專利名稱：工件檢驗(yàn)與傳送的制作方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及在加工之前和加工之后檢驗(yàn)圓形工件(例如半導(dǎo)體材料的盤形薄片)的裝置和方法。本發(fā)明適用于磨削上述工件周緣的裝置和方法，本發(fā)明還輔助圓盤在磨削吸盤上的定位、加工刀具的調(diào)整、及檢驗(yàn)已加工周緣的精度。
本發(fā)明的背景美國專利4638601描述一個(gè)系統(tǒng)用于在第一個(gè)工位旋轉(zhuǎn)圓盤以便用特定方法使圓盤定心，從而可將圓盤無旋轉(zhuǎn)地沿直線傳送至第二個(gè)工位以使其安裝在加工用的真空吸盤上。在第一個(gè)工位旋轉(zhuǎn)圓盤以便確定圓盤相對于其旋轉(zhuǎn)中心的偏心，然后使此偏心與直線傳送路徑對中。當(dāng)獲得這樣的對中時(shí)，圓盤所圍繞轉(zhuǎn)動的中心和圓盤的幾何中心此時(shí)與傳送軸線對正。通過如此使圓盤定心，將圓盤在第一個(gè)工位上定位時(shí)其幾何中心及其實(shí)際旋轉(zhuǎn)軸線之間的任何誤差(其通常可能是幾個(gè)毫米)轉(zhuǎn)換成沿著路徑從一個(gè)工位至另一個(gè)工位直線移動的調(diào)整量。這使圓盤可在第二個(gè)工位精確地定心以便圓盤的幾何中心與第二個(gè)工位真空吸盤的旋轉(zhuǎn)軸線對中，因而可使用砂輪精確地磨削圓盤的周緣。
在很多情況下這種類型的定位不適當(dāng)，因?yàn)槠洳辉试S圓盤在第二個(gè)工位定位以便適應(yīng)所有需要的旋轉(zhuǎn)方式和磨削方式。例如為了適應(yīng)圓盤周緣的有損害區(qū)域，相對偏心地安裝圓盤可能實(shí)際上是合乎需要的。通過定位圓盤使得有損害周緣區(qū)域比沒有損害的其余周緣在距幾何中心距離較遠(yuǎn)之處，繞偏心軸線旋轉(zhuǎn)圓盤，形成的新圓盤雖比原圓盤稍小，但其上有損害區(qū)域在加工過程中會被磨去。磨削完成時(shí)偏心軸線(圓盤在第二個(gè)工位繞其旋轉(zhuǎn))終于成為磨削工藝所形成新圓盤的幾何中心。
使用如美國專利4638601的對中方法，在360°內(nèi)有損害的周緣區(qū)域只有2個(gè)機(jī)會將處于原圓盤(用前面所述工藝方法其必須與傳送路徑對中)直徑的一端或另一端。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一個(gè)使圓盤能被安裝在第二個(gè)工位上繞任何所選軸線旋轉(zhuǎn)的工件對正定位和移動系統(tǒng)。
可以理解，本發(fā)明并不限于圓盤周緣有損害的情況，當(dāng)然能用于所有情況，如果需要，安裝圓盤繞任何軸線(包括圓盤的幾何中心)旋轉(zhuǎn)是可能的。
本發(fā)明概要根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，將圓形工件從第一個(gè)檢驗(yàn)工位移至第二個(gè)加工工位的工件定位和移動系統(tǒng)，包括用于固定到圓盤工件的表面以便使圓盤工件從一個(gè)位置移至另一個(gè)位置的工件裝夾裝置；控制工件裝夾裝置的位置并適于在至少兩個(gè)互相垂直的方向上移動的機(jī)器人裝置，當(dāng)圓盤占據(jù)第一個(gè)工位時(shí)這兩個(gè)方向均平行于圓盤的表面；使圓盤在檢驗(yàn)工位和加工工位旋轉(zhuǎn)的裝置；當(dāng)圓盤在第一個(gè)工位旋轉(zhuǎn)時(shí)確定圓盤幾何中心位置的檢驗(yàn)裝置；以及計(jì)算裝置，由檢驗(yàn)裝置所傳遞的數(shù)據(jù)計(jì)算沿機(jī)器人裝置的兩個(gè)互相垂直的運(yùn)動方向所需移動的距離，以使圓盤的幾何中心移至已知坐標(biāo)的第二個(gè)理想位置。
計(jì)算裝置最好包括用于存儲上述坐標(biāo)的存儲器。
使圓盤工件在第一個(gè)及第二個(gè)工位的每個(gè)工位上旋轉(zhuǎn)的裝置最好包括一個(gè)真空吸盤及與之相連的電機(jī)部件。
工件裝夾裝置最好由真空操縱。
坐標(biāo)通常指工件裝夾裝置或上述第二個(gè)工位吸盤旋轉(zhuǎn)中心的坐標(biāo)。
計(jì)算裝置最好適于計(jì)算需要圓盤工件從第一個(gè)工位沿三個(gè)互相垂直的軸中的一個(gè)，或另一個(gè)，或所有三個(gè)軸移動的距離，以使圓盤的幾何中心與第二個(gè)工位吸盤的旋轉(zhuǎn)軸線重合，或圓盤的幾何中心從吸盤的旋轉(zhuǎn)軸線移動需要的已知距離及角度。
通過使圓盤幾何中心相對于第二個(gè)吸盤旋轉(zhuǎn)軸線位移，從而把對應(yīng)于上述位移和原始位置的特定偏心量引入圓盤的旋轉(zhuǎn)，因而可磨削圓盤以使圓盤的幾何中心移至上述位移確定的新位置。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例是使用三軸機(jī)器人裝卸半導(dǎo)體材料硅圓盤進(jìn)行周緣磨削。采用沿機(jī)器人X軸和Z軸兩軸的移動來控制第二個(gè)磨削工位真空吸盤上圓盤的定心。
本發(fā)明的一種方法是，圓盤放置在檢驗(yàn)工位以使其幾何中心與檢驗(yàn)工位的旋轉(zhuǎn)軸線大致對正，圓盤繞檢驗(yàn)工位軸線旋轉(zhuǎn)，計(jì)算X1和Z1(平行于X軸和Z軸測得的距離)兩個(gè)尺寸，圓盤的幾何中心需要移動過該距離以與檢驗(yàn)工位的旋轉(zhuǎn)中心重合，然后使用機(jī)器人將圓盤傳送至磨削吸盤并通過X軸和Z軸的位置補(bǔ)償定位在該吸盤上，以便使圓盤(現(xiàn)在)已知的幾何中心相對于磨削吸盤的旋轉(zhuǎn)軸線精確地定位。
此方法不象美國專利4638601描述的方法所要求的那樣，為了進(jìn)行位置補(bǔ)償要求旋轉(zhuǎn)圓盤以使檢驗(yàn)工位的旋轉(zhuǎn)軸線與圓盤的幾何中心之間的連線平行于機(jī)器人的X軸。
因?yàn)楝F(xiàn)在移動圓盤使其幾何中心相對于磨削吸盤旋轉(zhuǎn)軸線移至任何理想位置是可能的，在圓盤從第一個(gè)檢驗(yàn)工位向第二個(gè)磨削工位吸盤的移動過程中結(jié)合進(jìn)行X軸和Z軸位置的調(diào)整以保證“最佳搭配”，即統(tǒng)籌考慮圓盤在磨削吸盤上的定心和從凹口上不必要地切除材料兩個(gè)問題。此外識別出圓盤的周緣有損傷時(shí)，此方法可以預(yù)先將圓盤偏心放置在磨削工位吸盤上，使得可繞新的中心重磨圓盤上由于切片產(chǎn)生的周緣損傷處，以便磨去無用的有損傷的周緣區(qū)域。通常不存在上述美國專利所描述的單軸移動系統(tǒng)。
通過旋轉(zhuǎn)檢驗(yàn)工位上的真空吸盤使圓盤旋轉(zhuǎn)至任何要求的方位，并從該方位移動工件至工作臺當(dāng)然是可能的。
本發(fā)明的另一個(gè)方面，可按照使用多軸機(jī)器人時(shí)應(yīng)采取的方法計(jì)算檢驗(yàn)工位旋轉(zhuǎn)軸線和磨削工位吸盤旋轉(zhuǎn)軸線之間平行于X軸和Z軸的精確距離。
