DE10310989B4

DE10310989B4 - Reinraummanipulator mit einem Schwenkarm

Info

Publication number: DE10310989B4
Application number: DE2003110989
Authority: DE
Inventors: Steffen Dr. Pollack; Lothar Andritzke; Steffen Krüger
Original assignee: HAP Handhabungs Automatisierungs und Prazisionstechnik GmbH
Current assignee: Fabmatics GmbH
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2023-03-08
Also published as: DE10310989A1

Abstract

Reinraummanipulator mit einem Schwenkarm, an dem distal eine mechanische Schnittstelle (7) für Handhabungskomponenten nach außen geführt ist, wobei ein nichtlinear gesteuerter Linearantrieb (5) an einer exzentrischen Schubkurbel (4) angreift, die einen Schwenkantrieb (2) des Schwenkarmes (1) bilden, und wobei an einem Gehäuse des Schwenkarmes (1) im Bereich des Schwenkantriebes (2) eine Absaugleitung angeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft Reinraummanipulatoren mit mindestens einem Schwenkarm, die in der Lage sind, Handhabungskomponenten mittels einer mechanischen Schnittstelle anzusteuern, so dass mit solchen Handhabungskomponenten weitere Komponenten behandelt werden können. Dabei kann es sich bei den Handhabungskomponenten bevorzugt um Greifer oder Greifersysteme handeln, die in der Lage sind, auch Elemente mit höherer Masse zu ergreifen, dabei eine Bewegung durchzuführen und einen solchen Greifer wieder Außereingriff mit den vorab ergriffenen Elementen zu bringen.
Bei den Elementen kann es sich beispielsweise um Behältnisse handeln, in denen Wafer von einer Bearbeitungsstation zu nachfolgenden Bearbeitungsstationen transportiert werden müssen und der Transport dabei nicht ausschließlich mit translatorischen Förderein richtungen in effektiver Weise erfolgen kann.
Insbesondere durch die Einführung der so genannten „300 mm-Technologie" sind die Anforderungen bezüglich der zu bewegenden Massen, und des hierfür erforderlichen Zeitaufwandes gestiegen.
Außerdem sind Wafer mit diesen größeren Abmessungen mechanisch sehr empfindlich, so dass ein schonender Transport und eine schonendere Bewegung für die so genannten FOUP's (Front Opening Unified POD) und offene Wafer-Behältnisse erforderlich ist.
Es sollen aber auch möglichst die Bedingungen für eine Reinraumklasse I erfüllt sein, um auch Wafer in offenen Behältnissen manipulieren zu können.

So ist in DE 41 06 617 C2 ein Reinraum-Handhabungssystem beschrieben, bei dem ein so genannter Kragarm zwei Achsen aufweist und der Kragarm um eine dieser Achsen verschwenkt werden kann und an einer anderen dieser Achsen ein Linearteil mit Greiferbacken verbunden ist.

Aus US 4,496,278 ist ein Industrieroboter bekannt, bei dem ein Linearantrieb in Form eines Hydraulikzylinders diese Systeme verschwenken kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Reinraummanipulator zur Verfügung zu stellen, mit dem unter Einhaltung von erhöhten Reinraumerfordernissen eine Bewegung von Elementen/Behältnissen mit erhöhter Masse und erhöhter Geschwindigkeit erreichbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Reinraummanipulator, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen enthaltenen Merkmalen erreicht werden.

Der erfindungsgemäße einen Schwenkarm aufweisende Reinraummanipulator verfügt über eine distal am Schwenkarm vorhandene Schnittstelle für Handhabungskomponenten, bevorzugt für Greifer. Diese mechanische Schnittstelle ist dabei am distalen Endbereich des Schwenkarmes nach außen geführt, so dass durch eine entsprechende Aktivierung bzw. Deaktivierung eine Handhabungskomponente manipuliert werden kann. So können beispielsweise die Halteelemente eines Greifers so bewegt werden, dass sie in einen formschlüssigen Eingriff mit einem zu bewegenden Element, wie dies beispielsweise die bereits vorab erwähnten FOUP's sind, gebracht, diese dann mit dem erfindungsgemäßen Reinraummanipulator angehoben bzw. abgesenkt werden können und nach Erreichen einer bestimmten vorgegebenen Position die Halteelemente eines solchen Greifers wieder Außereingriff gebracht werden können.

