CN101652852B - 用于传送基底的机械手及其末端执行器 - Google Patents

Abstract

一种基底传送机械手的末端执行器，所述末端执行器包括由纤维强化的塑料(FRP)制成的上板；由纤维强化的塑料(FRP)制成的下板；以及布置在所述上板与下板之间的中间构件，所述中间构件选自铝、不锈钢和蜂窝状纤维强化的塑料(FRP)。此外，公开了一种装备有上述末端执行器的基底传送机械手。

Description

用于传送基底的机械手及其末端执行器

本专利申请要求提交于2007年4月5日的美国临时申请60/921,946的优先权，该临时申请全文以引用方式并入本文。 

发明背景 

发明领域

本发明涉及作为机械手的组成构件的末端执行器，该机械手用于传送多种类型的基底，例如液晶显示屏中使用的玻璃基底。本发明还涉及包括所述末端执行器的机械手。 

背景技术

随着液晶显示屏尺寸的增大，在液晶显示屏生产过程中采用的玻璃的尺寸近来也变得更大。尽管在传送玻璃基底时，采用了提供末端执行器来夹持基底的基底传送机械手，但这些机械手也趋于变得更大。美国专利6,893,712中公开了在传送半导体硅片和液晶基底的机械手中使用的传送构件，这是涉及末端执行器和基底传送机械手的技术的实例。 

尽管美国专利6,893,712公开了组合多个碳纤维强化的塑料件的末端执行器，但在应用该技术来夹持被称为第八代基底的大尺寸玻璃基底的情况下，尤其存在末端执行器弯曲的问题。 

期望使用可夹持大尺寸基底的末端执行器。还期望装备有此类末端执行器的基底传送机械手，用于传送大尺寸基底，尤其是用于液晶显示屏的大尺寸玻璃。 

发明概述 

本发明的目的是提供末端执行器和装备有所述末端执行器的基底传送机械手，该末端执行器外形纤细、耐弯曲、重量轻、并且足以用于夹持称 为第八代基底的大尺寸玻璃基底。此外，本发明的目的是提供用于容易地制造长型末端执行器的方法。 

本发明为基底传送机械手的末端执行器，所述末端执行器包括纤维强化的塑料(FRP)制成的上板、FRP下板以及布置在上板与下板之间的中间构件，中间构件包含选自铝、不锈钢和蜂窝状FRP的材料。纤维优选为碳纤维、芳族聚酰胺纤维或聚对苯撑苯并二噁唑纤维。 

此外，本发明涉及装备有前述末端执行器的基底传送机械手。 

本发明的末端执行器由上板、下板以及布置在这之间的中间构件构成。这类末端执行器与仅由碳纤维强化的材料构成的末端执行器相比具有更加简单的结构。此外，它还能降低制造成本。例如，圆柱形末端执行器的制造工艺较为复杂。在生产用于第八代基底等的末端执行器的情况下，制造尤其困难。就这一点而言，本发明的末端执行器可通过简单地对板状构件进行层合来制造，从而使制造工艺变得极为简单。根据情况，可将上板、下板和中间构件运送到液晶面板制造厂，并在厂内进行装配，以方便地制造末端执行器。 

此外，本发明的末端执行器为复合件，该复合件由包含纤维强化的塑料的上板和下板，以及由铝、不锈钢或蜂窝状纤维强化的塑料制成的中间构件构成。在以此方式使用具有不同特性的中间构件的情况下，与仅由碳纤维复合材料构成的末端执行器相比，可提高减振性能。因此，可有效防止末端执行器弯曲期间各玻璃基底之间的接触。这一特性在长型末端执行器中尤其有用，例如用于第八代基底的末端执行器。 

此外，本发明的末端执行器采用碳纤维复合材料或强化纤维用于上板和下板。因此，可提供重量轻并且纤细的末端执行器。 

此外，由于前述末端执行器兼具外形纤细、抑制弯曲和重量较轻的特点，本发明的基底传送机械手可优选用于在液晶显示屏制造工艺中来传送玻璃基底。由于本发明的基底传送机械手具有上述极高的抑制弯曲的效果，因此尤其优选用于夹持称为第八代基底的大尺寸玻璃基底。然而，本发明并不仅限于第八代基底，而是理所当然地还可用于其他尺寸的玻璃基底以及除玻璃基底之外的基底。 

