексов.

Промышленный робот - это автономно функционирующая машина-автомат, предназначенная для воспроизведения некоторых двигательных функций человека при выполнении вспомогательных и основных производственных операций без его непосредственного участия и наделенная для этого некоторыми способностями человека (силой, памятью и т. п.), а также способностью к обучению для работы в комплексе с другим оборудованием и приспособлением к производственной среде.

Для выполнения своих функций робот должен иметь:

манипулятор с набором исполнительных механизмов (захват, сварочная головка, зонд и т. п.), позволяющий в автоматическом цикле выполнять требуемые функции;

систему управления, обеспечивающую выдачу команд на исполнительные механизмы манипуляторов в зависимости от положения рабочих органов (внутренней информации о состоянии манипулятора) и от состояния внешней среды (ориентации детали, ее размерах, массе, температуре и т. п.).

Автооператоры, как средства автоматической загрузки и комплексной автоматизации производства, известны и широко применяются уже более полувека. Но сфера их применения ввиду жесткой специализации ограничена лишь массовым производством. Основное отличие робота от автооператора в универсальности, которая достигается введением легко переналаживаемой системы управления, применением манипулятора с большим числом степеней подвижности, позволяющего обслуживать зна-

По назначению

Погризочно-разгрузочные

Технологически о

По степени универсальности

По грузоподъемности

По точности манипулирования

По условиям раооты

По типу привода

Специальные

Специализи-лобанные

Универсальные

малой грозе подь емности

Средней грузоподъемности

большой грузоподъемности

Ультрапрецизи-онные

Для раВоты В вакууме

Прецизионные

Обычной точности

Длярадеты! чистых комнатах

Одычные

Пневматический

Электромеханический

ГодраВли--ческии

Рис. 11.1. Классификация промышленных роботов

чительный объем пространства. Универсальным делается и схват робота, который часто напоминает кисть человека и может зажимать детали различного вида. Благодаря универсальности робот получает перед автооператором следующие преимущества.

1. Объем выпуска однотипных роботов всегда больше, а номенклатура меньше, так как робот благодаря своей универсальности заменяет целую гамму автооператоров, т. е. роботы могут выпускаться в условиях крупносерийного производства. Это делает их более надежными и дешевыми.

2. Вследствие уменьшения числа типоразмеров облегчаются ремонт и обслуживание роботов, снабжение их запасными частями и агрегатами, проще обеспечивается специализация наладчиков.

3. Универсальность робота упрощает его переналадку и обеспечивает возможность ее автоматизации, т. е. делает структуру производственной системы с роботами гибкой и мобильной.

Классификация промышленных роботов представлена на рис. 11.1. По степени универсальности роботы делятся на специальные, специализированные и универсальные. Специальные роботы предназначены для выполнения какой-либо одной операции, обслуживания одного типа оборудования и весьма близки к автооператорам. Основное отличие специального робота от автооператора только в большей автономности первого. Манипулятор, как правило, весьма прост по конструкции, обладает одной-тремя степенями подвижности, система управления имеет узкий диапазон переналадок и работает по жесткой программе. Специальные роботы широко используются для загрузки, перемещения и манипуляций полупроводниковыми пластинами в

элионных установках: установках ионного легирования, ионно-плазменного и плазмохимического травления, нанесения тонких пленок и др. Ввиду стабильности формы объекта манипулирования (меняется лишь диаметр пластины в пределах 60 ... ... 150 мм) и требуемых траекторий движения универсальности манипулятора и системы управления и не требуется. Специальным является робот, используемый для смены дисков с подложками в установке ионного легирования, показанный на рис. 5.7. Специальный робот или автооператор используется для перегрузки вакуумных камер модульной установки ионно-плаз-менного и плазмохимического травления (рис. 5.11). Его манипулятор имеет две степени свободы, и только гибкая система управления, позволяющая обеспечивать перегрузку камер в любой заданной последовательности, позволяет относить это устройство скорее к специальным роботам, чем к автооператорам.

Универсальным является робот, манипулятор которого имеет не менее семи рабочих движений: три линейных, три угловых и одно для удержания объекта манипулирования. Универсальные роботы могут обслуживать оборудование различного технологического назначения, выполнять различные операции с широкой номенклатурой полуфабрикатов, их легко можно перепрограммировать и переключать на другую работу в пределах технических возможностей робота.

