裝片機晶片臺運動控制系統(tǒng)的分析

徐品烈，任紹彬，郝 靖

(中國電子科技集團第四十五研究所，北京東燕郊 101601)

裝片機的主要功能是完成芯片的識別檢測與貼裝任務(wù)，設(shè)備在運行過程中，送料部分送入粘貼用的芯片和引線框架，視覺檢測部分對芯片進行檢測，對檢測合格的芯片，由拾取機構(gòu)將芯片貼裝于涂敷有粘接劑基底材料(支架、PCB板等)上，使芯片與基底材料固定在一起。

晶片臺(Wafer Stage)用于放置晶圓并與圖像識別系統(tǒng)相配合，圖像系統(tǒng)對藍膜上滑切分割后的芯片進行檢測和識別，對檢測合格的芯片，給出位置信息，控制晶片臺和真空吸頭等執(zhí)行裝置，按要求將芯片送至芯片拾取位置，快速準確地完成對芯片的貼裝。

1 晶片臺系統(tǒng)的構(gòu)成

晶片臺機構(gòu)根據(jù)CCD相機測量的數(shù)據(jù)，完成自動對準功能，要求在對準的過程中，實現(xiàn)精確的定位和快速的運動。晶片臺系統(tǒng)主要由圖像采集和處理部分、運動控制部分、伺服驅(qū)動及電機、晶片臺執(zhí)行機構(gòu)四部分組成，組成示意如圖1。

圖1 晶片臺系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

1.1 圖像

視覺檢測主要是利用機器視覺技術(shù)，通過圖像處理、模式識別方法，對芯片圖像進行分析和處理，完成芯片的定位與缺陷檢測等功能。視覺檢測對芯片的定位，可以把芯片位置的精確信息傳遞給運動控制模塊，使控制模塊能夠根據(jù)實時狀態(tài)調(diào)整控制參數(shù)，光源、鏡頭、CCD攝像機、圖像采集卡屬于圖像采集裝置，主要功能是完成芯片圖像的采集，并送入控制計算機進行處理和分析；芯片圖像經(jīng)處理和分析后，結(jié)果轉(zhuǎn)換成運動控制參數(shù)，傳遞給運動控制部分；視覺檢測的主要任務(wù)是完成芯片的定位和缺陷檢測，給出運動控制參數(shù)。定位用于確定芯片的精確位置，進行缺陷檢測和拾?。蝗毕輽z測則要完成墨點、缺角、崩邊、角度、緊鄰芯片等檢測。

1.2 運動控制

運動控制是粘片機控制系統(tǒng)的核心部分。所謂運動控制，是指在復(fù)雜的條件下，將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機械運動，實現(xiàn)對被控目標精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制以及這些控制的綜合控制。位控制器將分析、計算得出的運動命令以數(shù)字脈沖信號或模擬電壓信號的形式送到電機驅(qū)動器中；驅(qū)動器進行功率變換，并驅(qū)動電機根據(jù)上位控制指令轉(zhuǎn)動；電機通過傳動機構(gòu)帶動機械機構(gòu)運行，這樣便可以得到預(yù)期的運動形式。在閉環(huán)系統(tǒng)中，還需要檢測反饋裝置將檢測到的位置反饋到驅(qū)動器或上位控制器中。

1.3 伺服驅(qū)動及電機

交流伺服系統(tǒng)可構(gòu)成半閉環(huán)或全閉環(huán)控制。半閉環(huán)控制中，位置反饋采用轉(zhuǎn)角檢測元件，直接裝在伺服電機或絲杠端部，伺服電機上的編碼器反饋即做速度環(huán)，也做位置環(huán)。由于大部分機械傳動環(huán)節(jié)未包括在系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)路內(nèi)，因此可獲得較穩(wěn)定的控制特性。這種控制方式對于傳動鏈上的間隙及誤差不能通過反饋校正，但可采用軟件定值補償?shù)姆椒▉磉m當提高其精度。

1.4 執(zhí)行機構(gòu)

