高精度激光切割運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄭佳晶，張金鳳，雒曉文

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176）

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高精度激光切割運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄭佳晶，張金鳳，雒曉文

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176）

介紹了激光切割運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及原理；設(shè)計(jì)基于GALIL運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，采用全閉環(huán)的運(yùn)動(dòng)控制方式，使系統(tǒng)的精度和加工質(zhì)量都得到提高；經(jīng)過(guò)工藝實(shí)驗(yàn)及測(cè)試，可滿足當(dāng)前切割工藝對(duì)設(shè)備精度的要求，并獲得客戶的認(rèn)可。

激光切割；GALIL運(yùn)動(dòng)控制卡；全閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制；伺服電機(jī)

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展以及激光技術(shù)深入半導(dǎo)體行業(yè)，激光已經(jīng)在半導(dǎo)體領(lǐng)域多道工序取得成功應(yīng)用。廣為熟知的激光打標(biāo)，使得精細(xì)的半導(dǎo)體芯片標(biāo)識(shí)不再是個(gè)難題。激光切割半導(dǎo)體晶圓，一改傳統(tǒng)接觸式刀輪切割弊端，解決了諸如刀輪切割易崩邊、切割慢、易破壞表面結(jié)構(gòu)等諸多問(wèn)題。近年來(lái)光電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，高集成度和高性能的半導(dǎo)體晶圓需求不斷增長(zhǎng)，硅、碳化硅、藍(lán)寶石、玻璃以及磷化銦等材料作為襯底材料被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體晶圓領(lǐng)域。隨著晶圓集成度大幅提高，晶圓趨向于輕薄化及晶粒密集度的顯著增加，對(duì)激光加工設(shè)備的精度性能提出了更高的要求。本文主要對(duì)激光切割設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用全閉環(huán)的控制方式，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高精度的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，經(jīng)客戶使用和測(cè)試，可以滿足目前激光切割對(duì)工作臺(tái)精度的要求。

1　激光切割設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

如圖1所示，應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)的激光切割設(shè)備是精細(xì)微加工設(shè)備的一種，它是一臺(tái)集光纖激光器、工控機(jī)、伺服運(yùn)動(dòng)控制、電氣控制、檢測(cè)技術(shù)等于一體的自動(dòng)化設(shè)備，從外觀上來(lái)說(shuō)，主要有兩大部分組成：機(jī)械部分和電氣控制部分。機(jī)械部分主要包括加工平臺(tái)、大理石平臺(tái)（主要用于保證加工平臺(tái)的穩(wěn)定性和精度要求）、氣動(dòng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備整體機(jī)架、光纖激光器等。電氣控制部分主要包括工控機(jī)操作界面、伺服運(yùn)動(dòng)控制、電氣控制、檢測(cè)傳感器、CCD影像處理系統(tǒng)等。整個(gè)設(shè)備采用全封閉安全設(shè)計(jì)，加工時(shí)僅有前推拉門(mén)安全窗口觀察設(shè)備內(nèi)部的加工情況，安全窗口激光透過(guò)率僅僅是10-5，保證操作人員的安全。設(shè)備的每個(gè)可拆卸門(mén)板處安裝有傳感器，當(dāng)激光出射過(guò)程中任何一處傳感觸點(diǎn)未感應(yīng)則設(shè)備發(fā)生報(bào)警且激光出光中斷。設(shè)備主要應(yīng)用于GPP切割，藍(lán)寶石切割及碳化硅切割等。

產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)：定位精準(zhǔn)，加工精度高（xy軸定位精度：±3 μm，分辨率為0.1 μm，移動(dòng)速度≤150 mm/s，最小切割線寬10 μm）、加工效率高，滿足批量生產(chǎn)。

2　激光切割設(shè)備電氣控制系統(tǒng)

2.2.1電氣控制總體結(jié)構(gòu)圖

圖1　設(shè)備外觀圖

如圖2所示，整個(gè)設(shè)備采用xyzw四軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。xy軸采用 COPLEY驅(qū)動(dòng)器和AKRIBIS直線電機(jī)，直線電機(jī)優(yōu)點(diǎn)：定位精度高、反應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作安全可靠、壽命長(zhǎng)、機(jī)械摩擦損耗幾乎為零。xy平臺(tái)相互垂直疊加用于精確移動(dòng)工件位置，x軸平臺(tái)安裝于大理石基臺(tái)實(shí)現(xiàn)x方向的精確位置驅(qū)動(dòng)，y軸垂直安裝于x軸之上實(shí)現(xiàn)y方向的精確位置驅(qū)動(dòng)。z軸安裝于大理石龍門(mén)架上，實(shí)現(xiàn)激光焦點(diǎn)的精確定位，Z軸采用松下A5系列伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，采用位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。其重復(fù)精度為4 μm，移動(dòng)速度≤25 mm/s，分辨率為0.1 μm。w軸采用安川DD電動(dòng)機(jī)，構(gòu)成旋轉(zhuǎn)承片臺(tái)，實(shí)現(xiàn)承片臺(tái)的旋轉(zhuǎn)功能，運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)如圖3所示。