Специализированные роботы предназначены для выполнения операций одного вида или обслуживания оборудования одного назначения. Это наиболее широкий класс роботов, к которому принадлежит и большинство роботов для производства изделий электронной техники. К этим роботам предъявляется ряд специфических требований, которые и обусловливают специализацию роботов. Это требования к массе объектов манипулирования, точности манипулирования, к среде, в которой робот должен работать, и к возмущениям, которые он вносит в эту среду.

По массе и размерам объектов манипулирования различают роботы большой, средней и малой грузоподъемности. Роботы большой грузоподъемности манипулируют объектами массой более 60 кг, средней - 5 ... 60 кг и малой - менее 5 кг. В отдельную группу выделяют обычно роботы для манипулирования миниатюрными изделиями с массой менее килограмма. Доля роботов этой группы в общем объеме выпуска возросла с 3 % в 1982 г. до 40% в 1986 г. Все роботы электронной техники принадлежат, как правило, к этой группе. По требованиям к точности манипулирования различают роботы нормальной точности с погрешностью позиционирования в зависимости от грузоподъемности 0,1 ... 5 мм, прецизионные роботы с погрешностью 5 ... 100 мкм и ультрапрецизионные роботы с погрешностью до 0,03 мкм. Роботы нормальной точности применяют для манипулирования транспортными или технологическими кас-268

сетами, перекладки полупроводниковых пластин из кассеты в кассету, укладки пластин на карусель в напылительном оборудовании, на химических операциях и т. п. Прецизионные роботы манипулируют пластинами или кристаллами на операциях посадки кристалла, разварки выводов, герметизации корпусов, манипулируют интегральными схемами на операциях контроля и разбраковки. Ультрапрецизионные роботы с погрешностью 0,03 ... ... 1 мкм манипулируют пластинами на операциях литографии. К технологическим ультрапрецизионным роботам может быть отнесена автоматическая установка проекционной фотолитографии ЭМ-584, обеспечивающая дискретность перемещения 0,03 мкм (см. гл. 7).

По требованиям к окружающей среде различают роботы, которые могут работать в масляном и безмасляном вакууме, существенно не изменяя его параметров, чистые, или белые , роботы, которые не ухудшают атмосферу чистых комнат соответствующих классов (см. гл. 1), и обычные роботы, к которым не предъявляется никаких специфических требований по герметичности, газо- и пылевыделениям.

Для работы в чистых комнатах разрабатывается новое поколение роботов, основная цель применения которых - устранить контакт человека с обрабатываемыми изделиями. Именно человек является основным источником загрязнений поверхности полупроводниковых структур. Для таких роботов необходим специальный привод с минимальным числом пар внешнего трения, минимальным выделением продуктов износа, паров масел, отсутствием карманов и зон, способствующих накоплению пыли и препятствующих общему ламинарному потоку воздуха в помещении. Так, робот Alpha фирмы Mikrobot для предотвращения выделения продуктов износа из механизмов и устранения карманов одет в одежду из специальной ткани, что сделало его пригодным для работы в помещениях первой категории. Робот Puma фирмы Unimation оснащен встроенным в руку вентилятором, создающим в зоне захвата ламинарный всасывающий поток воздуха, способствующий дополнительной локальной очистке воздушной среды в зоне манипулирования.

По гибкости управляющего алгоритма и уровню своего интеллектуального развития промышленные роботы принято делить на три поколения.

Роботы первого поколения работают по жесткой программе. Эти роботы не способны воспринимать внешнюю по отношению к нему информацию об ориентации детали, ее размерах, весе, усилии зажима. Их реакцию всегда можно заранее предсказать, зная состояние робота, он не способен адаптироваться к изменяющейся внешней среде. Такие роботы можно использовать только на сравнительно простых транспортно-перегрузочных

операциях или на простейших технологических (окраска, гальванопокрытие, сушка).

В производстве ИС роботы первого поколения используются лишь для транспортно-перегрузочных операций.