Zum Verschwenken des Schwenkarmes ist am erfindungsgemäßen Reinraummanipulator ein Schwenkantrieb vorhanden. Dieser Schwenkantrieb wird aus einem nichtlinear gesteuerten Linearantrieb und einer exzentrischen Schubkurbel gebildet. Dadurch können sowohl eine hochpräzise Verschwenkung des Schwenkarmes, wie auch hohe Kräfte aufgebracht und Momente, bei gleichzeitig relativ geringem Raumbedarf, beherrscht werden.

Des Weiteren ist zumindest eine Absaugleitung im Bereich des Schwenkantriebes an das Gehäuse des Schwenkarmes angeschlossen, so dass gegebenenfalls auch beim Betrieb des Reinraummanipulators gebildete Partikel am Austreten in einen Reinraum gehindert werden können.

Der erfindungsgemäße Reinraummanipulator kann so ausgebildet sein, dass der Antrieb für die mechanische Schnittstelle ebenfalls innerhalb des Schwenkarmes angeordnet ist. Auch hier kann eine Absaugleitung, die einen Partikelaustritt verhindern kann, angeschlossen sein.

Der zweite Antrieb für die mechanische Schnittstelle kann so ausgebildet werden, dass innerhalb des Schwenkarmes ebenfalls ein Linearantrieb angeordnet und dort gehalten ist. Dieser Linearantrieb ist drehbar an einer Seite eines abgewinkelten Koppelelements befestigt. Am anderen Ende des abgewinkelten Koppelelements ist ebenfalls eine Drehachse vorhanden, an der ein Verbindungselement zur mechanischen Schnittstelle angreift.

Die mechanische Schnittstelle kann, als mindestens eine nach außen geführte Drehantriebsachse ausgebildet sein.

Eine solche Drehantriebsachse kann lediglich an einer Seite des Gehäuses des Schwenkarmes oder auch an zwei sich gegenüberliegenden Außenseiten des Gehäuses nach außen geführt sein. Bei einer einseitigen Nachaußenführung einer solchen Drehantriebsachse sollte dann an der jeweils anderen Seite des Schwenkarmes ein Element vorhanden sein, an dem die jeweilige Handhabungskomponente statisch formschlüssig gehalten werden kann.

Vorteilhaft ist es, wenn zwischen dem Gehäuse des Schwenkarmes und der nach außen geführten Drehantriebsachse ein umlaufender Spalt vorhanden ist, der eine berührungslose Drehung der Drehantriebsachse ermöglicht. Das umlaufende Spaltmaß sollte dabei mindestens so groß sein, z.B. 0,05 mm, dass dort durch mechanischen Abrieb gebildete Partikel verhindert werden können und gleichzeitig die Absaugwirkung nicht wesentlich reduziert wird.

Der erfindungsgemäße Reinraummanipulator kann dahingehend weitergebildet werden, dass Schwenkarm und Schwenkantrieb mit einer Stützkonstruktion verbunden sind. Eine solche Stützkonstruktion sollte möglichst so ausgebildet sein, dass eine Bewegung in weiteren Achsen erreicht werden kann.

So können beispielsweise Schwenkarm und Schwenkantrieb in bzw. an der Stützkonstruktion um eine Vertikalachse drehbar gehalten und geführt sein.

Hierfür kann unmittelbar an diese ein entsprechend geeigneter Drehantrieb angreifen, der an einer solchen Stützkonstruktion starr fixiert ist.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, die gesamte Stützkonstruktion um eine solche Vertikalachse drehbar anzuordnen.

Werden sowohl Schwenkarm mit Schwenkantrieb und auch die Stützkonstruktion drehbar ausgebildet, kann die erreichbare Drehgeschwindigkeit erhöht und dementsprechend die für eine solche Drehbewegung erforderliche Zeit verkürzt werden.

Für den Einsatz der erfindungsgemäßen Reinraummanipulatoren ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn eine Höhenverstellbarkeit zusätzlich zur Schwenkmöglichkeit des Schwenkarmes gegeben ist.

Hierzu kann an der Stützkonstruktion ein dritter Linearantrieb für die Höhenverstellbarkeit der Stützkonstruktion vorhanden sein, der mit seiner Antriebsachse vertikal ausgerichtet ist.