晶片臺為滾珠絲杠微米級精密x-y平臺，包含x、y兩個軸，分別由兩個伺服電機驅(qū)動。每個方向各有一幅直線導(dǎo)軌幅，每條導(dǎo)軌上各有兩個滑塊，晶片臺采用正交十字形結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 晶片臺機構(gòu)三機械位實體圖

為了達到該設(shè)備的技術(shù)指標，對該機構(gòu)提出的性能指標為：

x向最大行程:200 mm，1 mm行程的定位精度：±5 μm，運行時間小于 45 ms。

y向最大行程:200 mm，1 mm行程的定位精度：±5 μm，運行時間小于 45 ms。

2 晶片臺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)采用主從式控制方式，上位機為工控機，下位機為多軸運動控制卡。采用交流伺服電機驅(qū)動，編碼器位置反饋的結(jié)構(gòu)進行控制。控制結(jié)構(gòu)圖見圖3。

該伺服控制系統(tǒng)是一個半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，它的控制原理為：工業(yè)PC機作為上位機主要實現(xiàn)系統(tǒng)的管理功能和整機協(xié)調(diào)功能，與固高運動控制器通過網(wǎng)口通訊。根據(jù)晶片臺的測試要求，由工業(yè)PC機發(fā)出運動控制指令，固高運動控制器按照接受到PC機的指令進行相應(yīng)的運動控制，固高運動控制器在接受指令信號后，通過電機驅(qū)動器的轉(zhuǎn)換和放大后，驅(qū)動x、y電機來對工作臺進行控制，工作臺運行到相應(yīng)位置后，固高運動控制器再根據(jù)編碼器的位置信息反饋信號把相關(guān)位置信息反饋給工業(yè)PC機。其中，編碼器把信號直接反饋給驅(qū)動器，形成位置反饋的半閉環(huán)控制，而伺服驅(qū)動器把晶片臺的位置信息再反饋給固高運動控制器，從固高運動控制器再形成位置環(huán)的閉環(huán)控制。

晶片臺采用編碼器反饋的半閉環(huán)控制方式來控制伺服電機進行工作,控制原理如圖3所示：整機主控工控機向控制模塊發(fā)送信號指令，驅(qū)動交流伺服電機轉(zhuǎn)動，使工作臺移動。同時，x、y各軸編碼器記錄晶片臺移動的距離，晶片臺移動到指定的位置后，電機停止轉(zhuǎn)動，編碼器把工作臺運行的相關(guān)位置信號反饋回工控機，并根據(jù)工控機的指令要求，進行相應(yīng)的工作。

圖3 晶片臺控制系統(tǒng)構(gòu)架圖

這種半閉環(huán)控制方式不但可以保證工作臺x、y方向運行的綜合精度，還可以克服長時間使用后，絲杠磨損對工作臺精度的影響，也可以提高x、y軸運動的穩(wěn)定性。

3 伺服電機的選擇

固高多軸運動控制器是基于VME總線的運動控制器，與PC機通過網(wǎng)口進行數(shù)據(jù)交換，它與PC機構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)：PC機負責人機交互界面管理和控制系統(tǒng)實時監(jiān)控等方面的工作(例如鍵盤和鼠標的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、控制指令的發(fā)送、外部信號的監(jiān)控等)；核心的運動控制及多軸之間的邏輯配合都可在多軸運動控制器內(nèi)完成，達到高速、高精度實時運動控制功能。

交流伺服電機不僅用來實現(xiàn)電能和機械能之間的轉(zhuǎn)換，而且還用作機電信號的轉(zhuǎn)換、檢測、執(zhí)行、控制、反饋等，在機電一體化設(shè)備中得到廣泛的使用。近年來，隨著大規(guī)模集成電路和計算機控制技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代控制技術(shù)的應(yīng)用，特別是矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，使得交流伺服驅(qū)動具備了調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高、動態(tài)響應(yīng)快等特點，因此也常被用在控制系統(tǒng)中。

在此設(shè)計中，驅(qū)動電機選用的是安川公司生產(chǎn)的sigamalV系列的SGMJV-01ADA21型交流伺服電機。

下面以x軸電機的選擇為例，進行電機的選型計算。

(1)最大速度(Vmax)

