田世偉，周慶奎，趙宏亮，趙寶君，宋婉貞，班 超

( 中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所， 北京 100176)

在微電子制造的關(guān)鍵設(shè)備中，為了提高生產(chǎn)效率，在運(yùn)動臺設(shè)計(jì)過程中需要通過添加載物臺的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的提升，多載物臺的應(yīng)用就需要能夠?qū)崿F(xiàn)自由控制開啟和夾緊的機(jī)構(gòu)，來進(jìn)行運(yùn)動驅(qū)動組件與載物臺的連接。

根據(jù)該夾緊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用工況，需要該機(jī)構(gòu)一方面能夠在產(chǎn)率指標(biāo)分配的規(guī)定時(shí)間內(nèi)，快速完成鎖緊和開啟動作；另一方面對這種連接機(jī)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性要求嚴(yán)格，一旦出現(xiàn)問題會給用戶帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。這就要求該夾持機(jī)構(gòu)在工程應(yīng)用上要考慮使用可靠的夾持動力源以及合理的控制邏輯。

本論文主要包含以下內(nèi)容：（1）確定穩(wěn)定可靠的夾持動力源，再在此基礎(chǔ)上確定夾持力的放大形式，并以力學(xué)模型為理論基礎(chǔ)，建立夾持力與被動夾持機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型；（2）通過氣路設(shè)計(jì)和電控板卡設(shè)計(jì)給出快慢自適應(yīng)的控制電路；（3）進(jìn)行所有設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過實(shí)驗(yàn)而確定了設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)過程的可行性。

1 大夾持力實(shí)現(xiàn)方案

1.1 夾持原理

夾持機(jī)構(gòu)按照夾持原理可分為主動夾持和被動夾持兩種。主動夾持原理是在機(jī)構(gòu)中引入外界驅(qū)動源作用力，從而實(shí)現(xiàn)主動夾持鎖緊，這種方式的鎖緊力大小一般跟驅(qū)動源作用力的大小成正相關(guān)；被動夾持方式在夾持機(jī)構(gòu)中安裝有被動式驅(qū)動源，該驅(qū)動源一般是由彈性元件經(jīng)過增力結(jié)構(gòu)提供，同時(shí)，在此基礎(chǔ)上也會引入外界主動驅(qū)動源，在主動外界驅(qū)動源作用下夾持機(jī)構(gòu)會實(shí)現(xiàn)開啟，無驅(qū)動源作用時(shí)，夾持裝置處于鎖緊狀態(tài)。抓卡裝置可采用氣動、液壓、電機(jī)等驅(qū)動方式[1，2]。被動加緊機(jī)構(gòu)相較于主動夾持機(jī)構(gòu)在可靠性、適應(yīng)性以及動力裝置成本上更具優(yōu)勢，本文將對采用基于氣動驅(qū)動的被動式夾持結(jié)構(gòu)進(jìn)行論證分析。

抓卡機(jī)構(gòu)的夾持原理如圖1 所示。該裝置采用氣缸驅(qū)動杠桿的主動和疊簧驅(qū)動杠桿的被動方式，將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)閵A緊連接塊的上下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)部件A 和部件B 的連接和分離。夾緊裝置和部件B 的連接接觸面采用V 型面接觸，當(dāng)氣缸充氣時(shí)，活塞向右運(yùn)動帶動杠桿短臂向下轉(zhuǎn)動，柔性頂塊在杠桿的帶動下向下運(yùn)動，夾緊連接塊的V 型面與夾緊機(jī)構(gòu)的V 型零件脫開，從而實(shí)現(xiàn)部件A 與部件B 的分離；氣缸排氣時(shí)，活塞在疊簧的回復(fù)力下，帶動杠桿短臂向上轉(zhuǎn)動，柔性頂塊克服夾緊連接塊的重力和簧片的彈力向上運(yùn)動實(shí)現(xiàn)V 形面鎖緊。該夾緊裝置采用被動夾緊、主動松開的工作模式，保證機(jī)構(gòu)在突然掉電工況下處于夾緊狀態(tài)，從而保證部件A 和部件B 的連接可靠性和系統(tǒng)的安全性。柔性頂塊的鎖緊力由疊簧的彈力經(jīng)過杠桿放大后提供，杠桿長短臂之比大為b:a，經(jīng)杠桿放大后柔性頂塊的Z 向夾緊力為疊簧回復(fù)彈力的4 倍，柔性頂塊的運(yùn)動行程為活塞運(yùn)動行程的1/4。