圖2　電氣控制總體結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)GALIL運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行精確控制，GALIL運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)改變發(fā)出脈沖的頻率來(lái)改變電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)改變發(fā)出脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)改變電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式，脈沖計(jì)數(shù)可用于編碼器的位置反饋，構(gòu)成位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，來(lái)檢測(cè)機(jī)器運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確位置，時(shí)時(shí)糾正電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。同時(shí)，GALIL運(yùn)動(dòng)控制卡與工控機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，以便用上位機(jī)界面可以精確、方便地控制電機(jī)的運(yùn)行，從而更好地進(jìn)行工件的精細(xì)切割。

圖3　工作臺(tái)結(jié)構(gòu)

2.2.2GALIL卡運(yùn)動(dòng)控制模塊

如圖4所示，GALIL卡運(yùn)動(dòng)控制模塊主要包括各個(gè)軸的正、負(fù)、原點(diǎn)限位信號(hào)、GALIL運(yùn)動(dòng)控制核心、電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行部件。在一般的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備中，設(shè)備上安裝的限位開(kāi)關(guān)都是機(jī)械開(kāi)關(guān)或者光電開(kāi)關(guān)，這兩種開(kāi)關(guān)都有一定的缺陷。機(jī)械開(kāi)關(guān)有一定的彈性變化范圍，用的時(shí)間稍長(zhǎng)后，其彈性系數(shù)會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)也會(huì)有一定的機(jī)械磨損，這些都會(huì)帶來(lái)位置偏差，而光電開(kāi)關(guān)本身具有一定的感應(yīng)范圍，電機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度和方向不同時(shí)，都會(huì)帶來(lái)一定的偏差，而本文設(shè)計(jì)的x、y、z軸的限位信號(hào)采用的是光柵尺自帶的標(biāo)刻限位，比一般的光電限位更加精確。在這里限位信號(hào)的主要作用是：（1）防止電機(jī)出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行到正負(fù)限位時(shí)，就自動(dòng)停止運(yùn)動(dòng)，防止對(duì)設(shè)備造成破壞。（2）起到坐標(biāo)定位的作用。設(shè)備第一次上電時(shí)，電機(jī)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，進(jìn)行尋向操作，尋找到設(shè)備的正負(fù)限位及原點(diǎn)。具體過(guò)程如下：上電后，x、y、z軸電機(jī)依次向規(guī)定的正向運(yùn)動(dòng)，到正限位后，向相反的方向移動(dòng)，尋找到第一個(gè)原點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，繼續(xù)向負(fù)限位移動(dòng)，當(dāng)找到負(fù)限位后，電機(jī)向正向移動(dòng)，到達(dá)原點(diǎn)后，停止運(yùn)動(dòng)，然后y軸電機(jī)開(kāi)始重復(fù)這樣的操作，直到所有的電機(jī)完成此項(xiàng)操作，整個(gè)設(shè)備伺服系統(tǒng)的尋向過(guò)程才算完成。GALIL運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)發(fā)送脈沖信號(hào)和方向信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制電機(jī)的精確運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，光柵尺或者編碼器把信號(hào)反饋到驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器處理后再反饋給GALIL卡，GALIL卡接收到反饋的信號(hào)后時(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)送的脈沖信號(hào)，這個(gè)就構(gòu)成了一個(gè)完整的伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

2.2.3全閉環(huán)電機(jī)伺服系統(tǒng)