在連續(xù)運行時，x軸主要用于芯片相對于拾取點的偏移量，其移動距離較小,一般最大為1 mm。

電機的額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，由于電機通過聯(lián)軸器與絲杠相連，減速比為1∶1，可計算出Vmax=50 r/s=500 mm/s。

(2)負載慣性矩計算(JL)

絲杠(J1)φ12 mm，長度200 mm，其轉(zhuǎn)動慣量為JB：

可動部分質(zhì)量10 kg，則可動部分轉(zhuǎn)動慣量為JT：

全慣性慣量：JL=JB+JT=2.86×10-5(kg·m2)

(3)負載轉(zhuǎn)矩計算(TL)

可動部分質(zhì)量10 kg、摩擦系數(shù)(μ)0.03、機械效率(η)0.95，

(4)容量選擇條件

從容量選擇條件，可選安川公司SGMJV-01ADA21，此電機的 Jm=0.0665×10-4kg·m2，TR=0.318Nm，TAC=1.11 Nm額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，帶有13位增量編碼器，配置SGDV-R90A伺服驅(qū)動器，此款驅(qū)動器即可以接受脈沖量信號進行位置控制，也可以接收模擬量進行速度、轉(zhuǎn)矩控制，驅(qū)動器內(nèi)有先進的速度環(huán)PID控制器。

(5)最短加/減速時間計算(tac)

最短加速/減速為0.015 s時的加速/減速轉(zhuǎn)矩：

(6)運行模式

設(shè)備的運行周期為240 ms,晶片臺的運行周期為40 ms，轉(zhuǎn)矩運行曲線如圖4所示。

圖4 運行模式及轉(zhuǎn)矩曲線

計算實際轉(zhuǎn)矩：

因為SGMJV-01ADA21，此電機的額定轉(zhuǎn)矩在0.318 Nm，可以在指定的運行模式下連續(xù)運行。

4 閉環(huán)控制分析

固高運動控制器的PID控制器在原有傳統(tǒng)的控制器上加有速度前饋及加速度前饋控制與光柵尺反饋信號構(gòu)成了位置控制環(huán)路，如圖5。

圖5 閉環(huán)控制系統(tǒng)組成

從圖5中可以看出，位置控制器的工作原理為：位置調(diào)節(jié)器中的位置控制程序周期讀入由插補計算和倍率調(diào)整后的理論位置，如Δx，Δy，Δz等，并采樣由位置測量組件反饋的坐標軸實際位置，經(jīng)誤差補償后形成真正的坐標軸實際位置；理論位置和實際位置相比較求得跟隨誤差，根據(jù)跟隨誤差所在區(qū)間算出進給速度指令的數(shù)字量；此數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，作為伺服驅(qū)動單元速度環(huán)的輸入速度指令，由伺服單元驅(qū)動坐標軸運動，實現(xiàn)按誤差的位置控制。在一個位置控制周期內(nèi)，速度指令保持不變。

5 基于PID調(diào)節(jié)的晶片臺控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

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(guī)律。比例增益為系統(tǒng)提供剛性，它的大小決定系統(tǒng)響應(yīng)的快速性；積分增益可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；微分增益是為系統(tǒng)提供穩(wěn)定性的阻尼項，能改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，阻止偏差的變化，有利于減小超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時間，允許加大比例增益，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差減小，提高控制精度。典型的PID控制如圖6所示。

(1)比例系數(shù)Kp

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

比例控制器是一個放大倍數(shù)可調(diào)整的放大器，控制器的輸出信號成比例地反應(yīng)輸入信號。提高比例系數(shù)Kp，可以減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高控制精度。對于一階系統(tǒng)，提高Kp，還可以降低系統(tǒng)的慣性。但是，比例系數(shù)Kp過大會使系統(tǒng)產(chǎn)生較大超調(diào)，甚至導(dǎo)致不穩(wěn)定；若Kp取得過小，能使系統(tǒng)減少超調(diào)量，穩(wěn)定裕度增大，但會降低系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，調(diào)節(jié)時間延長。