附图简述 

图1A为作为本发明的实例的末端执行器12的透视图，图1B为其顶视图，图1C为其侧视图； 

图2A为本发明的末端执行器的实例的侧视图，图2B为其前视图，其中中间构件为中空矩形棱柱； 

图3A为本发明的末端执行器的实例的顶视图，图3B为其侧视图，图3C为其后视图，其中中间构件为U形构件； 

图4A为本发明的末端执行器的实例的顶视图，图4B为其侧视图，图4C为其前视图，其中中间构件由蜂窝状芳族聚酰胺纤维制成； 

图5为基底传送机械手30的实例的示意性透视图，该基底传送机械手装备有本发明的末端执行器。 

优选实施方案说明 

下面结合附图对本发明的末端执行器和基底传送机械手进行详细阐述。 

图1示出了作为本发明的实例的末端执行器12。图1A为透视图，图1B为顶视图，图1C为侧视图。在该实例中，末端执行器12由纤维强化的塑料(下文有时简称为FRP)制成的上板14、FRP制成的下板16以及布置在上板14与下板16之间的中间构件18构成，中间构件选自铝、不锈钢和蜂窝状FRP，并且末端执行器12总体上具有中空结构。此外，尽管图1的实例为中空结构的实例，但本发明专利申请的末端执行器并不限于该形状，并且也可采用实心结构。 

对于用作上板14和下板16的材料的FRP的组成并无具体限制，并且可应用称为FRP的多种材料。也可组合使用这些材料中的两种或更多种。优选对掺入塑料中的强化纤维使用碳纤维、芳族聚酰胺纤维或聚对苯撑苯并二噁唑纤维。这些材料可商购获得，并且可使用可商购获得的材料作为基料来成形为板形。可商购获得的材料的实例包括 

和 

优选使用更轻并且具有改善的耐弯曲特性的纤维。例如，包含碳纤维的碳纤维强化的塑料(CFRP)，该碳纤维的形式为具有490至950GPa的拉伸弹性模量的高弹性碳纤维，按体积计占30％或更高。通过使这些纤维的体积比 率占CFRP总体积的30％或更高，可获得足够的刚度和具有高减振性能的构件。上述体积比率优选为40％或更高。 

尽管所用的所有强化纤维均可为高弹性碳纤维，但部分纤维可由其他强化纤维制成，例如具有小于490GPa的拉伸弹性模量的碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、碳化硅纤维或其他已知的强化纤维。例如，高弹性碳纤维的体积比率最多可为90％，同时其他强化纤维，尤其是具有小于490GPa的拉伸弹性模量的碳纤维，可与其余纤维组合使用。 

此外，对布置在上板14与下板16之间的中间构件18使用选自铝、不锈钢和蜂窝状FRP的材料。铝和不锈钢具有高强度并且耐腐蚀。 

对于用作中间构件的材料的强化纤维并无具体限制，并且可应用已知为强化纤维的多种材料。优选对掺入塑料中的强化纤维使用碳纤维、芳族聚酰胺纤维或聚对苯撑苯并二噁唑纤维。这些材料可商购获得，并且可使用可商购获得的材料作为基料来成形为板形。可商购获得的材料的实例包括 

和 

优选使用更轻并且具有改善的耐弯曲特性的纤维。例如，包含碳纤维的碳纤维强化的塑料(CFRP)，该碳纤维的形式为具有490至950GPa的拉伸弹性模量的高弹性碳纤维，按体积计占30％或更高。通过使这些纤维的体积比率为30％或更高，可获得足够的刚度和具有高减振性能的构件。上述体积比率优选为40％或更高。 

下面对本发明的末端执行器的多个方面进行说明，尤其是对其中中间构件已经过适当修改的方面。 

图2A为本发明的末端执行器的一个方面的侧视图，图2B为其前视图(从图2A的侧面看)。在该实例中，末端执行器由上板21、下板22以及布置在板21与22之间的中空矩形棱柱中间构件23构成。使用这种形式的中间构件可使整个末端执行器表现出轻的重量、足够的强度和弯曲刚度。 

图3A为本发明的末端执行器的一个方面的顶视图，图3B为其侧视图，图3C为其后视图(从图3B的左侧看)。在该实例中，末端执行器由上板24、下板25以及布置在这些板24与25之间的U形中间构件26构成。与图2中示出的实例相比，由于可使中间构件的体积变得更小，使用这种形式的中间构件可减轻末端执行器的重量。此外，在末端执行器如同 在图5所示的基底机械手中一样单方向延伸的情况下，减小末端执行器末端的弯曲的效果是大大的，该基底机械手将在下文描述。 