此方法首先確定并存儲檢驗(yàn)工位和磨削吸盤兩條軸線的X坐標(biāo)和Z坐標(biāo)的初步近似值；此后用工件裝夾裝置吸取圓盤并將其放置在檢驗(yàn)吸盤上并旋轉(zhuǎn)以便用已知方法確定其幾何中心，然后用工件裝夾裝置吸下圓盤，調(diào)整圓盤的X坐標(biāo)和Z坐標(biāo)以便使圓盤相對于檢驗(yàn)工位軸線定心，使得圓盤幾何中心現(xiàn)在與檢驗(yàn)工位的旋轉(zhuǎn)軸線準(zhǔn)確對正并與已知的該對正位置的X坐標(biāo)和Z坐標(biāo)一致；此后指示機(jī)器人將圓盤從該位置移至磨削工位吸盤(進(jìn)行從檢驗(yàn)工位軸線至磨削吸盤軸線的平行于X軸和Z軸的兩個(gè)預(yù)先計(jì)算出的位移)以實(shí)現(xiàn)圓盤相對于磨削吸盤旋轉(zhuǎn)軸線的定心；此后通過磨削吸盤使圓盤旋轉(zhuǎn)180°，用工件裝夾裝置從磨削吸盤上吸下圓盤并送回至檢驗(yàn)工位的先前位置(進(jìn)行第一次位移的反向位移)，以便可用工件裝夾裝置再一次將圓盤移回至檢驗(yàn)工位吸盤；最后在檢驗(yàn)工位旋轉(zhuǎn)圓盤，再次檢驗(yàn)圓盤(用已知方法)有無偏心(即圓盤幾何中心相對于檢驗(yàn)工位旋轉(zhuǎn)軸線的位移)。
可將已知的偏心量轉(zhuǎn)換成沿X軸和Z軸的位移量，當(dāng)需要在檢驗(yàn)工位軸線和磨削吸盤軸線已知坐標(biāo)的兩個(gè)位置之間移動圓盤時(shí)，要在預(yù)先計(jì)算出的X軸和Z軸的位移量上加上或減去(視情況而定)這些轉(zhuǎn)換值，由此確定機(jī)器人必須移動的平行于X軸和Z軸的精確距離以便圓盤從一個(gè)工位至另一個(gè)工位時(shí)精確地再定位。
此方法既可在機(jī)床的最初調(diào)整期間使用也可在機(jī)床的使用壽命期間頻繁地使用，以實(shí)現(xiàn)對中檢驗(yàn)及檢驗(yàn)工位和磨削工位的相對定位。
此方法可以更進(jìn)一步包括一個(gè)學(xué)習(xí)步驟在人工控制下調(diào)整機(jī)器人從工件裝夾裝置與檢驗(yàn)工位對中的第一個(gè)位置至工件裝夾裝置與磨削吸盤對中的第二個(gè)位置，在學(xué)習(xí)模式下，至少已知機(jī)器人沿其X軸和Z軸以及其Y軸的位移量并存儲在與控制機(jī)器人的計(jì)算機(jī)相連的存儲器中，學(xué)習(xí)步驟之后機(jī)器人的自動化操作通過指示計(jì)算機(jī)跟隨已確定的路徑(由存在上述存儲器中的坐標(biāo)確定)實(shí)現(xiàn)，以便重復(fù)在人工控制下預(yù)先實(shí)現(xiàn)的位移。
可用上述方法修正人工輸入的起始位置和結(jié)束位置，檢驗(yàn)工位旋轉(zhuǎn)軸線和磨削吸盤旋轉(zhuǎn)軸線的正確位置可代替在人工控制下獲得的大致位置。
所謂“人工控制”指的是通過規(guī)定的路徑人工移動機(jī)器人，除與機(jī)器人相連的仍可正常指示機(jī)器人的運(yùn)動的編碼器外，不用有關(guān)的機(jī)器人驅(qū)動裝置。
“人工控制”范圍也包括用一個(gè)人工控制的裝置，例如鍵盤或操縱手柄或其它控制器和驅(qū)動裝置一起取代機(jī)器人的控制裝置使機(jī)器人工作，用驅(qū)動裝置調(diào)整機(jī)器人的位置首先使工件裝夾裝置與檢驗(yàn)工位的真空吸盤對中，然后使工件裝夾裝置與磨削工位的真空吸盤對中，在所有情況下，用已知方法采用來自各驅(qū)動器的編碼信號確定機(jī)器人不同時(shí)間的坐標(biāo)位置并記錄機(jī)器人平行于X、Y、Z軸的位移量。
為便于人工控制可具備開關(guān)裝置，在操作者控制下當(dāng)工件裝夾裝置大致與兩個(gè)終點(diǎn)，即檢驗(yàn)吸盤軸線和磨削吸盤軸線中的每一個(gè)對正時(shí)開關(guān)裝置使計(jì)算機(jī)可以識別終點(diǎn)。同樣的開關(guān)裝置可用于記錄機(jī)器人移動全程中不同中途點(diǎn)的坐標(biāo)。
檢驗(yàn)工位也可包括用于確定工件(圓盤)厚度的裝置，此輔助信息可用于精密調(diào)整加工刀具(例如帶槽的砂輪)的軸向位移，以使其與加工工位上的工件周緣接觸。
光學(xué)檢驗(yàn)裝置最好定位在檢驗(yàn)工位上，其光軸平行于Y軸(即檢驗(yàn)工位上工件的旋轉(zhuǎn)軸線)，并且兩軸最好在同一水平面中。
工件直徑可能不同時(shí)，最好具備微調(diào)(Vernier)裝置，以調(diào)整光學(xué)檢驗(yàn)裝置的位置以便適應(yīng)工件當(dāng)中直徑上相當(dāng)大的差異。
光學(xué)檢驗(yàn)裝置最好包括電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)，其芯片上產(chǎn)生圓盤周緣光學(xué)圖像。可設(shè)置為攝像機(jī)拍攝的圓盤周緣區(qū)域照明的裝置，，所以攝像機(jī)拍攝的周緣區(qū)域成黑色輪廓像。
電荷耦合器件(CCD)陣列通常包含大量象素。通常使用768×576個(gè)象素可編址陣列。
接收用已知方法掃描電荷耦合器件(CCD)陣列所得信號的電路裝置，可適于根據(jù)象素是否被圓盤周緣圖像遮蔽將來自電荷耦合器件(CCD)陣列的每個(gè)象素的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)值。
對象素?cái)?shù)目固定的檢驗(yàn)系統(tǒng)，每個(gè)象素信號值的數(shù)字化程度決定檢驗(yàn)系統(tǒng)在每一點(diǎn)的精度。
通過連續(xù)存儲每幀畫面，可比較一幀畫面與下一幀畫面的象素的相關(guān)信號，從該比較中確定一幀畫面與下一幀畫面的象素相關(guān)信號值的變化，表示周緣圖像位置的任何移動，周緣圖像位置的移動是由于偏心安裝圓盤的旋轉(zhuǎn)使圓盤周緣在視野中移動引起的。
圓盤周緣表現(xiàn)為亮和暗之間的變化，并且由于象素在遮蔽和無遮蔽之間，所以象素相關(guān)信號從一個(gè)極值到其另一個(gè)極值不等。
在每個(gè)象素的輸出被數(shù)字化為二進(jìn)制信號，不是高值就是低值的簡單裝置中，最大分辨率可能低至一個(gè)象素的尺寸大小。
如果象素信號按n=A(表示全遮蔽點(diǎn)-黑點(diǎn))比n=B(其中B表示無遮蔽)的比例被數(shù)字化，可使用數(shù)字化分析以便更精確地確定圓盤周緣圖像相對于象素所處的位置，因?yàn)槿绻徊嫦笏氐那闆r發(fā)生(因?yàn)榭赡馨l(fā)生)，那么被交叉象素在A→B之間的比例特定值n將表示為象素被圓盤圖像覆蓋(并因此被遮蔽)部分的百分比與象素未遮蔽部分的百分比之比。
在象素分辨率可根據(jù)許多相鄰象素的數(shù)值可被“拍攝”的“周緣”的裝置中，最好同時(shí)成組訪問表示象素的信號，單個(gè)“搗蛋的”信號值(尤其是干擾等造成的)被忽略不計(jì)，當(dāng)大多數(shù)相鄰象素信號值表示周緣在該處時(shí)才識別真正周緣。既然是這樣，可識別周緣位于有B值在周緣一邊的最后一個(gè)象素和有A值在周緣另一邊的第一個(gè)象素之間的實(shí)際位置，在該位置信號值最接近于象素信號值A(chǔ)和B的算術(shù)平均值。
通過考慮所用鏡頭焦距、電荷耦合器件(CCD)陣列的尺寸、象素的數(shù)目及尺寸，就可為給定攝像機(jī)/鏡頭的組合計(jì)算比例因數(shù)，經(jīng)過計(jì)算，“真正”周緣移過x個(gè)象素的有效移動可等于rmm的直線距離。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，圓盤的角位置如果是相對于環(huán)繞圓盤圓周的固定點(diǎn)則可更容易地確定，固定點(diǎn)是例如凹口，或周緣平坦部分，或圓盤被拍攝表面上可辨別的小標(biāo)記/點(diǎn)或機(jī)床上可探測出的標(biāo)記，例如磁片。然后圓盤的旋轉(zhuǎn)位置可由目檢或攝像機(jī)檢驗(yàn)或由適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，例如磁傳感器確定。