(2)積分系數(shù)Ki

積分調(diào)節(jié)可提高系統(tǒng)的抗干擾能力，消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，適用于有自平衡性的系統(tǒng)。但它有滯后現(xiàn)象，使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，超調(diào)量變大，并可能產(chǎn)生振蕩。加大積分系數(shù)Ki(減小Ti)有利于減小系統(tǒng)靜差，但過強的積分作用會使超調(diào)加劇，甚至引起振蕩;減小積分系數(shù)Ki雖然有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，避免振蕩，減小超調(diào)量，但又對系統(tǒng)消除靜差不利。

(3)微分系數(shù)Kd

微分調(diào)節(jié)作用主要是針對被控對象的大慣性改善動態(tài)特性，它能給出響應(yīng)過程提前制動的減速信號。它有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定;同時加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性。Kd值對響應(yīng)過程影響非常大。若增加微分作用Kd，有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，增加穩(wěn)定性，但也會帶來擾動敏感，抑制外干擾能力減弱，若Kd過大則會使響應(yīng)過程過分提前制動從而延長調(diào)節(jié)時間；反之，若Kd過小，調(diào)節(jié)過程的減速就會滯后，超調(diào)量增加，系統(tǒng)響應(yīng)變慢，穩(wěn)定性變差。

控制卡是工作臺控制的核心，編碼器的反饋信號與控制卡形成位置閉環(huán)控制?？刂瓶òl(fā)位置脈沖量，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后輸出±10 V的模擬量給驅(qū)動器進行速度控制。這些變量在系統(tǒng)性能的調(diào)試及程序控制必須用到，在作系統(tǒng)性能調(diào)試之前必須將控制卡的PID參數(shù)設(shè)置合適的值，以便系統(tǒng)能正常工作。

遵循先加比例再加積分最后加微分的原則，先調(diào)整系統(tǒng)的位置曲線(階躍響應(yīng))，然后調(diào)整系統(tǒng)的速度曲線(跟隨誤差)。通過總結(jié)曲線設(shè)置適當?shù)谋壤鲆婧臀⒎衷鲆妫{(diào)整出比較理想的曲線，見圖7。從曲線上可以看出，系統(tǒng)不僅響應(yīng)比較快而且命令位置與實際位置重合的很好，穩(wěn)態(tài)誤差很小。

圖7 跟隨誤差曲線

圖8 速度曲線

在調(diào)整完系統(tǒng)位置曲線后，接下來進行速度曲線的調(diào)整，這個過程是調(diào)整運動軸在運動中實際速度與命令速度的跟隨情況，以及調(diào)整跟隨誤差的大小?？刂破髦械乃俣惹梆佋鲆婕凹铀俣惹梆佋鲆孢@兩個參數(shù)用于消除系統(tǒng)運行中的跟隨誤差，速度前饋增益減小由于阻尼(與速度成正比)引入的跟隨誤差，加速度前饋增益較小或消除由于系統(tǒng)慣性(與加速度成正比)帶來的跟隨誤差。

圖9 x軸位置曲線

圖10 位置曲線的局部放大圖

從圖9中可以看出，實際位置曲線x軸從5 300到達6 300時，對應(yīng)的時間軸坐標為0.185到0.220，因為一個脈沖對應(yīng)1 μm，實際運行的距離為1 mm，所用時間為35 ms，速度指標達到了設(shè)計要求；從圖10中可以看出到達目標位置時有輕微的滯后和震蕩，但震蕩幅度在15 μm以下，滯后時間也沒有超過10 ms,能滿足實際要求。

6 結(jié)論

由測試結(jié)果可以得出，采用伺服電機驅(qū)動，以絲桿副和直線導(dǎo)軌副為執(zhí)由測試結(jié)果可以得出，采用伺服電機驅(qū)動，以絲桿副和直線導(dǎo)軌副為執(zhí)行機構(gòu)的晶片臺控制系統(tǒng)，其運行速度完全達到了設(shè)計指標，能夠滿足實際需要；但是由于此種機構(gòu)的固有特性，如慣量大，因此機構(gòu)運行到目標位置時，有時間上的滯后和輕微的震動。

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