Vorteilhaft ist es, in der Stützkonstruktion unabhängig von einem Linearantrieb für die Höhenverstellung auch mindestens ein Vertikalführungselement vorzuse hen.

Da, wie einleitend bereits erwähnt, die erforderlichen Kräfte, Beschleunigungen und Geschwindigkeiten erhöht sind und trotzdem eine hohe Positioniergenauigkeit eingehalten werden soll, ist es vorteilhaft, mehrere Vertikalführungselemente einzusetzen. So sollten möglichst drei jeweils äquidistant zueinander angeordnete Vertikalführungselemente eingesetzt sein, die fluchtend zur Antriebsachse des Linearantriebes für die Höhenverstellung ausgerichtet sind, eingesetzt werden.

Der Linearantrieb kann dabei im Mittelpunkt eines Dreiecks, das mit den jeweils drei Vertikalführungselementen aufgespannt ist, angeordnet sein.

Die Vertikalführungselemente können beispielsweise analog zu Teleskopen ausgebildet sein.

Auch an die Stützkonstruktion, die ebenfalls von einem Gehäuse umhaust sein kann, kann wiederum ebenfalls eine Absaugleitung, mit der dort gegebenenfalls freigesetzte Partikel entfernt werden können, angeschlossen werden.

Günstig kann es außerdem sein, einen erfindungsgemäßen Reinraummanipulator so zu gestalten oder innerhalb eines Reinraumes anzuordnen, dass er translatorisch bewegt werden kann. So kann er dann entlang einer Achse hin und her verfahren werden und so ein weiterer Freiheitsgrad für eine weitere Bewegungsachse erschlossen werden.

Hierfür ist es vorteilhaft, entsprechend ausgebildete Längsführungen für den Reinraummanipulator vorzuse hen, die diesen sowohl formschlüssig halten, wie auch bei der Bewegung führen.

Als solche Längsführungen können entsprechend ausgebildete Profile eingesetzt werden, die am Boden eines Reinraumes befestigt sind. So können z.B. mindestens drei am Reinraummanipulator befestigte Rollen oder Räder eine Hin- und Herbewegung des Reinraummanipulators ermöglichen und die jeweils wirkenden Kippmomente kompensieren.

Eine entsprechende Mobilität des Reinraummanipulators kann aber auch mittels einer verfahrbaren Plattform erreicht werden.