通過旋轉(zhuǎn)圓盤，標(biāo)記(例如凹口)在某一階段將貫穿攝像機(jī)視野。特定信號圖像將會產(chǎn)生，將攝像機(jī)輸出信號傳送給進(jìn)行信號處理和進(jìn)行計(jì)算的裝置，該裝置可被編程以尋找圖像，用與圓盤驅(qū)動器相連的編碼器記錄圓盤的角位置。
當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓盤時(shí)，圓盤幾何中心和圓盤檢驗(yàn)工位旋轉(zhuǎn)軸線之間的任何不對中，將表現(xiàn)為電荷耦合器件(CCD)中圓盤圖像的位移。
通過記錄許多由編碼器確定的有一定間隔的角位置位移值，計(jì)算圓盤幾何中心的X,Z坐標(biāo)(X1Z1)是可能的。
因?yàn)闄z驗(yàn)工位真空吸盤軸線的X,Z坐標(biāo)(X2Z2)已知，該坐標(biāo)是圓盤實(shí)際旋轉(zhuǎn)軸線的坐標(biāo)，使圓盤幾何中心與真空吸盤軸線在檢驗(yàn)工位特定角度對中所需的X,Z軸位移可用(X1-Z2),(Y1-Z2)計(jì)算。
因?yàn)榧庸すの?圓盤會傳送至該工位)真空吸盤軸線的X,Z坐標(biāo)(X3Z3)也已知，為使圓盤幾何中心與加工工位軸線(X3Z3)對中，確定圓盤離開檢驗(yàn)工位吸盤后必須平行于X軸和Z軸所移動的距離是很簡單的。
第二個(gè)攝像機(jī)可被設(shè)置在適當(dāng)位置以便從切線方向拍攝圓盤的周緣，該攝像機(jī)的光軸在圓盤的平面內(nèi)或平行于圓盤的平面。這允許放大比例檢驗(yàn)圓盤周緣的輪廓，放大比例檢驗(yàn)是通過在陰極射線管CRT上顯示攝像機(jī)所攝圖像的放大圖像進(jìn)行的。
簡單地自電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)獲得視頻信號并通過閉路電視線路使其在陰極射線管CRT上顯示，在理論上應(yīng)是可行的。
實(shí)際上由于攝像機(jī)必須裝在距周緣某點(diǎn)有一定距離處，以使光軸在該點(diǎn)與圓盤周緣相切并聚焦，因而在該裝置中周緣的圖像是非常模糊的，圓盤周緣相當(dāng)大一部分會出現(xiàn)在CCD芯片的視野中并且是圖像的一部分。
特別是，因?yàn)閿z像機(jī)視野中圓盤周緣的此無用部分比要拍攝的區(qū)域更接近鏡頭，圓盤的無用部分圖像往往大于要拍攝的區(qū)域，而使用短焦鏡頭設(shè)法避免此問題一直未成功。
已發(fā)現(xiàn)此問題可使用遠(yuǎn)心鏡頭(例如英格蘭劍橋Melles Griot產(chǎn)的遠(yuǎn)心鏡頭)進(jìn)行光學(xué)修正，其可使距鏡頭不同距離的相同尺寸物體均產(chǎn)生清晰的圖像。
可是最好不僅攝像機(jī)備有遠(yuǎn)心鏡頭而且來自攝像機(jī)的電信號在陰極射線管CRT上產(chǎn)生圖像之前經(jīng)過如前所述的處理，則這樣在陰極射線管CRT上獲得的周緣輪廓圖像是清晰的，不受攝像機(jī)視野中圓盤要拍攝區(qū)域之外部分的影響。
所以本發(fā)明也是遠(yuǎn)心鏡頭、電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)、視頻信號的數(shù)字化、如前所述信號處理的組合，并且計(jì)算機(jī)監(jiān)視器上經(jīng)過處理的信號圖像與在閉路電視系統(tǒng)中來自攝像機(jī)的視頻信號的處理和顯示不同。
可使用本說明書所述的數(shù)字分析技術(shù)對數(shù)字化視頻信號進(jìn)行測量，以便獲得電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)上所產(chǎn)生圖像的測量結(jié)果。
為便于在終端CRT顯示器上對周緣輪廓的圖像進(jìn)行信號處理和放大，通過判讀CCD芯片象素所獲得的視頻信號最好被數(shù)字化并存儲在存儲器中，對存儲器中的數(shù)值進(jìn)行處理后或是重新存儲在第二個(gè)存儲器中或是取代原存儲器中的數(shù)值，并通過適當(dāng)?shù)卦L問存有經(jīng)過處理數(shù)值的存儲器獲得計(jì)算機(jī)顯示器上的圓盤周緣圖像。
可在環(huán)繞圓盤圓周的許多點(diǎn)上檢驗(yàn)圓盤的輪廓，這可通過兩種方法實(shí)現(xiàn)一個(gè)方法是在一些固定位置之間旋轉(zhuǎn)圓盤，在每個(gè)位置圓盤的周緣圖像曝光于攝像機(jī)芯片，存儲和處理來自圓盤上述每個(gè)固定位置的信號；另一個(gè)方法是可操作攝像機(jī)以便產(chǎn)生與圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)一系列圖像中每幀圖像對應(yīng)的視頻信號，每幀圖像對應(yīng)于環(huán)繞圓盤圓周測得的圓盤不同區(qū)域的輪廓。
可隨著圓盤的旋轉(zhuǎn)同步操作攝像機(jī)快門以獲得上述效果，或可代之以在圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)使攝像機(jī)獲得大量高速曝光。
現(xiàn)參見附圖描述本發(fā)明

圖1、圖2和圖3對應(yīng)于我們同時(shí)待審的英國專利申請C412/W之說明書中的圖8至圖10；圖4所示為當(dāng)圓盤周緣的凹口占據(jù)攝像機(jī)視野時(shí)，出現(xiàn)在電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)芯片中的圖像；圖5所示為攝像機(jī)所攝由于圓盤的幾何中心與圓盤的旋轉(zhuǎn)軸線不對中，圓盤的圖像如何在視野中移動距離H；圖6所示為圓盤的周緣圖像如何貫穿電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)鏡頭中的象素；圖7為顯示圖6中的4列10行不同象素在范圍1至10的信號值表；圖8為表示圖7中信號值之修正值的表；圖9為圓盤周緣出現(xiàn)在電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)鏡頭中的圖像；圖10為照明信號處理系統(tǒng)的示意圖。
圖1所示為傳送通常為100mm直徑或200mm直徑或更大直徑硅圓盤片的機(jī)器人裝置，圖1、圖2和圖3對應(yīng)于我們同時(shí)待審的專利申請C412/W之說明書中的圖8至圖10。機(jī)器人裝置包括底座182、結(jié)構(gòu)框架184、該結(jié)構(gòu)框架184向上延伸以便為直線導(dǎo)軌186提供支承沿直線導(dǎo)軌186滑座188在箭頭190方向移動。從滑座188中伸出的第二個(gè)導(dǎo)軌192與導(dǎo)軌186垂直，滑座194可沿導(dǎo)軌192在箭頭196方向移動。機(jī)器人手臂198從滑座194中伸出，裝在手臂198上的驅(qū)動器200保證手臂198在箭頭202方向的運(yùn)動。驅(qū)動器200和滑座188的驅(qū)動器的電源經(jīng)由多路管纜204提供，多路管纜204被夾持在安全柔性管纜束206中，而安裝在直線導(dǎo)軌186上。
手臂198的下端是真空吸盤208，通過滑座188和194以及手臂198的適當(dāng)運(yùn)動，真空吸盤208就可位于圓盤210的前面，圓盤210豎直立在支墊212上。圖中所示還有準(zhǔn)備放置已加工圓盤的空支墊214。
在磨床400加工完畢后，可從工位上卸下成品圓盤36，為此圖1中的傳送裝置開始工作以使真空吸盤208與工作臺上的圓盤36相對，以便吸下成品圓盤36并將其傳送至空支墊214上。
