運動規(guī)劃在擺臂機構(gòu)上的應(yīng)用分析

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(dǎo)體產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、交通、通信等領(lǐng)域。相應(yīng)的，市場上對半導(dǎo)體封裝設(shè)備的要求也日漸提高，這使得半導(dǎo)體設(shè)備制造商需要不斷改進工藝來滿足市場需求。

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

目前，多數(shù)情況是通過改變擺臂的材料及其結(jié)構(gòu)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(guī)劃。本文通過運用S形速度曲線規(guī)劃和PID調(diào)節(jié)，對擺臂機構(gòu)的兩個伺服電機進行運動規(guī)劃，根據(jù)擺臂機構(gòu)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(gòu)的振動問題，提高了設(shè)備的性能和產(chǎn)品的品質(zhì)。

1 擺臂機構(gòu)原理及固有頻率分析

1.1 擺臂機構(gòu)工作原理

擺臂機構(gòu)有兩個伺服電機構(gòu)成，分別帶動擺臂進行θ向旋轉(zhuǎn)和Z向上下運動，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。θ向機構(gòu)和Z向機構(gòu)之間通過四聯(lián)桿進行聯(lián)接，固晶臂在做θ向旋轉(zhuǎn)的同時，Z向機構(gòu)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(zhuǎn)到吸晶位置經(jīng)過Z向運動從藍膜上拾取芯片，然后運動到固晶位置經(jīng)過Z向運動將芯片置于料架上。

圖1 擺臂機構(gòu)構(gòu)成示意圖

1.2 擺臂固有頻率分析

擺臂機構(gòu)的固晶臂在做高速θ向運動時，通過高速攝像儀發(fā)現(xiàn)在其拾放晶片時會產(chǎn)生一定的振動。從振動學(xué)知識上分析，固晶壁產(chǎn)生振動的原因：(1)外部激勵頻率與系統(tǒng)固有頻率比較接近導(dǎo)致系統(tǒng)動剛度大幅度降低，從而導(dǎo)致振動發(fā)生；(2)系統(tǒng)的固有頻率遠(yuǎn)大于外部激勵頻率，系統(tǒng)靜剛度比較低從而導(dǎo)致振動現(xiàn)象的發(fā)生。而機械機構(gòu)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(tài)分析[1]，得出其固有頻率，在機械設(shè)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(gòu)的運動進行觀察發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)機械結(jié)構(gòu)在一定程度上提高了機構(gòu)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(gòu)的動作做相應(yīng)的運動規(guī)劃，進一步抑制機構(gòu)的振動，提高整機設(shè)備的效率。

2 擺臂機構(gòu)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整機系統(tǒng)由上位機和下位機構(gòu)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(qū)動機構(gòu)有兩個伺服電機構(gòu)成?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 運動控制系統(tǒng)圖

整個擺臂機構(gòu)的控制系統(tǒng)是一個半閉環(huán)的伺服控制系統(tǒng)。其原理是：工控機作為系統(tǒng)的界面管理和圖像處理功能單元，負(fù)責(zé)整機的程序規(guī)劃，并向控制卡傳遞指令完成具體的運動。伺服驅(qū)動器接受控制卡發(fā)出的模擬電壓控制伺服電機驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動，伺服電機編碼器將反饋值傳回驅(qū)動器，控制卡根據(jù)從驅(qū)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(qū)動器，形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。由于執(zhí)行機構(gòu)沒有采用光柵尺進行位置反饋，所以整個系統(tǒng)不是一全閉環(huán)系統(tǒng)。為滿足高速高精度的要求，整個擺臂機構(gòu)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(wěn)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(yīng)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(xù)變化，使速度變化平滑，運動更平穩(wěn)。

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(yīng)快，但是存在加速度的突變，容易引起機構(gòu)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(shù)關(guān)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(gòu)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(guī)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(guī)律[3]。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5所示。

PID控制算法的動態(tài)方程為：

傳遞函數(shù)為：

其中在式(5)、(6)中：

u(t)——控制系統(tǒng)輸入

e(t)——控制系統(tǒng)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(diào)整的參數(shù)，即：kp、Ti和 Td。

提高比例系數(shù)kp可提高系統(tǒng)響應(yīng)性，但kp如果過大會引起超調(diào)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，如果kp值過小又會造成系統(tǒng)響應(yīng)過慢，調(diào)節(jié)時間過長。加大積分系數(shù)有利于減少系統(tǒng)靜差，但是過大會造成超調(diào)引起振蕩，過小又對系統(tǒng)消除靜差不利。增加微分作用有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，增加穩(wěn)定性，但過大會使響應(yīng)過程提前制動從而延長調(diào)節(jié)時間，反之則會使調(diào)節(jié)過程滯后，響應(yīng)變慢。因此PID調(diào)節(jié)中的3個參數(shù)需要分別設(shè)置成一個合適的值，才能使系統(tǒng)控制達到最優(yōu)。在控制環(huán)節(jié)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(guī)劃上采用高加速低減速的S形速度曲線。

圖5 典型控制系統(tǒng)圖

擺臂機構(gòu)中采用富士β電機(100 W)，通過反復(fù)實驗，對固晶臂的各項參數(shù)進行調(diào)試，固晶臂在吸晶與固晶之間的動作參數(shù)如表1所示。

表1 運控參數(shù)表

通過調(diào)節(jié)曲線設(shè)置，調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)腜ID參數(shù)，調(diào)整出比較理想的曲線如圖6和圖7所示。

通過實驗對比，得出擺臂機構(gòu)固晶臂的動作時間及調(diào)整時間如表2所示。

從表2中可以看出，T形速度曲線模式下，由于存在加速度突變的原因，引起振動量比較大，導(dǎo)致調(diào)節(jié)時間過長。而S形速度曲線模式下，速度比較平滑，振動量小，調(diào)節(jié)時間比較短。

圖6 S形規(guī)劃-跟蹤速度曲線

圖7 T形規(guī)劃-跟蹤速度曲線

表2 測量結(jié)果

5 結(jié) 論

由測試結(jié)果可以得出，在擺臂機構(gòu)的運動過程中，采用模擬量PID控制及S形速度曲線規(guī)劃，可以有效地抑制固晶臂在吸固晶時產(chǎn)生的振動，彌補了單靠機械自身抑制振動的不足。提高了設(shè)備的精度和產(chǎn)品的品質(zhì)。從而驗證了運動規(guī)劃在擺臂機構(gòu)上的重要性。

[1] 郎平，郭東.COSMOS在LED粘片機芯片拾取臂振動分析中的應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2011(5):22-23.

[2] 李曉輝，鄔義杰，冷洪濱.S曲線加減速控制新方法的研究[J].2007，(10):50-52

[3] 陶永華主編.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.