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研究生:王福清
研究生(外文):fu-ching wang
論文名稱:超長型線性運動模組開發設計與分析
論文名稱(外文):Design and Analysis of A Linear Motion Stage
指導教授:曾柏昌曾柏昌引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:機械工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:65
中文關鍵詞:線性運動模組
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本研究之主要目的係將一軸線性運動模組模組化、標準化,線性運動模組被廣泛應用在晶圓和IC等半導體元件的運送,而使用者可根據作業內容的需要選擇適當的型式及所需之行程,結合成不同之架構,符合並滿足顧客快速、低成本的需求,維繫顧客在市場上的競爭優勢。
其機構是由包括工作滑台、線性滑軌、滾珠螺桿傳動系統、驅動部、控制部、位置檢知器等元件所構成,而這些零件必須符合潔淨、高速、定位精度準確、架構輕、剛性強等使用環境之要求。
研究中將整個模組設計過程詳加說明,設計完成後,經過有限元素法之靜剛性分析,以及實物靜剛性、模態實驗證明顯示,模組之結構細長而且重量輕,剛性強度可使模組運動速度達到600mm/sec,重複精度仍達到0.02mm之要求。

The purpose of this research is to modularize and standardize single-axis linear stages, which have been versatilely used in applications such as wafer and semiconductor elements transportation. Standardized stages offer equipment providers the flexibility of choosing appropriate models to integrate any desired structure based on the required stroke and working procedures. They build equipment to meet the requirements of fast speed and low cost, so that their customers can gain the competitive edge.
The mechanism of linear stages consists of a table, linear guideways, ballscrew, a transmission system including a gear box and a coupling, a motor, an encoder, etc. These parts should meet the requirements of high speed, high precision, light in weight, high stiffness, cleanness, and environmental requirements.
This thesis entails the complete design process thoroughly. The stiffness and dynamic response of the designed stage has been verified by finite element method (FEM) simulation and by real test. Though the designed linear stage is light, long and slender, it has been demonstrated that it has enough stiffness to meet the requirements of speed up to 600 mm/sec and repeatability to 0.02 mm.

目 錄
誌謝 ………………………………………………………………………………Ⅰ
中文摘要 …………………………………………………………………………Ⅱ
英文摘要 …………………………………………………………………………Ⅲ
目錄 ………………………………………………………………………………Ⅳ
圖目錄 ……………………………………………………………………………Ⅵ
表目錄 ……………………………………………………………………………Ⅷ
第一章 緒論……………………………………………………………………… 1
1.1 研究動機…………………………………………………………… 1
1.2 文獻回顧…………………………………………………………… 4
1.3 本文架構…………………………………………………………… 6
第二章 線性運動模組結構基礎………………………………………………… 7
2.1 線性運動模組之構成要素………………………………………… 9
2.2 滾珠螺桿選用………………………………………………………11
2.3 滾珠螺桿軸承配列選用……………………………………………20
2.4 線性滑軌選用………………………………………………………23
2.5 驅動馬達的選用……………………………………………………28
2.6 本體潔淨室設計需求………………………………………………31
第三章 線性運動模組設計與製造………………………………………………32
3.1 前言…………………………………………………………………32
3.2 滾珠螺桿……………………………………………………………33
3.3 支撐軸承設計運算…………………………………………………37
3.4 線性滑軌設計運算…………………………………………………40
3.5 本體設計……………………………………………………………41
3.6 馬達選用……………………………………………………………43
3.7 潔淨設計……………………………………………………………45
第四章 線性運動模組結構分析…………………………………………………46
4.1 前言…………………………………………………………………46
4.2 模型建立與分析……………………………………………………46
4.3 邊界條件與負載模式………………………………………………47
4.4 靜態剛性分析………………………………………………………49
4.5 靜剛性量測結果討論………………………………………………52
4.6 模態量測驗證………………………………………………………53
第五章 結論與未來展望…………………………………………………………58
附件 ………………………………………………………………………………60
專利 ………………………………………………………………………………63
參考文獻 …………………………………………………………………………64
圖目錄
圖1-1半導體製程 ………………………………………………………………… 1
圖1-2晶圓運送 …………………………………………………………………… 2
圖2-1線性運動模組運用範例一(單軸)………………………………………… 7
圖2-2線性運動模組運用範例二(雙軸組合) ………………………………… 7
圖2-3線性運動模組運用範例三 ………………………………………………… 8
圖2-4滾珠螺桿線性運動模組 …………………………………………………10
圖2-5滾珠螺桿 …………………………………………………………………11
圖2-6作用點間距(固定-固定) …………………………………………………17
圖2-7軸向荷重(固定-自由) ……………………………………………………18
圖2-8固定-固定支撐 ……………………………………………………………20
圖2-9滾珠螺桿支撐軸承之各種配列 …………………………………………20
圖2-10線性滑軌結構 …………………………………………………………23
圖2-11線性滑軌的行走平行度 …………………………………………………25
圖2-12馬達輸出結構 ……………………………………………………………29
圖3-1中空滾珠螺桿設計…………………………………………………………37
圖3-2 受預拉力之滾珠螺桿………………………………………………………37
圖3-3 結構本體……………………………………………………………………41
圖4-1 線性運動模組之有限元素網格圖…………………………………………47
圖4-2 負載方式示意圖 …………………………………………………………48
圖4-3負載與滑塊位置關係示意圖………………………………………………48
圖4-4滑塊位於邊端時,結構之von-Mises應力分佈圖(單位:Mpa)…………49
圖4-5滑塊位於1/4位置時,結構之von-Mises應力分佈圖(單位:Mpa)……50
圖4-6滑塊位於1/2位置時,結構之von-Mises應力分佈圖(單位:Mpa)……50
圖4-7單位正向壓力負載與不同滑塊位置下,結構之主要變形示意圖………51
圖4-8量測位置……………………………………………………………………54
圖4-9量測設備……………………………………………………………………54
圖4-10 P1點頻譜圖 ………………………………………………………………55
圖4-11 P2點頻譜圖 ………………………………………………………………55
圖4-12 P3點頻譜圖 ………………………………………………………………56
圖4-13 P4點頻譜圖 ………………………………………………………………56
圖4-14 P5點頻譜圖 ………………………………………………………………56
圖4-15 P6點頻譜圖 ………………………………………………………………57
圖5模組承載晶圓測試 ………………………………………………………… 59
表目錄
表1-1滾珠螺桿線性運動模組規格表 ………………………………………… 3表2-1HIWIN精密級滾珠螺桿精密等級 …………………………………………12表2-2不同預壓力比較與適用範圍 ……………………………………………24
表3-1滾珠螺桿的基本運算表……………………………………………………34
表3-2滾珠螺桿自然振動頻率……………………………………………………36
表3-3滾珠螺桿自然振動頻率(增加浮動支撐)…………………………………36
表3-4滾珠螺桿熱變位量及預拉力計算表………………………………………38
表3-5線性滑軌壽命計算表 ……………………………………………………40
表3-6本體自然振動頻率 ………………………………………………………43
表3-7伺服馬達計算表……………………………………………………………43
表4-1單位正向壓力負載下之變形量……………………………………………51
表4-2靜剛性實驗量測與有限元素分析比較表…………………………………52
表4-3主要結構自然頻率(取400Hz) ……………………………………………57

參考文獻
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