滑座194朝著支墊212進(jìn)一步向外運(yùn)動，使真空吸盤208位于未磨削的圓盤210的前面，吸下圓盤210后，可將其傳送至檢驗(yàn)工位，檢驗(yàn)后將其傳送至磨床400的加工位置，裝在工作臺真空吸盤前一個(gè)工件圓盤所在的位置上進(jìn)行磨削。
可知，導(dǎo)軌216上可有多個(gè)支墊，位于支墊上的所有工件可依次取走、定心、磨削、檢驗(yàn)及放回。
圓盤定心作為磨削前的中間工步(最好在另一個(gè)圓盤的磨削期間)，將每個(gè)圓盤放置在圖2和圖3所示的檢驗(yàn)裝置中，確定圓盤的幾何中心，以便使其能精確地定位在真空吸盤30上進(jìn)行磨削。磨削后在將圓盤放回其儲存支墊上之前，可將其再次放置在檢驗(yàn)裝置中進(jìn)行圓盤周緣輪廓的檢驗(yàn)。
圖2是全視圖，顯示檢驗(yàn)裝置相對于磨床400和圖1的機(jī)器人傳送裝置的安裝位置。兩圖中相同的數(shù)字表示同一個(gè)零部件。
檢驗(yàn)裝置包括支架218、以及位于支架上的由底座220和豎直板222構(gòu)成的支承架。三角形加強(qiáng)板224支承在豎直板222的后面，豎直板222和加強(qiáng)板224通過件226均焊在底座220上。
與豎直板222的垂直邊228相間隔的是支架230，燈和投透鏡裝置232固定在支架230的上端。鏡頭為236的第一個(gè)攝像機(jī)234裝在豎直板222上用于拍攝圓盤238的周緣，該周緣由燈232作背景照明。
正如圖9所示，電機(jī)240裝在豎直板222的后面。該電機(jī)驅(qū)動一真空吸盤，待檢驗(yàn)圓盤238由手臂198上的真空吸盤208被放置在該真空吸盤上。
電機(jī)240的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動帶動圓盤238旋轉(zhuǎn)。通過這樣定位，使圓盤周緣貫穿攝像機(jī)鏡頭236的視野，就可從攝像機(jī)得到輸出的電子信號，電子信號經(jīng)電纜242送至信號分析裝置，以便對由信號獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
第二個(gè)攝像機(jī)244可裝在豎直板的垂直邊228上，其光軸與圓盤238相切(或至少平行于圓盤的切線)，從切線方向拍攝圓盤238的周緣，以便在圓盤周緣輪廓上獲得信息。圓盤周緣由燈246作背景照明，來自攝像機(jī)244的信號沿電纜248輸送。燈232和燈246的電源根據(jù)需要分別沿電纜250和電纜252供給。
來自攝像機(jī)234的信號經(jīng)電纜242和電纜248提供給計(jì)算機(jī)254，計(jì)算機(jī)254分別沿電纜242和電纜248的返回信號線控制兩個(gè)攝像機(jī)，并分別經(jīng)電纜250和電纜252控制兩個(gè)攝像機(jī)的背景照明燈232和246。攝像機(jī)244的輸出可根據(jù)需要顯示在監(jiān)視器256上。圓盤238的周緣輪廓258與計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的樣線260、262一起顯示，兩條樣線顯示了輪廓兩側(cè)的理想角度。
工件在磨床工件主軸上定心工件在磨床工件主軸上定心通過使用下文描述的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，即使用圖1至圖3中的機(jī)器人圓盤工件傳送和檢驗(yàn)裝置，使用當(dāng)圓盤工件通過攝像機(jī)234的視野旋轉(zhuǎn)時(shí)獲得的來自攝像機(jī)234的信號。
圖4中剖面線區(qū)域400對應(yīng)于轉(zhuǎn)動該圓盤以使其周緣的凹口402處在攝像機(jī)的視野中的情況下，通過攝像機(jī)234的電荷耦合器件(CCD)芯片可見的圓盤238的輪廓圖像。
圖5中剖面線區(qū)域404同樣對應(yīng)于通過電荷耦合器件(CCD)芯片可見的圓盤238的輪廓圖像，但此時(shí)凹口處在攝像機(jī)的視野之外。
因?yàn)榘伎谥徽紙A盤周緣很小一部分，出現(xiàn)在攝像機(jī)芯片上的圖像大部分時(shí)間將如圖5所示?？墒侨绻b的圓盤中心偏移，圓盤的偏心運(yùn)動將使剖面線區(qū)域的邊緣406移過電荷耦合器件(CCD)芯片表面。實(shí)線406對應(yīng)于電荷耦合器件(CCD)芯片上圓盤周緣的圖像位置，即轉(zhuǎn)動圓盤的幾何中心直至圓盤移至其繞旋轉(zhuǎn)的軸線的左側(cè)，虛線408顯示圓盤轉(zhuǎn)過180°后實(shí)線406的位置，結(jié)果是圓盤的幾何中心(以及圓盤的圖像)現(xiàn)已移至其旋轉(zhuǎn)軸線的右側(cè)。
圖5中所示的移動距離H等于圓盤偏心距的兩倍，偏心距是圓盤的幾何中心和圓盤的旋轉(zhuǎn)中心之間的距離。
實(shí)際上H值很小，但當(dāng)安裝圓盤進(jìn)行加工時(shí)，H值通常很重要，使圓盤的幾何中心與圓盤的旋轉(zhuǎn)中心重合以達(dá)到加工目的，或使圓盤的幾何中心相對于主軸中心線移動過給定半徑的已知量，以調(diào)整圓盤周緣的損傷區(qū)域并允許重磨圓盤。
本方法和裝置通過計(jì)算圓盤相對于凹口的角位置及計(jì)算H值(以及1/2H值)能夠非常精確地確定圓盤的幾何中心，在凹口處會產(chǎn)生圖像周緣的各種位移。
如果攝像機(jī)的光軸與圓盤旋轉(zhuǎn)軸線(以及電荷耦合器件(CCD)芯片的中心)在同一個(gè)水平面中，就簡化了本方法。這保證即使圓盤偏心，電荷耦合器件(CCD)芯片中圖像周緣位置的移動也是在水平方向。如圖5所示。
可是，如果攝像機(jī)沒有“拍攝”偏心的最大值和最小值，明顯的移動將不是水平的。在這種情況下，需要用圖像分析軟件使拍攝的圖像與正弦波作最好的擬合，然后計(jì)算圓盤的偏心值。
如果包含圓盤旋轉(zhuǎn)軸與攝像機(jī)光軸的平面不是水平面，只不過計(jì)算結(jié)果時(shí)需要考慮在水平方向測得的距離H將不是精確地等于兩個(gè)中心之間偏心量的兩倍。
雖然圓盤的周緣呈曲線形，但在攝像機(jī)電荷耦合器件(CCD)芯片的尺寸相對于圓盤的周長是非常小的，圖5中所示的406呈曲線，但在電荷耦合器件(CCD)芯片上的圖像中的曲率幾乎不可見，該圖像中的曲率已被放大。如果傳送圓盤并將其裝在工件主軸上的機(jī)構(gòu)能夠工作得非常準(zhǔn)確，那么將圓盤裝在加工工位上的精度至少會部分取決于可測得的H值的精度。
可認(rèn)為攝像機(jī)芯片是一個(gè)密集的并成行成列的感光元件的直線陣列。圖6所示為這樣一個(gè)陣列的一部分，圖示為該陣列的4列10行。
各個(gè)象素提供行和列兩個(gè)方向的分辨率并且象素盡可能小。直徑大約1cm的攝像機(jī)芯片通常有超過100,000個(gè)這樣的感光元件(通常稱其為象素)，象素的數(shù)目超過300,000或者更多并不罕見。
為簡單起見，圖6中的象素通過參考其占據(jù)的行和列來識別，因此用參考數(shù)字410表示的象素可描述為象素4∶1，用參考數(shù)字412表示的象素可描述為象素3∶10。
如果圓盤的直徑約為100mm或200mm(是用于半導(dǎo)體工業(yè)的硅圓盤的通常尺寸)，圖6中線412的曲率相對于象素的行列矩陣幾乎不能識別?？墒侨绻覀兛紤]凹口區(qū)域(例如圖4中的拐角414)的曲率，拐角414區(qū)域的輪廓圖像的曲率可能正好如圖6中所示。
電荷耦合器件(CCD)芯片的機(jī)構(gòu)使每個(gè)曝光階段開始時(shí)，所有的象素的電荷都是相等的。然后象素的陣列向圖像曝光一段短暫的時(shí)間，在曝光時(shí)間結(jié)束時(shí)，非常迅速地檢驗(yàn)每個(gè)象素并為每個(gè)象素產(chǎn)生一個(gè)電信號，信號值由需要補(bǔ)充的曝光期間已損耗的電荷量確定。