圖1 抓卡裝置原理

計(jì)算夾緊力需求時(shí)可以考慮疊簧回復(fù)力F1和杠桿比例大小b:a 以及V 型塊的斜面角度θ 這幾個(gè)參數(shù)。同時(shí)需要考慮部件B 的運(yùn)動參數(shù)需求，包括質(zhì)量m、加速度a，根據(jù)需求確定F1、b:a、θ等設(shè)計(jì)參數(shù)。下面以部件B 質(zhì)量為35 kg，最大加速度為20 m/s2為例，對力學(xué)模型進(jìn)行受力分析。同時(shí)為了保證設(shè)計(jì)的安全性，留有15%的安全余量。該受力分析考慮X 向（V 型面摩擦力方向），Y向由夾緊持連接塊與部件B 的柔性連接剛度去考慮，在本文中不做討論。這樣計(jì)算下來，部件B運(yùn)動時(shí)所需的X 向驅(qū)動力為800 N。其力學(xué)分析模型如圖2 所示。

圖2 部件A 與部件B 連接簡化力學(xué)模型

連接件Z 方向受力平衡，可得：

得到V 形接觸面上作用力的大?。?/p>

部件B 的X 向運(yùn)動所需驅(qū)動力由V 型接觸面靜摩擦力、柔性頂塊和夾持連接件接觸面的靜摩擦力的合力提供，設(shè)V 型接觸面摩擦系數(shù)為μ1，柔性頂塊和夾持連接件的摩擦系數(shù)為μ2，則該機(jī)構(gòu)能提供的最大X 向驅(qū)動力[3]為：

與驅(qū)動力比較可得式(4)：

考慮到后面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取μ1= μ2= 0.1，θ=50°，可得0.3366Fz＞800 N，

當(dāng)FZ＞2 377 N 時(shí)，該機(jī)構(gòu)能夠提供部件B（質(zhì)量為35 kg）在X 向以加速度20 m/s2運(yùn)動時(shí)所需的驅(qū)動力，根據(jù)該需求可對疊簧及杠桿進(jìn)行設(shè)計(jì)，杠桿比例可按照b:a=4:1 進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到疊簧提供的力F1=594.25 N，后續(xù)驗(yàn)證即在該參數(shù)下驗(yàn)證FZ＞2 377 N。

由式（4）可知，可以通過調(diào)整杠桿比例b:a、μ1、μ2、θ 的大小來調(diào)整夾持裝置所能提供的最大X 向驅(qū)動力，保證運(yùn)動部件B 在大加速度和大質(zhì)量下運(yùn)動的安全性和可靠性。

1.2 控制邏輯需求

為盡可能高的提高部件A 和部件B 連接的可靠性、使用壽命和夾持效率，提出如下3 點(diǎn)控制需求：（1）為保證連接的可靠性要求該夾持機(jī)構(gòu)在斷電且不做任何操作的時(shí)候，保證夾持機(jī)構(gòu)能始終在夾緊狀態(tài)；（2）為了保護(hù)部件A 和部件B 中間連接件夾持連接塊的使用壽命和夾持效率，要求柔性頂塊對夾持連接件有盡可能小的沖擊力，即在機(jī)構(gòu)釋放夾持力工況下要盡可能的快；機(jī)構(gòu)需要夾持連接時(shí)，要使柔性頂塊在接近夾持連接塊時(shí)能夠快速的接近，在接近達(dá)到一定力要求時(shí)能夠緩慢的進(jìn)行夾持；（3）要保證在夾持連接塊和V 型楔形塊之間能夠滿足垂向夾持力的大小，保證部件A 能夠帶動部件B 做大加速運(yùn)動。運(yùn)動示意圖如圖3 所示。

圖3 運(yùn)動示意圖

1.3 氣路設(shè)計(jì)

通過控制邏輯需求進(jìn)行如圖4 所示氣路設(shè)計(jì)，該氣路圖中用到了兩個(gè)雙電控兩位五通先導(dǎo)式電磁閥，利用該閥可以控制氣路的通斷，同時(shí)可以保證機(jī)構(gòu)突然掉電的情況下可以保持當(dāng)前狀態(tài)；在閥1 前端和閥2 后端存在兩個(gè)壓力檢測傳感器，用來給控制電路提供壓力值判斷輸入；儲氣罐1 位于閥1 前用來保證在CDA（壓縮空氣）突然斷掉的情況下，儲氣罐1 還能持續(xù)的給夾持機(jī)構(gòu)提供一段時(shí)間的正壓，保證柔性頂塊和夾持連接塊緩慢夾緊；同時(shí)為了保證在夾緊時(shí)活塞的排氣不至于污染部件A 和部件B，在閥路里面設(shè)計(jì)有抽排氣路。

