谷德君，張浩淵，盧繼奎

（沈陽芯源微電子設(shè)備有限公司，遼寧沈陽110168）

芯片加工設(shè)備在使用中，有大量的晶片在各個單元間的傳遞動作，這一動作主要是由機器人及其附屬手指來完成的。常見的機器人手指可分為I型和Y型，Y型手指如圖1所示。手指的內(nèi)部開有管路，管路的一端與機器人的真空管路相連接，管路的另一端與晶片相接觸，從而將晶片通過真空吸附的方式固定在機器人手指上。

圖1 機器人Y型手指

本文通過對沈陽芯源微電子設(shè)備有限公司星形勻膠顯影設(shè)備的Y型手指進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，說明了優(yōu)化設(shè)計的步驟，并將手指端部的下?lián)隙葴p小到可接受的范圍。

1 建模

ANSYS傳統(tǒng)的建模方法比較費時費力，而使用APDL語言可以更加快速高效地完成這一工作。在手指模型中，并不是把每一個尺寸特征都參數(shù)化，而要根據(jù)總體的設(shè)計要求來確定。

模型中不變的參數(shù)有兩個：一是手指的總長，它是由晶片所需要的傳送距離所確定的；二是手指根部的寬度，它是由機器人手臂的連接槽尺寸所確定的。

需要參數(shù)化的尺寸數(shù)據(jù)一共有4個，圓弧半徑R，手指寬度A，手指外側(cè)長度B，收回尺寸C（如圖2所示）。因手指為對稱結(jié)構(gòu)，為節(jié)省資源與計算時間，只建立其一半模型即可。

圖2 需要參數(shù)化的手指尺寸數(shù)據(jù)

ANSYS程序提供了兩種優(yōu)化的方法，這兩種方法可以處理絕大多數(shù)的優(yōu)化問題。零階方法是一個很完善的處理方法，可以很有效地處理大多數(shù)的工程問題。一階方法基于目標(biāo)函數(shù)對設(shè)計變量的敏感程度，因此更加適合于精確的優(yōu)化分析。對于這兩種方法，ANSYS程序提供了一系列的分析——評估——修正的循環(huán)過程。就是對于初始設(shè)計進(jìn)行分析，對分析結(jié)果就設(shè)計要求進(jìn)行評估，然后修正設(shè)計。這一循環(huán)過程重復(fù)進(jìn)行，直到所有的設(shè)計要求都滿足為止。

除了這兩種優(yōu)化方法，ANSYS程序還提供了一系列的優(yōu)化工具，以提高優(yōu)化過程的效率。例如，隨機優(yōu)化分析的迭代次數(shù)是可以指定的。隨機計算結(jié)果的初始值，可以作為優(yōu)化過程的起點數(shù)值。

本文分析的目標(biāo)是手指的剛性。手指為薄壁金屬件，故單元類型采用板殼單元shell63計算。手指右端通過螺栓與機器人手臂連接，左端以真空吸附的方式，將晶片吸附在手指上。故模型右端與機器人螺栓連接部分，可處理為剛性的全約束，晶片每次放置在手指上的位置是固定的，要保證手指圓弧的圓心和晶圓的圓心重合，為與實際情況更加符合，載荷加載方式為以晶片圓心處為中心，晶圓所覆蓋的區(qū)域建立一個剛性區(qū)域，將晶片的自重加在中心處。

2 優(yōu)化過程及結(jié)果分析

ANSYS優(yōu)化模塊中有設(shè)計變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)。這些變量是由用戶定義的參數(shù)來指定的。

設(shè)計變量（DVs）為自變量，優(yōu)化結(jié)果的取得，就是通過改變設(shè)計變量的數(shù)值來實現(xiàn)的。每個設(shè)計變量都有上下限，它定義了設(shè)計變量的變化范圍。手指的設(shè)計變量見表1。ANSYS優(yōu)化程序最多可以定義60個設(shè)計變量。

表1 設(shè)計變量（單位：mm)

狀態(tài)變量（SVs）是約束設(shè)計的數(shù)值。它們是因變量，是設(shè)計變量的函數(shù)。狀態(tài)變量可能會有上下限，也可能只有單方面的限制，即只有上限或只有下限。在本文中，因為載荷較小，分析關(guān)心的是剛度問題而不是強度問題，所以此處不需要定義狀態(tài)變量。

目標(biāo)函數(shù)是要盡量減小的數(shù)值。它必須是設(shè)計變量的函數(shù)，也就是說，改變設(shè)計變量的數(shù)值，將改變目標(biāo)函數(shù)的數(shù)值。在本文中，手指的最大下?lián)隙龋瑧?yīng)該是目標(biāo)函數(shù)。在ANSYS優(yōu)化程序中，只能設(shè)定一個目標(biāo)函數(shù)。

本文使用ANSYS的APDL語言對手指進(jìn)行建模、求解和優(yōu)化分析，下面是APDL語言的部分主要代碼及其注釋：

以上4個變量為設(shè)計變量，以撓度值最小為目標(biāo)函數(shù)，得到的優(yōu)化結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化結(jié)果 （單位：mm)

手指采用以上尺寸，分析結(jié)果如圖3所示。此時手指端部的下?lián)嫌勺畛醯?.276 mm降低到1.82 mm。

圖3 手指尺寸分析結(jié)果

3 結(jié)束語

以ANSYS軟件為平臺，針對Y型手指結(jié)構(gòu)簡單、長度不同形狀相似等特點，使用ANSYS優(yōu)化模塊對其外形進(jìn)行優(yōu)化，保證了傳遞手指端部的下?lián)隙仍诳山邮艿姆秶鷥?nèi)，最終得到了比較理想的優(yōu)化結(jié)果。該分析方法及步驟，對相似零部件的設(shè)計具有一定的參考借鑒價值。

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