感光元件這樣工作在曝光期間，如沒有光照射在象素上，在曝光時(shí)間結(jié)束時(shí)的電荷基本上與曝光開始時(shí)的電荷相同。讀出時(shí)沒有光照的象素電信號值低，可能數(shù)值會為0。
另一方面，如果象素在曝光期間已部分曝光，會損耗部分電荷，需要給象素再補(bǔ)充電荷至其原有電荷量，因此會產(chǎn)生電信號，電信號的值取決于必須補(bǔ)充的曝光期間已損耗的電荷量。
如果曝光期間照在象素上的光超過一定量，原有電荷會基本上損耗掉，超過該界限的任何亮度級都不會增加讀數(shù)時(shí)象素的電信號值。因此使用光圈或中等厚度濾光鏡和/或適當(dāng)照明控制照在象素陣列上的光量以便不會發(fā)生所謂的飽和。這意味著讀出時(shí)每個(gè)象素的電信號值與曝光期間照在象素上的光量成正比。
曝光時(shí)間非常短，象素的讀出時(shí)間可能是曝光時(shí)間的極小一部分，通常芯片一秒鐘可以曝光和讀出50次，還可能有更高的速率。
通常使用與芯片同步工作的傳統(tǒng)快門，或最好使用由芯片的電操作控制的電子快門，以便每次曝光有效地拍攝物體的運(yùn)動。
在每次讀出時(shí)獲得并由用來恢復(fù)每個(gè)象素變化所需的電流產(chǎn)生的電信號可從0(例如象素1∶1)到最大值10(例如無遮蔽象素3∶1)變化。在象素部分遮蔽和部分元遮蔽的情況下，例如象素2∶1，照在該象素上的光量會少于照在象素3∶1上的光量而大于照在象素1∶1上的光量。如果遮蔽象素區(qū)域的50％，那么曝光期間象素接受讀出時(shí)產(chǎn)生信號值10的光的大約50％，并且讀出該象素時(shí)數(shù)字化電信號值一般是5。
圖7顯示圖6所示陣列中象素讀出時(shí)電信號的典型數(shù)字值表。
僅僅為了方便起見，圖7表中行與列的排列相對于圖6中行與列的位置做了調(diào)換。
如果在連續(xù)曝光期間圓盤的圖像已向右移動，使得周緣414現(xiàn)位于圖6中虛線416所示的位置，圖7表中的數(shù)值會不同，可能如圖8所示。
因?yàn)橐臄z的是周緣414穿過象素陣列的橫向移動，必須對來自陣列的每次讀出的電信號進(jìn)行譯碼以便確定圖像的周緣已向右移動了多遠(yuǎn)以及已與各列中哪一列相交。由于在象素中圖像的周緣不可能如圖6所示是清晰的連續(xù)曲線，并且因?yàn)殡娛д婧退^的電干擾，讀出時(shí)甚至從已充分遮蔽的象素也可獲得低值電信號，在確定圓盤周緣圖像是否進(jìn)入象素的部分列之前通常需要對信號值提供所謂閾值?？赏ㄟ^把任何等于5或大于5的象素的數(shù)字化信號值忽略不計(jì)來確定圓盤周緣圖像是否進(jìn)入象素的部分列，對于充分曝光后輸出的數(shù)字化信號值小于5的和信號值為0的所有象素看作其上沒有光照并確定圓盤周緣圖像已進(jìn)入這些象素。
當(dāng)應(yīng)用于圖6時(shí)，這意味著象素1∶2會被忽略不計(jì)，而象素2∶2會被看作“圓盤”。在第2列中的象素3、4、5和6全部是整個(gè)遮蔽并且這4個(gè)象素的信號值均顯示為0?？墒窃谏鲜龅暮唵蜗拗魄闆r下，由于第3列的信號值均大于5，則圓盤周緣進(jìn)入第三列的一部分會完全不予考慮。
使用此方法，水平方向的最大精度等于一個(gè)象素的尺寸。盡管象素的尺寸可能非常小，還是未必精確到足以保證圓盤中心在加工時(shí)的準(zhǔn)確定位。
僅提高閾值沒有用，因?yàn)檫@意味著最后，例如象素3∶3會被看作圓盤。
如果考慮實(shí)際數(shù)值，可對周緣414的位置進(jìn)行更精確的估計(jì)。
主要問題是，數(shù)值從10到9或到8的小變化(例如象素3∶3)，可能會被誤作電干擾或就是電干擾所造成的。
由于干擾往往是隨機(jī)的和暫時(shí)的，通過考慮沿著周緣線或沿列向下是否有變化發(fā)生就可分離和略去“搗蛋的”低值信號。如使象素4∶2的數(shù)值發(fā)生小變化(例如降低到8或到9)的隨機(jī)干擾信號產(chǎn)生后，可見前一個(gè)象素有數(shù)值10，那么除非沿著周緣線的下一個(gè)象素的數(shù)值低于象素4∶2的數(shù)值，否則象素4∶2數(shù)值的降低就可忽略不計(jì)。
另一方面，象素2∶3和象素3∶3之間數(shù)值上發(fā)生了小變化，若繼之以第4列有非常低值或0值的象素。在這種情況下，第3行第3列的信號值可認(rèn)為是有效信號并可計(jì)及。
可看出，第4列是第一列所有象素均為高值的列，第1列是所有象素均為0值或極低值的列，在第3列是較高值的同一區(qū)域內(nèi)第2列一般為低值。
一行接一行的看，例如圓盤周緣在第4行的精確位置，可被認(rèn)為是越過象素3∶4寬度的20％(從象素左邊量起)。
從虛線416可看出，在下一次曝光時(shí)間結(jié)束時(shí)，由于圓盤的偏心運(yùn)動，現(xiàn)在周緣可被認(rèn)為是越過象素3∶4寬度的大約50％。
由于根據(jù)芯片的幾何形狀已知每個(gè)象素的尺寸，所以甚至可在有電干擾信號的情況下，合理準(zhǔn)確地確定周緣位置，可達(dá)到次象素精度。
這樣做時(shí)，數(shù)字化的視頻信號值必須同時(shí)成組考慮，考慮剔除小變化或保留小變化的決定取決于小變化是否夾在兩個(gè)低值或兩個(gè)高值之間，或是夾在一個(gè)高值和一個(gè)低值之間。只在后一種情況下，保留影響圓盤周緣最后位置的中間信號值。
對于相鄰行的象素可采取相同的方法。在這種情況下，如果剔除上述小變化，最后得到的用于計(jì)算的信號值就會失去來自象素3∶3的影響，但仍可得到象素3∶4以及象素3∶5的值，使用象素3∶4和3∶5的數(shù)字化信號值仍可進(jìn)行周緣414水平位置的相當(dāng)精確的估計(jì)。
相似的技術(shù)可以用在從圖1所示的第二個(gè)攝像機(jī)244得到的信號的處理上，該攝像機(jī)用于拍攝圓盤的周緣。
周緣輪廓切線方向的理想圖像應(yīng)如圖9所示，圖9中圓形視野的剖面線區(qū)域417是圓盤周緣輪廓的理想圖像。盡管可能實(shí)現(xiàn)自動化，通常由操作者親自判斷圓盤的周緣輪廓情況。
實(shí)際上由于攝像機(jī)必須裝在距周緣某點(diǎn)有一定距離處，以使光軸在該點(diǎn)與圓盤周緣相切并聚焦，因而周緣的圖像并不像圖9所示，而是非常模糊的，圓盤周緣相當(dāng)大一部分(見圖10中的239)，會出現(xiàn)在電荷耦合器件(CCD)芯片的視野中并且是圖像的一部分。
圓盤的無用部分239往往大于圖10中要拍攝的241區(qū)域并且是模糊的。
如果使用遠(yuǎn)心鏡頭作為攝像機(jī)的鏡頭，例如英格蘭劍橋的MellesGriot遠(yuǎn)心鏡頭，就可使距鏡頭不同距離的相同尺寸物體均產(chǎn)生清晰的圖像，如果來自攝像機(jī)的電信號在視頻顯示器(VDU)上產(chǎn)生圖像之前經(jīng)過處理，則在VDU上獲得的周緣輪廓圖像是鮮明清晰的，不受攝像機(jī)視野中圓盤要拍攝區(qū)域之外部分的影響。
通常使用的日立KPM1攝像機(jī)具有768×576個(gè)象素的讀出分辨率。
圖10用圖解法說明對VDU顯示器上的周緣輪廓的圖像如何進(jìn)行信號處理與放大。通過對攝像機(jī)244的電荷耦合器件(CCD)芯片中的象素進(jìn)行判讀以獲得視頻信號。將攝像機(jī)的輸出信號數(shù)字化并存入第一個(gè)存儲單元420中。存儲單元的數(shù)值由處理器420使用存儲在存儲器424中的計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行處理，再存入第二個(gè)存儲單元426中。經(jīng)計(jì)算機(jī)總線428訪問第二個(gè)存儲單元426獲得計(jì)算機(jī)VDU顯示器上圓盤周緣的圖像，視頻驅(qū)動器430用于在VDU432上產(chǎn)生RGB信號。