圖4 氣路原理示意圖

結(jié)合氣動原理圖，以正壓0.5 MPa 充氣壓力和保護(hù)設(shè)定壓力0.2 MPa 為例，對如下幾種操作工況進(jìn)行說明：

（1）夾持機(jī)構(gòu)打開氣路操作動作

①閥1 的線圈1 和閥2 的線圈3 得電，閥1工位1~4 導(dǎo)通，閥2 工位1~4 導(dǎo)通；

②夾持機(jī)構(gòu)活塞底部氣缸充氣到0.5 MPa 時(shí)，充氣完成，閥1 的線圈1 和閥2 的線圈3 掉電。

（2）夾持機(jī)構(gòu)夾緊氣路操作動作

①閥1 的線圈2 和閥2 的線圈4 得電，此時(shí)閥1 與閥2 的4、5 導(dǎo)通，夾持機(jī)構(gòu)在疊簧回復(fù)力的作用下從0.5 MPa 開始快速放氣；

②當(dāng)夾持機(jī)構(gòu)放氣到0.2 MPa 時(shí)，閥2 的線圈3 得電，閥2 切換到工位4、1 導(dǎo)通，再通過閥1的4、5 通路，進(jìn)入到帶有小孔截流的抽排氣路中，進(jìn)行慢速放氣；

（3）不做任何操作時(shí)夾持機(jī)構(gòu)狀態(tài)

不做任何操作時(shí)定義夾持機(jī)構(gòu)是夾緊狀態(tài)，電磁閥線圈都不上電，閥1 保持在工位4、5 導(dǎo)通，閥2 保持在工位4、5 導(dǎo)通，這樣顆粒抽排管路會時(shí)刻對夾持機(jī)構(gòu)的氣路部分進(jìn)行抽排，保證部件A 和部件B 的潔凈度。

1.4 電控設(shè)計(jì)

該夾持機(jī)構(gòu)應(yīng)具備手動控制和遠(yuǎn)程軟件控制兩種模式，且在手動控制下，軟件遠(yuǎn)程控制時(shí)效，目的是為了在部件A 與部件B 離線調(diào)試或者測試時(shí)，便于離線手動處理。該夾持機(jī)構(gòu)的電控原理圖如圖5 所示，電控原理圖中包含夾緊機(jī)構(gòu)充排氣控制器、壓力采集，快/ 慢速排氣切換控制，手動切換控制等部分組成，其中：

圖5 電控功能框圖

（1）充排氣控制通過接受軟件指令實(shí)現(xiàn)充氣和排氣電磁閥的開關(guān)實(shí)現(xiàn)對夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行充氣或排氣；

（2）壓力采集電路部分通過壓力傳感器采集夾緊機(jī)構(gòu)活塞底部的壓力；

（3）快/ 慢速排氣切換控制通過對比采集到的夾緊機(jī)構(gòu)活塞底部的壓力值和設(shè)定的壓力值，控制快速排氣電磁閥的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)快/ 慢速排氣的控制；

（4）手動切換控制通過雙刀雙擲開關(guān)切斷充排氣電磁的控制電路，直接連接到電源上，實(shí)現(xiàn)對充/排氣電磁閥的優(yōu)先控制。

結(jié)合上述原理圖描述該夾持機(jī)構(gòu)具備的功能如下：

功能1：手動控制閥同時(shí)按下供電+OPEN時(shí)，夾持機(jī)構(gòu)松開

功能2：手動控制閥同時(shí)按下供電+CLOSE時(shí)，夾持機(jī)構(gòu)鎖死

功能3：線圈1 和線圈2 為一個(gè)雙控電磁閥，線圈3 和線圈4 為一個(gè)雙控電磁閥，其中1 和3為并聯(lián)關(guān)系，同時(shí)動作，外部可控（open 閥）；2 外部可控（close 閥），4 外部不可控，通過氣壓控制。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 夾持力測試