图4A为本发明的末端执行器的一个方面的顶视图，图4B为其侧视图，图4C为其前视图(从图4B的侧面看)。在该实例中，末端执行器由上板27、下板28以及布置在这些板27与28之间的中间构件29构成，中间构件由蜂窝状芳族聚酰胺纤维制成。使用此类中间构件可极大程度地减轻末端执行器的重量。由于芳族聚酰胺纤维具有大约五倍于普通钢丝的强度，重量轻，并且具有优异的耐热性和耐冲击性，因此将它们用作中间构件29是尤其有利的。 

如图1所示，在整个末端执行器12采用中空结构的情况下，末端执行器的固定端13优选具有这样的结构：其中垂直于末端执行器的纵向的横截面的外周长从固定端13朝向自由端15移动时变小，以获得更高的减振性能。在此处，“纵向”是指将图1所示的中空末端执行器12的固定端13的横截面重心(G1)与自由端15的横截面重心(G2)相连接的线11的方向。 

在图1所示的末端执行器12中，在将固定端13的宽度和高度分别定义为H1和T1，并且将自由端15的宽度和高度分别定义为H2和T2的情况下，末端执行器12具有锥形形状，其中只有宽度在朝向自由端移动时变窄(H1＞H2，T1＝T2)。然而，本发明的末端执行器并不局限于这一形状。除了具有图1所示形状的末端执行器12外，本发明的末端执行器也可采用这样的锥形形状：其中(例如)只有厚度在朝向自由端移动时变小(H1＝H2，T1＞T2)。此外，本发明的末端执行器还可具有这样的锥形形状：其中宽度和高度在朝向自由端移动时均变小(H1＞H2，T1＞T2，如图3A和3B所示)。 

如果末端执行器12的外周长在朝向自由端15移动时变小，为了减小初始振动过程中的振幅，末端执行器12的自由端15的外周长优选为固定端13的外周长的1/3或更高，并且更优选为其1/2或更高。另一方面，为了通过将自由端15的外周长减少甚至一点点而表现出与具有相同固定端外周长和自由端外周长的末端执行器比较而言相当的减振性能效果，自由端15的外周长优选为固定端13的外周长的9/10或更低，并且更优选 为其3/5或更低。因此，自由端15的外周长优选为固定端15的外周长的1/3至9/10，并且更优选的是，自由端15的外周长为固定端15的外周长的1/2至3/5。 

此外，外周长在朝向自由端方向移动时变小的外形并不局限于如图1所示的外周长从固定端13朝向自由端15均匀缩小的外形。例如，可采用如下外形：其中外周长在靠近固定端13的部分处不发生改变，然后在该部分以外在朝向自由端15移动时逐渐变小，或者可采用如下外形：其中外周长最多减小至在纵向上的中间部分，然后在该部分之后在朝向自由端15移动时保持恒定。还可采用其他多种此类外形。 

此外，尽管未在附图中示出，但本发明的末端执行器可为这样的形状：其中固定端和自由端的宽度和高度均为同一尺寸，即，H1＝H2、T1＝T2，以便末端执行器的横截面一致并且从固定端到自由端没有发生变化。 

末端执行器12的自由端可如图1所示保持开口，或者可将橡胶或其他弹性构件制成的顶盖***开口的末端。 

此外，图1所示的末端执行器12的长度应使得末端执行器能够支撑基底，以便在下文所述的基底机械手容纳基底时，抑制中央部分的弯曲。因此，可根据要容纳的基底的尺寸来适当确定该长度。在本发明中，本发明展现出的效果随着末端执行器12长度的变大而更为突出。具体地讲，本发明在末端执行器的长度为500mm或更长，优选为1000mm或更长，并且更优选为2300mm或更长的情况下极其有用。对于末端执行器12的宽度并无具体限制，并且就对应于所用材料的组合方式而言，要确保最小宽度能维持所需的强度和弯曲刚度，以防止所容纳基底的中央部分发生弯曲。此外，也可根据在容纳基底的节距范围内高度和宽度的关系来适当设定高度，以便能够确保必需的最低强度和弯曲刚度。通常，本发明的末端执行器的高度为5至60mm。在本发明中提供了重量轻、强度高的末端执行器。通常，末端执行器的重量为1至4kg，但不限于此范围。 