可在環(huán)繞圓盤圓周的一些點(diǎn)上檢驗(yàn)圓盤的周緣輪廓，方法是在一些固定位置之間旋轉(zhuǎn)圓盤，在每個(gè)位置圓盤的周緣圖像對攝像機(jī)芯片曝光，存儲和處理來自圓盤的上述每個(gè)固定位置的信號。另一種方法是可操作攝像機(jī)以便產(chǎn)生與圓盤連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)一系列圖像中每幀圖像對應(yīng)的視頻信號，每幀圖像對應(yīng)于環(huán)繞圓盤圓周測得的圓盤不同區(qū)域的周緣輪廓。為此，可隨著圓盤的旋轉(zhuǎn)同步操作攝像機(jī)快門以獲得上述效果，或可在圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)讓攝像機(jī)獲得大量高速曝光。
權(quán)利要求
1．將圓形工件從第一個(gè)檢驗(yàn)工位移至第二個(gè)加工工位的工件向定位和移動系統(tǒng)，包括用于固定到圓盤工件的表面以便使圓盤工件從一個(gè)位置移至另一個(gè)位置的工件裝夾裝置；控制工件裝夾裝置的位置并適于在至少兩個(gè)互相垂直的方向上移動的機(jī)器人裝置，當(dāng)圓盤占據(jù)第一個(gè)工位時(shí)這兩個(gè)方向均平行于圓盤的表面；使圓盤在檢驗(yàn)工位和加工工位旋轉(zhuǎn)的裝置；當(dāng)圓盤在第一個(gè)工位旋轉(zhuǎn)時(shí)確定圓盤幾何中心位置的檢驗(yàn)裝置；以及計(jì)算裝置，計(jì)算由檢驗(yàn)裝置所傳遞的需沿機(jī)器人裝置的兩個(gè)互相垂直的運(yùn)動方向移動的距離，以使圓盤的幾何中心移至已知坐標(biāo)的第二個(gè)理想位置。
2．按權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，計(jì)算裝置包括用于存儲上述坐標(biāo)的存儲器。
3．按權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，用于使圓盤工件在第一個(gè)及第二個(gè)工位的每個(gè)工位上旋轉(zhuǎn)的裝置，其包括一個(gè)真空吸盤及與之相連的電機(jī)裝置。
4．按權(quán)利要求1的系統(tǒng)，工件裝夾裝置由真空操縱。
5．按權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，該些坐標(biāo)指在第二工位工件裝夾裝置或吸盤旋轉(zhuǎn)中心的坐標(biāo)。
6．按權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，計(jì)算裝置適于計(jì)算需要圓盤工件從第一個(gè)工位沿三個(gè)互相垂直的軸中的一個(gè)，或另一個(gè)，或所有三個(gè)軸移動的距離，以使圓盤的幾何中心與第二個(gè)工位吸盤的旋轉(zhuǎn)軸線重合，或圓盤的幾何中心從吸盤的旋轉(zhuǎn)軸線移動需要的已知距離及角度取向。
7．按權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中，使圓盤幾何中心相對于第二個(gè)吸盤旋轉(zhuǎn)軸線位移，從而把對應(yīng)于上述位移和原始位置的特定偏心量引入圓盤的旋轉(zhuǎn)，因而可磨削圓盤以使圓盤的幾何中心移至上述位移確定的新位置。
8．按權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，使用三軸機(jī)器人裝卸半導(dǎo)體材料硅圓盤以進(jìn)行周緣磨削，采用沿機(jī)器人X軸和Z軸兩軸的移動來控制第二個(gè)磨削工位真空吸盤上圓盤的定心。
9．用于磨削圓形工件，硅等圓盤(圓片)周緣的磨床，其中安裝如權(quán)利要求1至8中任一權(quán)利要求的工件定位和移動系統(tǒng)。
10．定位和移動圓形工件以進(jìn)行周緣磨削的方法，其中，圓盤放置在檢驗(yàn)工位以使其幾何中心與檢驗(yàn)工位的旋轉(zhuǎn)軸線大致對正，圓盤繞檢驗(yàn)工位軸線旋轉(zhuǎn)，計(jì)算X1和Z1兩個(gè)尺寸，它們是平行于X軸和Z軸測得的距離，圓盤的幾何中心需要移動過該距離以便與檢驗(yàn)工位的旋轉(zhuǎn)中心重合，然后使用機(jī)器人將圓盤傳送至磨削吸盤并通過X軸和Z軸的位置補(bǔ)償定位在該吸盤上，以便使圓盤(現(xiàn)在)已知的幾何中心相對于磨削吸盤的旋轉(zhuǎn)軸線精確地定位。
11．按權(quán)利要求10的方法，其中，移動圓盤使其幾何中心相對于磨削吸盤旋轉(zhuǎn)軸線移至理想位置，由此在圓盤從第一個(gè)檢驗(yàn)工位向第二個(gè)磨削工位吸盤的移動過程中結(jié)合進(jìn)行X軸和Z軸位置的調(diào)整以保證圓盤在磨削吸盤上的定心和從圓盤上不必要地切除材料之間“最佳搭配”補(bǔ)償。
12．按權(quán)利要求11的方法，其中，圓盤的周緣有損傷時(shí)，為了繞新的中心重磨圓盤周緣損傷處，預(yù)先將圓盤偏心放置在磨削工位吸盤上，以便磨去無用的有損傷的周緣區(qū)域。
13．按權(quán)利要求11或12的方法，通過旋轉(zhuǎn)檢驗(yàn)工位上的真空吸盤使圓盤旋轉(zhuǎn)至某方位，并從該方位移動工件至工件主軸。
14．按權(quán)利要求11、12或13的方法，計(jì)算檢驗(yàn)工位旋轉(zhuǎn)軸線和磨削工位吸盤旋轉(zhuǎn)軸線之間平行于X軸和Z軸的精確距離的方法是首先確定和存儲檢驗(yàn)工位和磨削吸盤兩條軸線的X坐標(biāo)和Z坐標(biāo)的初步近似值；此后用工件裝夾裝置吸取圓盤并將其放置在檢驗(yàn)吸盤上，使圓盤旋轉(zhuǎn)以便確定其幾何中心，然后用工件裝夾裝置吸下圓盤，調(diào)整圓盤的X坐標(biāo)和Z坐標(biāo)以便使圓盤相對于檢驗(yàn)工位軸線定心，使得圓盤幾何中心現(xiàn)在與檢驗(yàn)工位的旋轉(zhuǎn)軸線準(zhǔn)確對中并與該對中位置的X坐標(biāo)和Z坐標(biāo)一致；此后指示機(jī)器人通過從檢驗(yàn)工位軸線至磨削吸盤軸線的平行于X軸和Z軸的兩個(gè)預(yù)先計(jì)算出的位移，將圓盤從該位置移至磨削工位吸盤以實(shí)現(xiàn)圓盤相對于磨削吸盤旋轉(zhuǎn)軸線的定心；此后通過磨削吸盤使圓盤旋轉(zhuǎn)180°，將圓盤從磨削吸盤上返回到工件裝夾裝置，并通過返回在前執(zhí)行的運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)回到已知坐標(biāo)的第一次送回至檢驗(yàn)工位位移，從工件裝夾裝置再一次將圓盤移回至檢驗(yàn)工位吸盤。
15．按權(quán)利要求14的方法，在檢驗(yàn)工位旋轉(zhuǎn)圓盤，再次檢驗(yàn)圓盤有無偏心。
16．按權(quán)利要求15的方法，將已知的偏心量轉(zhuǎn)換成沿X軸和Z軸的位移量，當(dāng)需要在檢驗(yàn)工位軸線和磨削吸盤軸線已知坐標(biāo)的兩個(gè)位置之間移動圓盤時(shí)，要在預(yù)先計(jì)算出的X軸和Z軸的位移量上加上或減去(視情況而定)這些轉(zhuǎn)換值，由此確定機(jī)器人必須移動的平行于X軸和Z軸的精確距離以便圓盤從一個(gè)工位至另一個(gè)工位時(shí)精確地再定位。