Bei einer entsprechenden Ausbildung von Längsführungen für Reinraummanipulatoren kann eine Bewegung dieser auch entlang einer gekrümmten Kreisbahn erreicht werden, falls dies bei entsprechenden baulichen Raumverhältnissen erforderlich ist.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigt:
1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Reinraummanipulators und
2 ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Reinraummanipulators.
Das in 1 gezeigte Beispiel eines erfindungsgemäßen Reinraummanipulators verfügt über einen Schwenkarm 1, der hier um die in die Zeichnungsebene weisende, eine Drehachse bildende Welle 4'' ver schwenkt werden kann.
Für die Verschwenkbewegung ist ein nichtlinear gesteuerter Linearantrieb 5 versetzt zur drehbaren Welle 4'' angeordnet. Dabei kann die translatorische Antriebsbewegung wie mit dem neben dem Linearantrieb 5 angedeuteten Doppelpfeil erfolgen.
Antriebsseitig ist ein Koppelelement 4''', der Schubkurbel 4 drehbar mit dem Linearantrieb 5 und ebenfalls über die drehbar gelagerte Welle 4' mit dem Schwenkarm 1 verbunden. Eine solche kinematische Anordnung bildet eine exzentrische Schubkurbel, die wiederum in Verbindung mit dem Linearantrieb 5 den Schwenkantrieb 2 für den Schwenkarm 1 bilden.
Bei einem erfindungsgemäßen Reinraummanipulator kann der Schwenkarm 1 auch um mehr als 90° verschwenkt werden.
Innerhalb des Schwenkarmes 1 ist ein zweiter Linearantrieb 8 angeordnet. An diesem Linearantrieb 8 ist wiederum antriebsseitig ein abgewinkeltes Koppelelement 9 vorhanden. Dieses abgewinkelte Koppelelement 9 ist antriebsseitig ebenfalls mit dem Linearantrieb 8 drehbar gelagert verbunden. Auch ist mit einem Doppelpfeil die Bewegungsrichtung des Linearantriebes 8 angedeutet.
Am zweiten stirnseitigen Ende des abgewinkelten Koppelelements 9 greift ein Verbindungselement 10 an, das mit dem abgewinkelten Koppelelement 9 ebenfalls drehbar verbunden ist.
Am Verbindungselement 10 ist eine Drehantriebsachse 7 als mechanische Schnittstelle fixiert, so dass sie bei einer translatorischen Bewegung des Linearantriebes 8 mit Hilfe von abgewinkeltem Koppelelement 9 und Verbindungselement 10 um bestimmte Winkelbeträge, auch um mehr als 100° verdreht werden kann. Die die mechanische Schnittstellstelle 7 bildende Drehantriebsachse ist bei diesem Beispiel an beiden Seiten des Schwenkarmes 1 durch dessen Gehäuse nach außen geführt, wobei, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits angesprochen, zwischen Schwenkarmgehäuse und Drehantriebsachse ein Spalt für eine berührungslose Verdrehung der Drehantriebsachse verblieben ist.
Insbesondere durch die mechanische Kopplung von Linearantrieb 8 und mechanischer Schnittstelle 7 über ein abgewinkeltes Koppelelement 9 kann der entsprechende Raumbedarf für einen Antrieb reduziert werden.
Bie dem in 1 gezeigten Beispiel sind Schwenkarm 1 und Schwenkantrieb 2 mit einer Stützkonstruktion 11 verbunden. Durch entsprechende Lagerungen und einen zusätzlichen nicht erkennbaren Drehantrieb 12, besteht die Möglichkeit, eine Verdrehung um eine Vertikalachse vorzunehmen, so dass eine Manipulation in einem weiteren Freiheitsgrad zuzüglich zur Verschwenkung des Schwenkarmes 1 möglich ist.
Des Weiteren ist ein Linearantrieb 14 ebenfalls mit vertikaler Antriebsrichtung Bestandteil der Stützkonstruktion, so dass eine Höhenverstellbarkeit erreichbar ist.
Außerdem sind bei dem Beispiel nach 1 insgesamt drei ebenfalls vertikal und parallel zum Linearantrieb 14 ausgerichtete Vertikalführungen 13 vorhanden, die in jeweils äquidistanten, radial nach außen weisenden Abständen zum Linearantrieb 14 sind, so dass auftretende Kippmomente mit Hilfe der Vertikalführungen 13 aufgefangen werden können.
In nicht dargestellter Form ist auch die Stützkonstruktion 11 von einem Gehäuse eingeschlossen. An ein solches Gehäuse kann eine ebenfalls nicht dargestellte Absaugleitung angeschlossen sein. Es bestehen weitere Anschlussmöglichkeiten für Absaugleitungen im Bereich des Schwenkantriebs 2 und im Bereich des Antriebs für die mechanische Schnittstelle 7. In diesem Falle sollte der Anschluss einer oder auch mehrerer Absaugleitungen zumindest in der Nähe der nach außen geführten Drehantriebsachse angeordnet sein.
Das in 2 gezeigte weitere Beispiel eines erfindungsgemäßen Reinraummanipulators unterscheidet sich in vielen Punkten nicht oder nur unwesentlich, von dem Beispiel nach 1.
So sind insbesondere der zweite Antrieb 6 für die mechanische Schnittstelle 7 mit einem Linearantrieb 8, einem abgewinkelten Koppelelement 9 und einem Verbindungselement 10 zumindest analog ausgebildet.
Ähnlich ist auch die Stützkonstruktion 11 in höhenverstellbarer Form mit Vertikalführungen 13 und einem entsprechenden Linearantrieb ausgebildet.
Der Schwenkantrieb 2 für den Schwenkarm 1 ist ebenfalls als Schubkurbel 4 mit einem Linearantrieb 5 ausgebildet. Dabei ist bei diesem Beispiel der Linearantrieb 5 horizontal und wie beim Beispiel nach 1 orthogonal zur die Drehachse bildenden Welle 4'', um die der Schwenkarm 1 verschwenkbar ist, ausgerichtet.
Die Achslage des Linearantriebes 5 ist mit dem Doppelpfeil angedeutet. Antriebsseitig ist der Linearantrieb 5 mit der einen drehbar gelagerten Welle 4' über das Koppelelement 4''' verbunden. Dieses Koppelelement 4''' greift wieder an der am Schwenkarm 1 befestigten zweiten drehbar gelagerten Welle 4' an, so dass durch eine axiale Hin- und Herbewegung des Linearantriebes 5 eine Verschwenkung des Schwenkarmes 1 mittels der hier nicht gezeigten nichtlinearen Steuerung erfolgen kann, so dass eine konstante Winkelgeschwindigkeit beim Verschwenken des Schwenkarmes 1 erreichbar ist.
Im Gegensatz zur Darstellung in den 1 und 2 besteht die Möglichkeit, den Linearantrieb 5 auch in schräg geneigtem Winkel auszurichten, so dass von den Vertikalen und Horizontalen abweichende Ausrichtungen ebenfalls möglich sind.
Schwenkarm 1 und der vollständige Schwenkantrieb 2 sind auch bei diesem Beispiel mit der Stützkonstruktion 11 drehbar verbunden. Hierfür ist ein nicht dargestellter Drehantrieb vorhanden, der im Bereich der Stützkonstruktion 11 angeordnet und dort befestigt ist.
Für die Lagerung von Schwenkarm 1 mit dem gesamten Schwenkantrieb 2 kann ein kreisringförmiges Axiallager, z.B. ein Kreuzrollenlager, das bevorzugt vorgespannt ist, ausgewählt werden. Durch den inneren freien Querschnitt dieses Lagers kann die Antriebswelle für eine Verdrehung des Schwenkarmes 1 um die Vertikalachse geführt werden.

