基于速度阻尼力位切換DSP 算法的引線鍵合機邦頭設計

陳永剛，閻秋生，鞏航軍

(1.東莞職業技術學院，廣東東莞 523808;2.廣東工業大學，廣東廣州 510006)

LED 焊線機設備中，鍵合邦頭的運動過程是LED 芯片焊接的關鍵。其工作原理是將引線框架固定在加熱塊上，再施加超聲波、鍵合力，在芯片或引腳與金屬線的結合部位形成金屬焊［1］。從控制理論角度出發，可以將整個芯片焊接運動過程分為以下幾個部分:位置控制、力控制、力位切換控制［2］。位置控制實現引線鍵合邦頭在自由運動狀態下的高速高精度控制，包括高速運動和低速搜索以及金絲線的拉弧運動;力控制是控制芯片焊接時焊接加力的穩定。而力切換控制是實現鍵合邦頭從位置控制到力控制的連接紐帶，對抑制切換過程中沖擊力的產生有重要作用，目前常采用的直接力位切換算法因為沒有抑制力位切換過程中的速度波動，造成了力波動過大。因此根據國內外研究現狀，以國內研發的最新型全自動LED焊線機為背景，提出一套基于DSP 的速度阻尼力位切換控制系統。

1 力位切換控制分析

如圖1 所示，在芯片焊接過程中，當鍵合邦頭在位置控制下完成自由狀態下運動，鍵合邦頭末端劈刀接觸芯片基板準備加力時的控制過程，稱之為切換控制。力位切換控制過程是文中研究的重點，目的是實現迅速穩定的力位切換。

圖1 力位切換控制

力位切換控制是眾所周知的一大控制難題，國外最早的研究是關于機器操作手臂在抓取物體時的混合控制［3］。現在，力位切換控制仍然是機器人及自動化控制的前沿研究領域。對于力位切換控制，研究學者提出了很多新的控制思想與方法，比如動態混合力位控制、阻抗控制、非線性阻尼控制、自適應控制等［4－6］。文中從應用角度出發，分析切換過程與影響力位切換的相關因素，并對實現力位切換控制的策略作符合實際應用的理論分析與設計。

2 基于速度阻尼力位切換方案設計

基于速度阻尼的力位切換控制方法設計思想是:在鍵合邦頭低速搜索階段，檢測位置偏差作為切換條件;在切換條件達到閾值時，將控制器切換到速度環加電流環控制環路方式。即通過速度環的調節實現力位切換前鍵合邦頭運動速度的快速抑制，從而達到平穩切換的目的。設計框圖如圖2 所示。

圖2 帶速度阻尼的力位切換框圖

在圖2 中，看上去有3 個前向通道，實際上只有兩個通道:一個是以位置環為首組成的位置控制通道;另一個是以力規劃器為首組成的力控制通道。參數控制器只是用來在進行力位切換時改變速度環參數用的參數規劃表，并不是真正的自成環路。顯而易見，與直接力位切換控制系統相比，環路切換開關提前了。切換條件的選擇仍然是位置環路的位置偏差。

利用速度閉環構成的速度阻尼對切換速度精確的控制作用，使得鍵合邦頭在力位切換過程中，緩沖鍵合邦頭金屬球與基板之間的碰撞力［7］，使得金屬球能夠快速穩定，從而使得加力過程更平穩、力波動更小。雖然與直接力位切換控制系統相比，多保留了一個速度環，但實際控制起來并不是想象中的那么簡單。對于運動控制卡驅動器控制系統，從先前的雙環控制，然后到模擬量力位切換，到保留一環并改變環路的參數，這樣的一個“熱”轉變，還是很難做到的。

3 基于速度阻尼力位切換DSP 算法設計

圖3 帶速度阻尼的力位切換算法流程圖

基于速度阻尼力位切換DSP 算法設計，類似于直接力位切換DSP 算法設計，所不同的是在力位切換時，通過切換條件，保留了速度環，并通過設定速度環的參數，進而構成速度阻尼的作用。系統算法流程如圖3 所示。

4 參數調試

為了使系統控制性能達到最優，必須對其環路控制參數進行調節。基于速度阻尼的力位切換控制系統，有3 個方面的控制參數需要調節:位置環路的控制參數、速度阻尼參數、力控制環路參數。

(1)位置環路的控制參數的調試，目標是使系統具有良好的跟蹤定位精度，實現高速高精度的運動控制性能。包含位置環路的PID 參數、速度前饋與加速度前饋系數、速度環路的PID 參數共8 個參數的調節。一般選擇從內環往外環調試，即先調節速度環路，達到設計要求后，再調節位置環路。速度環路調節完畢后，調節位置環路的Kp、速度前饋、加速度前饋3 個系數。調節好這3 個參數后，然后通過調節Ki使得系統無穩態誤差，調節Kd抑制系統的超調;

(2)速度阻尼參數的調試，目標是盡量降低力位切換過程中的速度波動，使得加力過程更加平穩。通過改變速度環路控制律的參數，主要是Kp，使得速度環路構成一個阻尼器，以使系統更加穩定;

(3)力控制環路參數的調試，目標是使加力過程更加平穩，力波動盡可能地小。力控制律設計為PD控制器。調節過程分為兩個步驟:首先將Kp盡可能地放大，以快速抑制系統的振動;然后將Kp減小，同時加大Kd，使得系統的超調大大減少。

5 結束語

采用三角波速度信號作為力位切換的激勵信號。設定的焊接力有兩段:第一段力為0.75 N，第二段力為1.05 N，加力時間均為5 ms，實際力響應曲線如圖4 所示。

圖4 帶速度阻尼的力位切換算法力響應曲線

從圖5 可以看出:相比于直接力位切換控制，基于速度阻尼的力位切換控制效果要好得多，力波動明顯減小，沖擊力最大為0.41 N，反彈力為0，加力段力波動效果接近±0.03 N 設計要求范圍。這說明:在整個力位切換過程中，加力平穩，鍵合邦頭在力位切換過程中的振動得到了很好的抑制，也即速度阻尼的作用效果明顯。

圖5 直接力位切換算法的力響應曲線

［1］李元升.引線鍵合機工藝技術分析［J］.電子工業專用設備，2004(3):78－81.

［2］XU W L，HAN J D，TSO S K.Experimental Study of Contact Transition Control Incorporating Joint Acceleration Feedback［J］.Mechatronics，2000，5(3):292－301.

［3］HSIEN I L，CHEN C L.A Hybrid Control Policy of Robot Arm Motion for Assistive Robots［C］// Information and Automation，2011:163－168.

［4］HYDE J M，CUTKOSKY M R.Contact Transition Control:An Experimental Study［C］//Robotics and Automation，1993:363－368.

［5］BHASIN S，DUPREE K，WILCOX Z D，et al.Adaptive Control of a Robotic System Undergoing a Non-Contact to Contact Transition with a Viscoelastic Environment［C］//American Control Conference，2009:3506－3511.

［6］TO Y K.Analysis and Implementation of Force Control in Industrial Application［D］.HongKong:HongKong University of Science and Technology，2001:29－37.

［7］KRIPESH V，SIVAKUMAR M，LIM L A，et al.Wire Bonding Process Impact on Low-K Dielectric Material in Damascene Copper Integrated Circuits［C］//Electronic Components and Technology Conference，2002:876－880.