17．按權(quán)利要求16的方法，在權(quán)利要求9中的機(jī)床的最初調(diào)整期間使用該方法。
18．權(quán)利要求16中的方法，在權(quán)利要求9中的機(jī)床的使用壽命期間頻繁地使用該方法，以實(shí)現(xiàn)對中檢驗(yàn)及檢驗(yàn)工位和磨削工位的相對定位。
19．對權(quán)利要求9所述的機(jī)床進(jìn)行調(diào)整的方法，包括一個(gè)學(xué)習(xí)步驟在人工控制下調(diào)整機(jī)器人從工件裝夾裝置與檢驗(yàn)工位對中的第一個(gè)位置至工件裝夾裝置與磨削吸盤對中的第二個(gè)位置，在學(xué)習(xí)模式下，已知機(jī)器人至少沿其X軸和Z軸以及其Y軸的位移量并將其存儲在與控制機(jī)器人的計(jì)算機(jī)相連的存儲器中，通過指示計(jì)算機(jī)跟隨由存在上述存儲器中的坐標(biāo)所確定的路徑實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動化操作，以便重復(fù)在人工控制下預(yù)先實(shí)現(xiàn)的位移。
20．按權(quán)利要求19的方法，其中，使用權(quán)利要求10至16的任一權(quán)利要求的方法修正人工輸入的起始位置和結(jié)束位置，檢驗(yàn)工位旋轉(zhuǎn)軸線和磨削吸盤旋轉(zhuǎn)軸線的正確位置代替在人工控制下獲得的大致位置。
21．按權(quán)利要求19的方法，其中，人工控制指通過規(guī)定的路徑人工移動機(jī)器人，除與機(jī)器人相連的仍可正常指示機(jī)器人的運(yùn)動的編碼器外，不用有關(guān)的機(jī)器人驅(qū)動裝置。
22．按權(quán)利要求19的方法，其中，人工控制在其范圍內(nèi)包括用一個(gè)人工控制的裝置例如鍵盤或操縱手柄或其它控制器和驅(qū)動裝置一起取代機(jī)器人的控制裝置使機(jī)器人工作的步驟，用驅(qū)動裝置調(diào)整機(jī)器人的位置首先使工件裝夾裝置與檢驗(yàn)工位的真空吸盤對中，然后使工件裝夾裝置與磨削工位的真空吸盤對中，在所有情況下，來自各驅(qū)動器的編碼信號用于確定機(jī)器人不同時(shí)間的坐標(biāo)位置并記錄機(jī)器人平行于X、Y、Z軸線的位移量。
23．按權(quán)利要求9的機(jī)床，其中，為便于人工控制設(shè)置開關(guān)裝置，以便在操作者控制下當(dāng)工件裝夾裝置大致與檢驗(yàn)吸盤軸線和磨削吸盤軸線確定的兩個(gè)終點(diǎn)中的每一個(gè)對中時(shí)開關(guān)裝置使計(jì)算機(jī)可以識別終點(diǎn)。
24．按權(quán)利要求23中的機(jī)床，上述開關(guān)裝置用于記錄機(jī)器人移動全程中不同中途點(diǎn)的坐標(biāo)。
25．按權(quán)利要求9、23和24的任一權(quán)利要求的機(jī)床，檢驗(yàn)工位也包括用于確定工件(圓盤)厚度的裝置，并設(shè)置響應(yīng)此輔助信息的裝置，此輔助信息用于精密調(diào)整加工刀具的軸向位移使其與加工工位上的工件周緣接觸。
26．按權(quán)利要求9、23、24和25的任一權(quán)利要求的機(jī)床，其中，加工刀具是帶槽的砂輪。
27．按權(quán)利要求9、23、24和25的任一權(quán)利要求的機(jī)床，其中，光學(xué)檢驗(yàn)裝置固定在檢驗(yàn)工位上，其光軸平行于Y軸(即檢驗(yàn)工位上工件的旋轉(zhuǎn)軸線)。
28．按權(quán)利要求27的機(jī)床，其中，該兩軸在同一水平面中。
29．按權(quán)利要求9、或23至28的任一權(quán)利要求的機(jī)床，還包括微調(diào)(Vernier)裝置，以調(diào)整光學(xué)檢驗(yàn)裝置的位置以便適應(yīng)工件當(dāng)中直徑上相當(dāng)大的差異。
30．用于權(quán)利要求27或28或29的機(jī)床的光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)包括電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)其鏡頭在CCD芯片上產(chǎn)生的圓盤周緣光學(xué)圖像，和對攝像機(jī)拍攝的圓盤周緣區(qū)域照明的照明裝置，以使得攝像機(jī)拍攝的周緣區(qū)域的背后被照亮，由此攝像機(jī)拍攝的周緣區(qū)域成黑色輪廓像。
31．按權(quán)利要求30的系統(tǒng)，電荷耦合器件(CCD)陣列包含大量可編址象素。
32．權(quán)利要求30或31中的系統(tǒng)，還包括接收掃描電荷耦合器件(CCD)陣列所得信號的電路裝置，適于根據(jù)象素是否被圓盤周緣圖像遮蔽將來自電荷耦合器件(CCD)陣列的每個(gè)可編址象素的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)值。
33．按權(quán)利要求30、31或32的系統(tǒng)，其中，對象素?cái)?shù)目固定的系統(tǒng)，每個(gè)象素信號值的數(shù)字化程度決定檢驗(yàn)系統(tǒng)的精度。
34．按權(quán)利要求30至33的任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，還包括順續(xù)存儲每幀畫面的裝置，設(shè)置可比較一幀畫面與下一幀畫面的象素相關(guān)信號的裝置，此外設(shè)置從該比較中確定一幀畫面與下一幀畫面象素相關(guān)信號值變化的裝置，由此產(chǎn)生表示周緣圖像位置移動的信號，周緣圖像位置移動是由于偏心安裝圓盤的旋轉(zhuǎn)使圓盤周緣在視野中移動引起的。
35．按權(quán)利要求34的系統(tǒng)，圓盤周緣在電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)中的圖像表現(xiàn)為亮和暗之間的變化，并且由于象素在遮蔽和無遮蔽之間，所以象素相關(guān)信號從一個(gè)極值到其另一個(gè)極值不等。
36．按權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其中，象素信號按n=A(對應(yīng)于全遮蔽點(diǎn)一黑點(diǎn))比n=B(其中對應(yīng)于無遮蔽情況)的比例被數(shù)字化，使用數(shù)字化分析以便更精確地確定圓盤周緣圖像相對于象素所處的位置，由此如果交叉象素的情況發(fā)生，那么被交叉象素在A→B之間的比例特定值n將表示為象素被圓盤圖像覆蓋(并因此被遮蔽)部分的百分比與象素未遮蔽部分的百分比之比。
37．按權(quán)利要求36的系統(tǒng)，其中，其象素分辨率是根據(jù)許多相鄰象素的數(shù)值分辨可被“觀察”到的“周緣”，設(shè)置同時(shí)成組詢問表示象素之信號的裝置，脈沖選擇裝置識別單個(gè)“搗蛋的”信號值(尤其是干擾等造成的)并且將其從信號中剔除，設(shè)置當(dāng)大多數(shù)相鄰象素信號值表示周緣在該處時(shí)才確定真正周緣的裝置。
38．按權(quán)利要求37的系統(tǒng)，其中，周緣位置確定裝置識別周緣位于有B值在周緣一邊的最后一個(gè)象素和有A值在周緣另一邊的第一個(gè)象素之間的實(shí)際位置，在該位置信號值最接近于象素信號值A(chǔ)和B的算術(shù)平均值。