末端执行器优选地表现为几乎不具有挠性。具体地讲，如果将1kg重量置于自由端上，弯曲中的挠度优选小于20mm，更优选小于10mm。 

如图1所示，具有如上所述构造的末端执行器12由例如上板14、下板16以及布置在它们之间的中间构件18构成。通过采用此类构造，可方便地制造末端执行器。此外，所述末端执行器12的上板14和下板16由具有高减振性能的FRP制成，并且选择铝、不锈钢或蜂窝状FRP用于中间构件，使得抑制弯曲的效果得以增强。此外，本发明的末端执行器确保了重量轻。在中间构件为中空的情况下，可提供重量更轻并且更不易弯曲(变形)的末端执行器。 

下面通过着重介绍用于制造如图1所示的锥形、中空末端执行器的方法的实例来对本发明的末端执行器的制造方法进行说明。本领域中的普通技术人员将容易理解这样的事实：通过适当地更改下述方法也可制造具有其他形状的末端执行器。 

首先，作为初始步骤，为上板和下板制备碳纤维复合材料，并且为中间构件制备铝结构。 

上板和下板的形成

以下述方式来形成用于上板和下板的碳纤维复合材料。首先，将基质树脂浸渍入碳纤维片材中以形成未固化的预浸渍(预浸处理)片材。该预浸处理片材例如优选使用高弹性碳纤维，该高弹性碳纤维具有490至950GPa的拉伸弹性模量，按体积计占30％或更高。此外，也可将玻璃纤维或其他纤维添加到碳纤维复合材料中，前提条件是它们不会削弱上板和下板的支撑性能。 

就基质树脂而言，可使用热固性树脂，例如环氧树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、不饱和聚酯树脂、聚酰亚胺树脂、以及双马来酰亚胺树脂。在此情况下，优选能够承受高温高湿环境例如橡胶硫化的树脂。此外，也可使用其中加入由橡胶或树脂制成的细小颗粒以赋予耐冲击性和韧性的热固性树脂，或者其中已溶解有热塑性树脂的热固性树脂。 

尽管碳纤维的类型包括具有小于490GPa的拉伸弹性模量的PAN基碳纤维(得自聚丙烯腈-PAN纤维)和具有490至950GPa的拉伸弹性模量的沥青基碳纤维(得自石油或煤焦油基前体)，但这些纤维可在本发明中组合使用。在此情况下，沥青基纤维具有高弹性模量的特性，而PAN基纤维具有高拉伸强度的特性。此外，预浸处理片材的实例包括其中强化纤维 以同一方向取向的单向片，以及诸如平织、斜织、缎面织和三向织等交叉织造的片材。就具有490至950GPa的拉伸弹性模量的高弹性碳纤维预浸处理片材而言，单向片是尤其优选的。 

可制备多种类型的预浸处理片材，例如具有不同类型强化纤维的预浸处理片材、强化纤维与基质树脂的用量比率不同的预浸处理片材、或者强化纤维取向不同的预浸处理片材。因此，优选的是，根据要夹持的玻璃基底来适当选择要使用的预浸处理片材，以便形成具有最佳弯曲刚度的末端执行器。 

预浸处理片材的外表面可根据需要使用交叉织造的预浸处理片材来包裹。交叉织造的预浸处理片材是指这样的未固化片材，其中上述基质树脂浸渍入以多个方向织造的强化纤维中。优选将织造的碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维或碳化硅纤维等用于强化纤维。此外，优选柔韧、高粘合性的片材，以便能够紧密地粘附并包裹预浸处理片材。可在使用烙铁等进行加热的同时，通过紧密地粘附预浸处理片材而进行包裹。 

由于使用该交叉织造的预浸处理片材进行了包裹，在诸如切割和钻孔的后处理过程中，可防止起毛、或分散或类似的不可取结果。因此，使用交叉织造的预浸处理片材不仅有改善加工性能的优点，还可减少碎屑的产生，同时不会有损坏液晶显示屏基底、等离子显示屏基底、硅片或其他精密基底的风险。 

然后，将预浸处理片材形成为预定尺寸的预浸处理片材段。预浸处理片材段的形状为例如图1所示的上板14和下板16的形状。用于形成预浸处理片材段的方法可以是切割、机械加工或激光加工。 