Claims

Reinraummanipulator mit einem Schwenkarm, an dem distal eine mechanische Schnittstelle (7) für Handhabungskomponenten nach außen geführt ist, wobei ein nichtlinear gesteuerter Linearantrieb (5) an einer exzentrischen Schubkurbel (4) angreift, die einen Schwenkantrieb (2) des Schwenkarmes (1) bilden, und wobei an einem Gehäuse des Schwenkarmes (1) im Bereich des Schwenkantriebes (2) eine Absaugleitung angeschlossen ist.
Reinraummanipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb (5) orthogonal zu einer eine Drehachse bildenden Welle (4''), um die der Schwenkarm (1) verschwenkbar ist, ausgerichtet ist.
Reinraummanipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Schwenkarmes (1) ein zweiter Antrieb (6) für die mechanische Schnittstelle (7) angeordnet ist.
Reinraummanipulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des zweiten Antriebes (6) und/oder der mechanischen Schnittstelle (7) eine weitere Absaugleitung angeschlossen ist.
Reinraummanipulator nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Antrieb (6) aus einem innerhalb des Schwenkarmes (1) angeordneten Linearantrieb (8), einem drehbar gelagerten abgewinkelten Koppelelement (9) und einem Verbindungselement (10) zur mechanischen Schnittstelle (7) gebildet ist.
Reinraummanipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der mechanischen Schnittstelle (7) mindestens eine nach außen geführte Drehantriebsachse vorhanden ist.
Reinraummanipulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Drehantriebsachse und Gehäuse des Schwenkarmes (1) ein umlaufender Spalt vorhanden ist.
Reinraummanipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkarm (1) und der Schwenkantrieb (2) mit einer Stützkonstruktion (11) verbunden sind.
Reinraummanipulator Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkarm (1) und der Schwenkantrieb (2) in/an der Stützkonstruktion (11) um eine Vertikalachse drehbar gehalten und geführt sind.
Reinraummanipulator nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützkonstruktion (11) um eine Vertikalachse drehbar ist.
Reinraummanipulator nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Stützkonstruktion (11) höhenverstellbar ist.
Reinraummanipulator nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an der Stützkonstruktion (11) ein dritter Linearantrieb (14) und drei jeweils äquidistant zueinander angeordnete Vertikalführungselemente (13) vorhanden sind.
Reinraummanipulator nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an ein Gehäuse der Stützkonstruktion (11) eine weitere Absaugleitung angeschlossen ist.
Reinraummanipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinraummanipulator translatorisch bewegt ist.
Reinraummanipulator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinraummanipulator in Längsführungen für das translatorische Bewegen formschlüssig gehalten und geführt ist.