圖4　運(yùn)動(dòng)控制模塊圖

全閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理如下圖5所示，檢測(cè)裝置直接對(duì)整個(gè)工作臺(tái)的實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妳⒘亢蠓答伒捷斎攵伺c輸入信號(hào)相比較，把得到的差值經(jīng)過(guò)放大和變換，最后驅(qū)動(dòng)電機(jī)向減少誤差的方向移動(dòng)，直到差值等于零。常見(jiàn)的位置檢測(cè)器有編碼器、光柵尺、磁柵等。全閉環(huán)伺服系統(tǒng)將位置檢測(cè)器安裝在整個(gè)工作臺(tái)上，從而獲得整個(gè)工作臺(tái)精確的實(shí)際位置，其精度主要取決于工作臺(tái)上位置檢測(cè)器反饋數(shù)據(jù)的精度，其定位精度甚至可以達(dá)到亞微米量級(jí)，主要應(yīng)用于高精密的自動(dòng)化設(shè)備。

圖5　全閉環(huán)伺服系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的切割設(shè)備主要用于精細(xì)微加工切割，因此需要使用全閉環(huán)伺服系統(tǒng)，使用雷尼紹的光柵尺作為位置檢測(cè)器，用于整個(gè)加工臺(tái)面的位置檢測(cè)，然后反饋到驅(qū)動(dòng)器，最后反饋到控制卡，其最高精度可達(dá)±3 μm，很好地滿足了設(shè)備加工的要求。

3　運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)定及測(cè)試

運(yùn)動(dòng)調(diào)試軟件主要包括GALIL TOOLS及COPLEY驅(qū)動(dòng)器調(diào)試軟件CME2。GALIL運(yùn)動(dòng)控制卡采用脈沖、方向的控制方式，在驅(qū)動(dòng)器里實(shí)現(xiàn)電流環(huán)，速度環(huán)和位置環(huán)的PID參數(shù)的設(shè)定。電流環(huán)的調(diào)試采用自動(dòng)調(diào)試方式，速度環(huán)和位置環(huán)則采用人工手動(dòng)調(diào)試。調(diào)整位置比例因子Pp以減小跟隨誤差；將速度前饋因子和加速度前饋因子設(shè)為0；速度前饋因子Vff會(huì)產(chǎn)生跟隨誤差。在恒速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通常設(shè)為16384（100%），在加速或減速過(guò)程中加速度前饋因子會(huì)產(chǎn)生跟隨誤差，位置比例因子過(guò)大會(huì)引起震蕩。圖6為位置環(huán)調(diào)試運(yùn)動(dòng)曲線。

圖6　位置環(huán)調(diào)試運(yùn)動(dòng)曲線

控制系統(tǒng)調(diào)試后，對(duì)每個(gè)軸進(jìn)行了累計(jì)誤差和重復(fù)精度的測(cè)試，表1為測(cè)試結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的定位精度和重復(fù)精度都較高，可以進(jìn)行樣品切割實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，進(jìn)行了樣品的切割，運(yùn)行速度控制在150 mm/s，樣品如圖7所示，達(dá)到了客戶提出的技術(shù)要求。

表1　各軸累計(jì)誤差與重復(fù)精度記錄表

圖7　切割樣品圖

4　結(jié)　論

本文主要論述了高精度切割設(shè)備在半導(dǎo)體領(lǐng)域的成熟應(yīng)用。并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需要設(shè)計(jì)了較高精度的的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試及劃切實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了期望的運(yùn)行速度和精度。

本系統(tǒng)的實(shí)際作用在于提高了激光切割機(jī)的品質(zhì)，使加工的工件表面精度與質(zhì)量都得到大幅度的提高，整機(jī)的柔性與穩(wěn)定性也得到很大的改進(jìn)，使激光切割機(jī)的故障率降低，自動(dòng)化水平和工作效率得到提高。

［1］ 廖曉鐘，劉向東，王維升.控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［2］ 張文彬.激光加工中切割PZT陶瓷的控制改進(jìn)［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2016，45（2）：49-53.

［3］ 劉廣瑞.激光切割機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32（6）：71-73.

Design of High Precision Motion Control System for Laser Cutting

ZHENG Jiajing，ZHANG Jinfeng，LUO Xiaowen
（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China）

The structure and principle of the laser cutting motion control system are introduced in this paper.The motion control system is designed based on GALIL motion control card.The motion control method with full closed loop is used to improve the precision and machining quality of the system.By the process experiment and testing，the system can meet the current cutting process on the accuracy of the requirements of the equipment，and get customer acceptance and praise.

Laser cutting；GALIL motion control card；Full closed loop control；Servo motor

TN305

B

1004-4507（2016）09-0003-05

鄭佳晶（1986-），女，畢業(yè)于東北大學(xué)，研究生學(xué)歷，現(xiàn)在主要從事激光加工專用設(shè)備研究工作。

2016-08-01