夾持機(jī)構(gòu)的夾持力大小直接影響到部件A 和部件B 聯(lián)接穩(wěn)定性，所以需要對夾持機(jī)構(gòu)的夾持力進(jìn)行測試以判斷是否符合理論設(shè)計(jì)要求。

利用力傳感器及配套數(shù)顯儀器測試該夾持機(jī)構(gòu)夾緊推動塊在夾緊位置狀態(tài)下的力值。選用如下測量設(shè)備及工裝工具，力傳感器（量程8 000 N），配套數(shù)顯儀（精度0.01 N）；按照機(jī)械設(shè)計(jì)的垂向夾持行程，設(shè)計(jì)測試用工裝，包括上墊塊、下墊塊及0.1 mm 厚金屬圓片；

實(shí)驗(yàn)步驟：

1）將上墊塊及下墊塊安裝在夾持機(jī)構(gòu)上；

2）夾持機(jī)構(gòu)的電控板卡上電；

3）將0.5 MPa 正壓接入夾持機(jī)構(gòu)氣源輸入口；

4）將力傳感器放置在下墊塊固定位置上，由0.1 mm 厚圓片調(diào)節(jié)力傳感器高度；

5）控制夾持機(jī)構(gòu)中部手動控制按鈕，實(shí)現(xiàn)夾持機(jī)構(gòu)夾緊/ 打開功能驗(yàn)證，并記錄夾緊力數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

根據(jù)前期理論計(jì)算FZ>2 377 N，測試結(jié)果顯示在柔性頂塊與柔性連接塊間距小于3.6 mm 時(shí)，垂向夾緊力均大于2 390 N，可滿足運(yùn)動組件設(shè)計(jì)要求，3.6 mm 即為部件A 和部件B 設(shè)計(jì)的最大間隙。

2.2 夾緊動作測試

夾持機(jī)構(gòu)在夾緊過程中需保證在壓力釋放到0.2 MPa 時(shí)，電磁閥2 線圈3 動作，夾緊機(jī)構(gòu)由快速夾緊變換到緩慢夾緊。

利用氣路圖中的末端壓力傳感器，示波器實(shí)時(shí)讀取夾持機(jī)構(gòu)在排氣夾緊過程中的壓力變換，判斷是否在夾緊過程中該夾持機(jī)構(gòu)存在快速排氣夾緊和慢速夾緊排氣兩個(gè)階段。

實(shí)驗(yàn)步驟：

1）將示波器信號采集線與夾持機(jī)構(gòu)電控板卡數(shù)據(jù)讀取端口連接；

2）夾持機(jī)構(gòu)的電控板卡上電；

3）將0.5 MPa 正壓接入夾持機(jī)構(gòu)氣源輸入口，手動控制夾持機(jī)構(gòu)打開（手動控制閥同時(shí)按下供電+OPEN）；

4）將示波器上電并實(shí)時(shí)讀取壓力傳感器1 的讀數(shù)，采樣頻率為200 Hz；

5）手動控制夾持機(jī)構(gòu)排氣夾緊（手動控制閥同時(shí)按下供電+CLOSE），夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)入夾緊過程。

實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如圖6 所示。

圖6 夾持機(jī)構(gòu)腔體內(nèi)氣壓隨時(shí)間變換曲線

從壓力與時(shí)間的關(guān)系圖可以清楚看到，夾持機(jī)構(gòu)排氣夾緊時(shí)，壓力值隨著時(shí)間的延長而線性降低，當(dāng)壓力值降低到設(shè)定壓力值0.2 MPa 后夾緊機(jī)構(gòu)變?yōu)榫徛龏A緊。

3 結(jié) 論

（1）根據(jù)本文中關(guān)于夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理及夾持力計(jì)算方法可準(zhǔn)確的對夾持機(jī)構(gòu)提供垂向夾持力進(jìn)行計(jì)算，且根據(jù)本文的計(jì)算方法并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可得到滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的垂向夾持力。

（2）本文中給出關(guān)于夾持機(jī)構(gòu)夾緊/打開的控制邏輯，可以通過工程上的電控設(shè)計(jì)、氣路設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并在工程應(yīng)用中得到準(zhǔn)確的驗(yàn)證。

（3）本文中設(shè)計(jì)的夾持機(jī)構(gòu)，在盡可能保證部件A 和部件B 夾持快速響應(yīng)的同時(shí)，又盡可能減少夾持機(jī)構(gòu)對被夾持部件夾持連接塊的沖擊力，提高連接部件的使用壽命。