将以此方式得到的未固化的预浸处理片材段置于真空袋中，然后在加压的情况下于烘箱或相似设备中加热，以获得上板和下板。在此情况下的加热条件包括从室温开始以每分钟2至10℃的速度加热，接着在约100至190℃的温度下保持约10至180分钟，然后停止加热，并通过自然冷却回至室温。将未固化的预浸处理段置于真空袋中的目的是向未固化的构件大致均匀地施加外部压力(即大气压)。 

中间构件的形成

用于中间构件的材料优选以铝、不锈钢或蜂窝状FRP的方式具有优异的耐腐蚀性。与采用不锈钢能够实现的末端执行器重量减轻相比，优选使用铝来实现更大程度的末端执行器的重量减轻。此外，在需要进一步减轻重量的情况下，优选使用蜂窝状FRP(例如包含芳族聚酰胺纤维的蜂窝状FRP)来替代铝。 

使用已知的成形方法，将这些金属材料或FRP形成为前述尺寸的构件以获得中间构件。例如，可将它们形成为如图1所示的中间构件18。成形可通过切割、机械加工或激光加工来进行。 

末端执行器的形成

使用以上述方式得到的上板、下板和中间构件，根据已知的成形方法来形成末端执行器。可通过例如粘合这些构件来形成末端执行器。可使用例如双液混合型环氧粘合剂作为粘合剂。尽管未对粘合条件进行具体限制，但考虑到可加工性，优选使用可在室温下固化的粘合剂。 

如上文所述，可方便地制造以此方式得到的末端执行器。此外，由于末端执行器的形式为具有上板、下板和其他构件的复合构件，因而整个末端执行器具有抑制弯曲的效果。因此抑制了由末端执行器的振动造成的弯曲，从而可有效地防止末端执行器弯曲期间各玻璃基底之间的接触。此外，通过将上述材料和中空结构用于上板和下板，可进一步减轻末端执行器的重量。 

此外，形成如图1所示的末端执行器12不必经过复杂的制造工艺，例如在形成圆柱形末端执行器的情况下，以相对于芯的预定角度来对非硫化片材进行多层包裹。因此可显著提高末端执行器的生产效率。从而可以低廉的成本容易地制造末端执行器。 

尽管以上已对本发明的末端执行器进行了说明，下面还要对使用此类末端执行器的基底传送机械手进行说明。 

图5为基底传送机械手30的实例的示意透视图，该基底传送机械手装备有本发明的末端执行器。基底传送机械手30由末端执行器(指状物)31、腕32和臂33构成。每个末端执行器31均具有连接到腕32的固定端34，以及自由端35。通过将基底置于末端执行器31上来传送基底。 

本发明的末端执行器由于兼具外形薄、抑制弯曲和重量轻的特点，可用于传送在液晶显示屏制造过程中使用的玻璃基底。此外，可方便地制造本发明的末端执行器。此外，本发明用于抓握基底的机械手尤其可用于传送被称为第8代基底的大尺寸玻璃基底。 

Claims (11)

1.基底传送机械手的末端执行器，所述末端执行器包括：

由纤维强化的塑料制成的上板；

由纤维强化的塑料制成的下板；和

布置在所述上板与下板之间的中间构件，所述中间构件包含选自铝、不锈钢和蜂窝状纤维强化的塑料的材料。

2.根据权利要求1的末端执行器，其中所述纤维强化的塑料的纤维为碳纤维、芳族聚酰胺纤维或聚对苯撑苯并二唑纤维。

3.根据权利要求2的末端执行器，其中所述纤维强化的塑料的纤维为碳纤维，所述碳纤维具有490至950GPA的拉伸弹性模量，并且所述纤维的体积占所述纤维强化的塑料的总体积的30％或更高。

4.根据权利要求3的末端执行器，其中所述纤维的体积占所述纤维强化的塑料的总体积的40％或更高。

5.根据权利要求1的末端执行器，其中所述末端执行器具有连接到所述基底传送机械手上的固定端和自由端以及垂直于所述末端执行器的纵向的横截面，并且其中所述末端执行器具有中空结构，所述横截面的外周长在从所述固定端朝向所述自由端移动时变小。

6.根据权利要求5的末端执行器，其中所述自由端的外周长为所述固定端的外周长的1/3至9/10。

7.根据权利要求6的末端执行器，其中所述自由端的外周长为所述固定端的外周长的1/2至3/5。

8.装备有权利要求1的末端执行器的基底传送机械手。

9.装备有权利要求2的末端执行器的基底传送机械手。

10.装备有权利要求3的末端执行器的基底传送机械手。

11.装备有权利要求5的末端执行器的基底传送机械手。

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