NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN WAFER ROBOT

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

ii


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
iii


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

iv


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
v


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
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 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
vii


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

viii


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.
1


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.
2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Hình 1.3 Tấm wafer [4]

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

 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.
3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Input/Output
Device

Display
Unit

Robot Tooling

Wafer
Robot

Driving
System

Control
Unit

Feedback
Device

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).

R

Z

Y
2θR

θ
θR
θR
R

b) Sơ đồ nguyên lý

a) Mô hình [5]

Hình 1.6 R-θ Wafer Robot
4

X


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.
Nhược điểm
 Kết cấu cơ khí phức tạp để đáp ứng được sơ đồ nguyên lý, sử dụng nhiều bộ
truyền để dẫn động nên độ chính xác bị giảm.
 Khớp xoay của cánh tay bị giới hạn trong một phạm vi nhất định < 3600 nên
kém linh hoạt, từ đó diện tích cần thiết cho thao tác vận chuyển tấm wafer lớn
hơn so với dạng SCARA.
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.
5


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

θ3

θ2

θ1

Z

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.
6


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Hình 1.9 Bộ truyền đai răng [8]

Hình 1.8 Bộ truyền vít me [7]

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.

Hình 1.10 Động cơ bước [9]

Hình 1.11 Động cơ AC Servo [10]
7


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.
Input Device
(PC/Keyboard)

Controller

Servo
Motor

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.
8


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Hình 1.13 Vacuum Type [11]

Hình 1.14 Contact Type [11]

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.

Controller

Controller

Signal

Motion Control
Board

Pulse

Signal

Motion Control
Board

Pulse

Servo Pack

AC Servo
Motor

Driver

Step
Motor

Hình 1.15 Sơ đồ điều khiển động cơ bằng xung
9


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).

Hình 1.16 Đồ thị vận tốc S-curve [15]
Ưu điểm
 Độ chính xác cao khi hệ thống ổn định.
 Giải thuật điều khiển đơn giản.
Nhược điểm
 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
10


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
xứng và bất đối xứng [15] cũng như biện pháp xử lý cho các vấn đề “non-zero starting

velocity” hay “drop-off of torque at high velocity” .
Và việc sử dụng giải thuật điều khiển vị trí theo đồ thị vận tốc thường dùng chíp
motion control (Hình 1.19) (Pulse Generator) từ các hãng như nippon, nova,… theo
dạng “PC-based system”. Nhưng điều này làm cho hệ thống điều khiển trở nên phức
tạp, khó can thiệp sâu vào giải thuật điều khiển và có giá thành cao.

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.

Signal

Controller

Motion Control Voltage
Board
Pulse

Servo Pack

AC Servo
Motor

Hình 1.18 Sơ đồ điều khiển động cơ bằng giải thuật vòng kín
Ưu điểm
 Vẫn có thể đáp ứng được vị trí khi điều kiện tải hay môi trường thay đổi, khi
mối quan hệ giữa đầu ra và đầu vào không rõ ràng.
11


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
12

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
 Tầm hoạt động (phương bán kính R): 517,8 mm (470 mm/s)
 Trục đứng Z: 300 mm (130 mm/s)
 Trục xoay θ: 3400 (2700/s)
 Động cơ: Step motor
 Độ chính xác: ±0,1 μm
 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)
13


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
 Trục đứng Z: 431,8 mm (425 mm/s)
 Trục xoay θ: 3400 (3600/s)
 Động cơ: AC Servo
 Độ chính xác: ±0,02 mm
 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
 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 đó
nhận lại tấm wafer rồi đặt vào hộp.
 Có thể điều khiển, giám sát quá trình thông qua máy tính
1.4.2 Nhiệm vụ đề tài
Để thực hiện mục tiêu đề ra bên trên, 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.
14


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.

15


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.
R

Z

Y
2θR

θ
θR
θR

X

R

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
16


CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Hình 2.2 Phương án bộ truyền vít me [7]

Hình 2.3 Phương án đai răng [8]

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.
17


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.
18