張 偉，閆啟亮

(北京中電科電子裝備有限公司，北京 101601)

全自動晶圓劃片機(jī)是利用金剛石薄片砂輪在高速旋轉(zhuǎn)時的切削能力，對硅片、玻璃、陶瓷等進(jìn)行切割的全自動設(shè)備，主要以點(diǎn)位運(yùn)動為主體的運(yùn)動控制系統(tǒng)，如抓-放晶圓、步進(jìn)劃切、高速回位和自動對焦等對運(yùn)動控制要求比較高的部分，為了保證系統(tǒng)在起動或停止時不產(chǎn)生沖擊、失步、超程或振蕩，根據(jù)被控對象的特性和要求，設(shè)計其加減速運(yùn)動規(guī)律，從而使系統(tǒng)在各種情況下都能平滑而又準(zhǔn)確的停留在給定的位置。全自動晶圓劃片機(jī)對定位精度要求是微米級的高速高精運(yùn)動控制系統(tǒng)，加減速方式及算法的選擇直接影響到運(yùn)動控制系統(tǒng)的運(yùn)動精度和運(yùn)動效率。

1 運(yùn)動控制流程

全自動晶圓劃片機(jī)主要完成上料、晶圓的傳送、自動圖像對準(zhǔn)、劃切晶圓和晶圓的清洗等操作，全自動劃切流程如圖1所示，①用下機(jī)械臂將晶圓從晶圓料盒中取出，在預(yù)對準(zhǔn)臺進(jìn)行中心定位后，搬運(yùn)到劃切工作臺→自動對準(zhǔn)→進(jìn)行劃切作業(yè)→②用上機(jī)械臂將晶圓從劃切工作臺搬運(yùn)到離心清洗臺→進(jìn)行清洗、干燥作業(yè)→③用下機(jī)械臂將晶圓放回到晶圓料盒內(nèi)。影響劃片機(jī)效率的主要因素是劃切過程中x軸、y軸和z軸的高速運(yùn)動中的精度控制。如何保證劃切工作臺中x軸、y軸和z軸的運(yùn)動是保證高精度、高效率的關(guān)鍵。傳統(tǒng)直線或圓弧的直接插補(bǔ)方法難以實(shí)現(xiàn)劃片機(jī)快速高精度的點(diǎn)位運(yùn)動模式的性能要求。因此，可以通過精確計算運(yùn)動的時間和位移，進(jìn)行時間控制和行程檢測，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位運(yùn)動的要求。

圖1 全自動劃切流程

以全自動劃片機(jī)中劃切部分的運(yùn)動過程為例進(jìn)行分析。劃切部分的運(yùn)動過程分為以下五部分：①y軸電機(jī)不動，z軸電機(jī)啟動，帶動空氣主軸經(jīng)過t1時刻從z=z1運(yùn)動到z=z2，同時系統(tǒng)計算延時時間t1，并進(jìn)行行程檢測；②z軸電機(jī)停止，y軸電機(jī)啟動，步進(jìn)設(shè)定距離到y(tǒng)1；③z軸電機(jī)停止，y軸電機(jī)停止，x軸電機(jī)啟動并高速到達(dá)設(shè)定的劃切位置；④y軸電機(jī)停止，z軸電機(jī)運(yùn)行，并高速下降到設(shè)定的劃切高度，系統(tǒng)進(jìn)行行程檢測；⑤y軸電機(jī)停止，z軸電機(jī)停止，x軸以設(shè)定的劃切進(jìn)刀速度運(yùn)行到x1，同時系統(tǒng)進(jìn)行行程檢測。因此，全自動劃切過程要連續(xù)工作，必須不斷完成以上運(yùn)動的循環(huán)，同時，每一部分運(yùn)動都要進(jìn)行精確的時間計算和行程檢測，以確保運(yùn)動控制精度。

