運動規劃在擺臂機構上的應用分析

2011-08-08 10:22:56莊文波王兵鋒李愷丁彭剛

電子工業專用設備 2011年12期

莊文波，王兵鋒，李愷，丁彭剛

(北京中電科電子裝備有限公司，北京 101601)

半導體產品被廣泛應用于醫療、交通、通信等領域。相應的，市場上對半導體封裝設備的要求也日漸提高，這使得半導體設備制造商需要不斷改進工藝來滿足市場需求。

擺臂機構是一些半導體封裝設備如固晶機、排片機上的重要組成部分。其運動的穩定性制約著整個設備的性能。由于其高速的特性，容易引起在吸固晶時產生振動，從而影響了設備的性能和產品的品質。如何有效地抑制其產生的振動成為提高設備性能的關鍵。

目前，多數情況是通過改變擺臂的材料及其結構來消除振動，這在一定程度上抑制了其在高速運動時引起的振動，但是其抑制程度有限，為了進一步抑制振動需對擺臂的運動進行規劃。本文通過運用S形速度曲線規劃和PID調節，對擺臂機構的兩個伺服電機進行運動規劃，根據擺臂機構的固有頻率分析，對擺臂的吸固晶動作進行平滑處理，從而有效地抑制了擺臂機構的振動問題，提高了設備的性能和產品的品質。

1 擺臂機構原理及固有頻率分析

1.1 擺臂機構工作原理

擺臂機構有兩個伺服電機構成，分別帶動擺臂進行θ向旋轉和Z向上下運動，其結構如圖1所示。θ向機構和Z向機構之間通過四聯桿進行聯接，固晶臂在做θ向旋轉的同時，Z向機構可以做上下運動。他們之間通過一花鍵軸進行耦合。固晶臂θ向旋轉到吸晶位置經過Z向運動從藍膜上拾取芯片，然后運動到固晶位置經過Z向運動將芯片置于料架上。

圖1 擺臂機構構成示意圖

1.2 擺臂固有頻率分析

擺臂機構的固晶臂在做高速θ向運動時，通過高速攝像儀發現在其拾放晶片時會產生一定的振動。從振動學知識上分析，固晶壁產生振動的原因：(1)外部激勵頻率與系統固有頻率比較接近導致系統動剛度大幅度降低，從而導致振動發生；(2)系統的固有頻率遠大于外部激勵頻率，系統靜剛度比較低從而導致振動現象的發生。而機械機構的抗振能力主要取決于它的固有頻率和動剛度。因此，通過COSMOSWorks軟件對固晶臂進行模態分析[1]，得出其固有頻率，在機械設計上進行改進提高其抗振能力。

通過高速攝像儀對擺臂機構的運動進行觀察發現，調節機械結構在一定程度上提高了機構的抗振能力，但是還是存在一定的振動，對提高整機的效率有一定的影響。這需要在對機構的動作做相應的運動規劃，進一步抑制機構的振動，提高整機設備的效率。

2 擺臂機構控制系統結構

整機系統由上位機和下位機構成，上位機采用工控機，下位機采用模擬量運動控制卡，擺臂驅動機構有兩個伺服電機構成。控制結構如圖2所示。

圖2 運動控制系統圖

整個擺臂機構的控制系統是一個半閉環的伺服控制系統。其原理是：工控機作為系統的界面管理和圖像處理功能單元，負責整機的程序規劃，并向控制卡傳遞指令完成具體的運動。伺服驅動器接受控制卡發出的模擬電壓控制伺服電機驅動執行機構運動，伺服電機編碼器將反饋值傳回驅動器，控制卡根據從驅動器得到的編碼器反饋值進行判斷，通過反饋比較再傳給驅動器，形成一個閉環系統。由于執行機構沒有采用光柵尺進行位置反饋，所以整個系統不是一全閉環系統。為滿足高速高精度的要求，整個擺臂機構的運動要求：

（1）整個行程為11 650個pulse；

（2）吸晶點到固晶點的運行時間T1≤70 ms；

（3）到位后固晶譬的振動穩定時間T2≤30 ms；

3 速度曲線的選擇

常用的速度曲線模式有T形和S曲線形兩種。T形運動速度響應快，但是存在加速度突變，容易引起機臺振動。S形運動加速度連續變化，使速度變化平滑，運動更平穩。

3.1 T形速度曲線

梯形速度曲線模式下的速度變化過程如圖3所示，一個典型的梯形速度曲線控制過程分為：初速階段、勻加速階段、勻速階段、勻減速階段、初速階段5個階段。

圖3 梯形速度曲線

梯形運動速度響應快，但是存在加速度的突變，容易引起機構振動，因此不利于抑制擺臂末端的振動。

3.2 S形速度曲線

S形速度曲線模式下的速度變化過程如圖4所示，一個典型的S形速度曲線大致分為：加加速、勻加速、減加速、勻速、加減速、勻減速、減減速7 個階段[2]。

圖4 S形速度曲線

S形速度曲線模式下，加速度與時間、速度與時間、位移與時間以及加加速度與時間的函數關系式分別如式(1)、(2)、(3)、(4)所示。

式中Ts——加加速時間；

Ta——加速時間；

To——加速運動時間+勻速運動時間；

L——運動的路程；

Jmax——運動過程中最大加加速度；

Amax——運動過程中最大加速度；

V1——t1時間末端的速度；

V2——t2時間末端的速度；

V3——t3時間末端的速度

S形速度曲線模式解決了梯形速度曲線模式下的加速度突變問題，使速度變化平緩，有利于抑制機構的振動，因此我們選用S形速度曲線模式。

4 基于PID智能控制算法的運動規劃

在目前的運動控制過程中，PID控制是最為常用的控制算法。PID控制是按偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)組合而成的一種基于誤差的控制規律[3]。比例增益為系統提供剛性，它的大小決定系統響應的快速性；積分增益可以消除系統的穩態誤差；微分增益是為系統提供穩定性的阻尼項，能改善系統的動態特性，阻止偏差的變化，有利于減小超調量，縮短調節時間，允許加大比例增益，使得系統的穩定誤差減小，提高控制精度。典型的PID控制如圖5所示。

PID控制算法的動態方程為：

傳遞函數為：

其中在式(5)、(6)中：

u(t)——控制系統輸入

e(t)——控制系統輸出

kp——比例增益

Ti——積分時間

Td——微分時間

PID控制器中有3個可以調整的參數，即：kp、Ti和 Td。

提高比例系數kp可提高系統響應性，但kp如果過大會引起超調導致系統不穩定，如果kp值過小又會造成系統響應過慢，調節時間過長。加大積分系數有利于減少系統靜差，但是過大會造成超調引起振蕩，過小又對系統消除靜差不利。增加微分作用有利于加快系統響應，增加穩定性，但過大會使響應過程提前制動從而延長調節時間，反之則會使調節過程滯后，響應變慢。因此PID調節中的3個參數需要分別設置成一個合適的值，才能使系統控制達到最優。在控制環節中，我們遵循先比例再積分后微分的原則。為滿足在高速的情況下同時減少機械的振動，在速度規劃上采用高加速低減速的S形速度曲線。