Управление такими роботами осуществляется от механических или пневматических командоаппаратов, от специальных контактно-релейных и электронных схем или от специализированных и универсальных контроллеров, построенных на микропроцессорной основе. Программирование цикла работы осуществляется перенастройкой командоаппаратов, перекоммутацией штекерной панели, составлением и записью в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) алгоритма управления или обучением. При обучении робот управляется вручную, система управления следит и запоминает порядок движений рабочих органов и таким образом формирует в ОЗУ алгоритм управления. Типовыми примерами таких роботов являются РФ-202 с управлением от механического командоаппарата, ПР5-2П с управлением от пневматического командоаппарата, ПРП2-2 с управлением от специализированных программируемых контроллеров и РФ-202М с обучаемой системой управления, состоящей из арифметическо-логического устройства и ОЗУ. Конструкции этих роботов описаны в § 11.4.

Роботы второго поколения, или адаптивные, работают по гибкой программе, их реакция определяется не только состоянием робота, но и состоянием внешней среды, для чего они снабжены датчиками внешней информации: искусственными зрением, слухом, осязанием и другими устройствами, позволяющими выделять необходимую информацию об ориентации детали, ее размерах и других свойствах. Система управления такими роботами строится на базе микроЭВМ для перепрограммирования в ней используются специальные диалоговые языки, близкие к естественному и не требующие от пользователя (технолога или оператора) практически никакой подготовки к программированию. Иногда программирование осуществляется и обучением.

Примером погрузочно-разгрузочного адаптивного робота является робот Электроника НЦТМ-01 , используемый как элемент технологического модуля в гибких производственных системах (ГПС) механообработки, конструкция которого описана в § 11.4.

Некоторые операции при производстве ИС (фотолитография, посадка кристаллов, сварка выводов и др.) невозможно провести, если при управлении технологическим процессом не учитывать состояние внешней по отношению к оборудованию информации о параметрах полуфабрикатов и внешней среды: размерных погрешностях, температуре, влажности и т. п. Управление такими операциями должно быть адаптивным. Наиболее прогрессивным и эффективным, а подчас и единственно воз-270

можным средством их автоматизации является применение адаптивных промышленных роботов технологического назначения. Разработка таких роботов ведется в настоящее время чрезвычайно интенсивно. Созданы и широко используются в промышленности технологические микросварочные роботы ОЗУН-12000 МЗ и ЭМ-40206 для ультразвуковой сварки выводов ИС алюминиевой проволокой, для термокомпрессионной сварки выводов золотой проволокой ЭМ-490Б, ЭМ-4060, проекционные автоматические установки фотолитографии ЭМ-584 и автоматы присоединения кристаллов ЭМ-4085, являющиеся по своей сути также адаптивными промышленными роботами, и др.

Роботы третьего поколения или интеллектуальные пока еще только разрабатываются и не вышли из стен лабораторий. Характерной особенностью таких роботов является чрезвычайно широкая приспособленность к внешним условиям. Они смогут выбирать нужные детали из навала, ориентировать их для выполнения последующих операций, оптимизировать результаты своей работы, самообучаться. Столь высокая степень адаптации приведет к повышенной автономности робота. При своей работе он будет требовать минимальное число команд от системы управления высшего уровня. Система искусственного интеллекта обеспечит минимальную трудоемкость программирования робота, ему будет сообщаться лишь цель его работы, что нужно сделать и какие обеспечить параметры. А как это сделать, т. е. каковы должны быть последовательность и параметры каждой из операций, робот решит сам. При этом он постоянно будет самообучаться, т. е. совершенствовать алгоритм своего управления так, чтобы оптимизировать результат работы. Роботы третьего поколения будут наиболее универсальны, их работа в составе ГАП и РТК автоматически обеспечит гибкость технологических систем не только в тактическом, но и в стратегическом плане, так как робот сможет сам подбирать оптимальные технологические процессы, притом не только с точки зрения выполняемой им локальной технологической операции, но и с точки зрения конечного результата. В этом роботу будет помогать централизованная система управления комплексом.

Для непосредственного применения в составе ГАП робот должен автоматически изменять программу своей работы. Этим свойством обладают роботы второго и третьего поколений и лишь отдельные экземпляры первого.

Роботы первого поколения часто весьма трудоемки при переналадке (до 1 ч) и могут быть эффективны при комплексной автоматизации лишь серийного и массового производства. Некоторые роботы этого поколения, например РФ-202М, могут хранить в памяти до десяти и более алгоритмов управления и переналаживаются лишь переключением селектора программ, поэтому могут быть эффективно использованы и в мелкосерийном