39．按權(quán)利要求38中的系統(tǒng)，其中，設(shè)置根據(jù)攝像機(jī)所用鏡頭焦距、電荷耦合器件(CCD)陣列的尺寸、象素的數(shù)目及尺寸計(jì)算比例因數(shù)的裝置，經(jīng)過計(jì)算，“真正”周緣移過x個(gè)象素的有效移動可等于rmm的直線距離。
40．按權(quán)利要求39的系統(tǒng)，包括適于相對于環(huán)繞圓盤圓周的固定點(diǎn)確定圓盤角位置的計(jì)算裝置，固定點(diǎn)是例如凹口，或周緣的平坦部分或圓盤被拍攝表面上可辨別的小標(biāo)記/點(diǎn)或機(jī)床可探測出的標(biāo)記，例如，圓盤的旋轉(zhuǎn)位置由目檢或攝像機(jī)檢驗(yàn)或由磁傳感器確定。
41．按權(quán)利要求40的系統(tǒng)，還包括旋轉(zhuǎn)圓盤以使標(biāo)記(例如凹口)貫穿攝像機(jī)視野的裝置，由此產(chǎn)生特定信號圖像并進(jìn)行信號處理和進(jìn)行計(jì)算的裝置，將攝像機(jī)輸出信號傳送給該裝置，給該裝置編程以識別圖像，用與圓盤驅(qū)動器相連的編碼器獲得圓盤角位置的信號并存儲。
42．按權(quán)利要求30至41的任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓盤時(shí)，圓盤幾何中心和圓盤檢驗(yàn)工位旋轉(zhuǎn)軸線之間的任何不對中，將表現(xiàn)為電荷耦合器件(CCD)上圓盤圖像的位移。
43．按權(quán)利要求42的系統(tǒng)，還包括在許多由編碼器確定的間隔的角位置上存儲位移值的裝置，以及用于計(jì)算圓盤幾何中心之X,Z坐標(biāo)(X1Z1)的裝置。
44．按權(quán)利要求43的系統(tǒng)，其中設(shè)置存儲檢驗(yàn)工位真空吸盤軸線之X,Z坐標(biāo)(X2Z2)的裝置，該坐標(biāo)也對應(yīng)于圓盤實(shí)際旋轉(zhuǎn)軸線，使圓盤幾何中心與真空吸盤軸線在檢驗(yàn)工位特定角度對中所需的X,Z軸位移用(X1-Z2),(Y1-Z2)計(jì)算。
45．按權(quán)利要求44的系統(tǒng)，其中設(shè)置存儲圓盤將傳送至的真空吸盤軸線之X,Z坐標(biāo)(X3Z3)的裝置，以及為使圓盤幾何中心與加工工位軸線(X3Z3)對中，確定圓盤離開檢驗(yàn)工位吸盤后必須平行于X軸和Z軸所移動距離的計(jì)算裝置。
46．按權(quán)利要求30至45的任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，第二個(gè)攝像機(jī)被定位以便從切線方向拍攝圓盤的周緣，該攝像機(jī)的光軸在圓盤的平面內(nèi)或平行于圓盤的平面，從而允許放大比例檢驗(yàn)圓盤周緣的輪廓，放大比例檢驗(yàn)是通過在陰極射線管(CRT)上顯示攝像機(jī)所攝光學(xué)圖像的放大圖像進(jìn)行的。
47．按權(quán)利要求46的系統(tǒng)，第二個(gè)攝像機(jī)用遠(yuǎn)心鏡頭使距鏡頭一定距離范圍內(nèi)的相同尺寸物體產(chǎn)生清晰的圖像。
48．按權(quán)利要求47的系統(tǒng)，包括遠(yuǎn)心鏡頭、使來自攝像機(jī)的視頻信號數(shù)字化的電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)裝置以及在計(jì)算機(jī)監(jiān)視器上產(chǎn)生信號圖像的信號處理裝置的組合。
49．按權(quán)利要求48的系統(tǒng)，還包括使用在本說明書中所述的數(shù)字分析技術(shù)對數(shù)字化視頻信號進(jìn)行測量，以便獲得電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)上所產(chǎn)生圖像之測量結(jié)果的裝置。
50．按權(quán)利要求49的系統(tǒng)，其中設(shè)置在終端陰極射線管(CRT)顯示器上對周緣輪廓圖像進(jìn)行信號處理和放大的裝置；通過判讀電荷耦合器件(CCD)芯片的象素獲得視頻信號并將其數(shù)字化后存儲在幀存儲器中的裝置；對幀存儲器中的數(shù)值進(jìn)行處理并將新數(shù)值或是重新存儲在第二個(gè)幀存儲器中或是取代原幀存儲器中數(shù)值的裝置；以及設(shè)置為在計(jì)算機(jī)顯示器上產(chǎn)生圓盤周緣圖像，通過適當(dāng)?shù)卦L問存有經(jīng)過處理數(shù)值的存儲器獲得信號的裝置。
51．按權(quán)利要求50的系統(tǒng)，其中，在環(huán)繞圓盤圓周的許多點(diǎn)上檢驗(yàn)圓盤的輪廓，或者通過在許多固定位置之間旋轉(zhuǎn)圓盤，在每個(gè)位置圓盤的周緣圖像曝光于攝像機(jī)芯片，存儲和處理來自圓盤的上述每個(gè)固定位置的信號，或者通過操作攝像機(jī)以便產(chǎn)生與圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)與一系列圖像中每幀圖像對應(yīng)的視頻信號，每幀圖像對應(yīng)于環(huán)繞圓盤圓周測得的圓盤不同區(qū)域的輪廓。
52．按權(quán)利要求51的系統(tǒng)，其中，隨著圓盤的旋轉(zhuǎn)同步操作攝像機(jī)快門，或代之以在圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)讓攝像機(jī)獲得大量的高速曝光。
53．用于磨削如硅材料的圓盤(圓片)周緣的磨床，有權(quán)利要求30至52中任一權(quán)利要求的檢驗(yàn)系統(tǒng)或適于與其共同工作。
54．使用權(quán)利要求10至22中任一權(quán)利要求的方法磨削和精磨其周緣的如硅材料的圓盤。
55．使用權(quán)利要求9,23至29或53中任一權(quán)利要求中的機(jī)床磨削和精磨其周緣的如硅材料的圓盤。
全文摘要
使圓形工件從第一個(gè)檢驗(yàn)工位移至第二個(gè)加工工位的工件定位和移動系統(tǒng)，包括用于固定圓盤工件的表面以便使圓盤工件從一個(gè)位置移至另一個(gè)位置的工件裝夾裝置；控制工件裝夾裝置的位置并適于在至少兩個(gè)互相垂直的方向上移動的機(jī)器人裝置，當(dāng)圓盤占據(jù)第一個(gè)工位時(shí)這兩個(gè)方向均平行于圓盤的表面；使圓盤在檢驗(yàn)工位和加工工位旋轉(zhuǎn)的裝置；當(dāng)圓盤在第一個(gè)工位旋轉(zhuǎn)時(shí)確定圓盤幾何中心位置的檢驗(yàn)裝置；以及計(jì)算裝置，計(jì)算由檢驗(yàn)裝置所傳遞的需沿機(jī)器人裝置的兩個(gè)互相垂直的運(yùn)動方向移動的距離，以使圓盤的幾何中心移至已知坐標(biāo)的第二個(gè)理想位置。計(jì)算裝置包括用于存儲上述坐標(biāo)的存儲器。坐標(biāo)指工件裝夾裝置或上述第二個(gè)工位吸盤旋轉(zhuǎn)中心的坐標(biāo)。工件裝夾裝置由真空操縱。使用三軸機(jī)器人裝卸半導(dǎo)體材料硅圓盤進(jìn)行周緣磨削，采用沿機(jī)器人x軸和Z軸兩軸的移動來控制第二個(gè)磨削工位真空吸盤上圓盤的定心。
文檔編號B23Q3/18GK1227518SQ97197169
公開日1999年9月1日 申請日期1997年6月11日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月15日
發(fā)明者M·A·斯托克, D·R·法爾克納, P·M·H·莫蘭茨, M·G·皮爾瑟 申請人:尤諾瓦英國有限公司