2 存在的問題

以前的運(yùn)動控制系統(tǒng)采用T形曲線加減速模式，運(yùn)動曲線圖如2所示。

圖2 T形運(yùn)動曲線

由運(yùn)動曲線圖可知，T形曲線加減速控制算法簡單，運(yùn)動時間短，容易實(shí)現(xiàn)，但存在不足，首先和伺服電機(jī)的特性不能很好配合。因?yàn)槿魏我环N伺服電機(jī)到達(dá)高速區(qū)，都必然會產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩的下降，而T形曲線加減速方式在整個加減速過程中的角加速度不變，這就要求伺服進(jìn)給系統(tǒng)不論在何種轉(zhuǎn)速下都要提供同樣的加速轉(zhuǎn)矩。因此，在設(shè)計進(jìn)給系統(tǒng)時只能按電機(jī)最高轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)矩來選取加速度，使得電機(jī)的特性得不到充分發(fā)揮；其次，對于T形曲線加減速，由于速度變化過程中加速度不連續(xù)，存在當(dāng)系統(tǒng)由靜止?fàn)顟B(tài)啟動時，起動加速度大，引起加速過程對機(jī)械部件的沖擊，限制了加速度的提高，當(dāng)加減速結(jié)束時，加速度突變?yōu)榱悖蚨伯a(chǎn)生較大的沖擊。由圖2可以看出，由于加速度的不連續(xù)，使得電機(jī)在起動瞬間、從加速過程向勻速過程、勻速過程向減速過程轉(zhuǎn)換的瞬間及停止瞬間都會有一個柔性沖擊，這些沖擊使系統(tǒng)產(chǎn)生一定的振動。這種加減速控制方法不是柔性加減速，不適合用于高速、高精度運(yùn)動控制系統(tǒng)中，不能很好的滿足全自動劃片機(jī)的高速、高精度和高效率的要求，而采用S曲線加減速規(guī)劃運(yùn)動控制模式，能滿足劃片機(jī)在工作過程中，確保運(yùn)動平穩(wěn)、高精度和高速等方面的要求。

3 S曲線加減速原理

S曲線加減速的稱法是由系統(tǒng)在加減速階段的速度曲線形狀呈S型而得來的。S曲線加減速控制是指在加減速時，使其加速度的導(dǎo)數(shù)（Jerk）da/dt為常數(shù)，通過對Jerk值的控制來最大限度地減小對機(jī)械系統(tǒng)造成的沖擊。另外，通過加速度和Jerk兩個物理量的參數(shù)設(shè)定或編程設(shè)定可實(shí)現(xiàn)柔性加減速控制，以適應(yīng)不同種類運(yùn)動機(jī)構(gòu)的情況。加加速度J、加速度a、進(jìn)給率v和軌跡指令位置s的運(yùn)動時間輪廓如圖3所示。

圖3 S曲線加減速圖示

正常情況下的S曲線加減速，其運(yùn)行過程可以分為7段：加加速段、勻加速段、減加速段、勻速段、加減速段、勻減速段、減減速段。從圖3我們可以將加速度a、進(jìn)給率v和軌跡位移s表示為：

(1)式中t為時間坐標(biāo)ti(i=0，1，2，…，7)表示各個階段的過渡點(diǎn)時刻；ti(i=1，2，…，7)為局部時間坐標(biāo)，表示以各個階段的起始點(diǎn)作為時間零點(diǎn)的時間表示，τi=t-ti-1(i=1，2，…，7)；Ti=(i=1，2，…，7)為各個階段的持續(xù)運(yùn)行時間。

利用加速度、速度和位移對加加速度的積分關(guān)系，可以依次推導(dǎo)出加速度a、速度v、位移s的計算公式分別為：

4 算法應(yīng)用和仿真

全自動劃片機(jī)的全自動運(yùn)動過程中既有短距離的運(yùn)動，又有長距離的運(yùn)動，特別是在劃切過程中有0.1 mm左右的步進(jìn)運(yùn)動距離，遵循時間最短的原則，以達(dá)到最高的效率。將S曲線加減速規(guī)劃算法寫入到運(yùn)動控制卡中，運(yùn)動通過DoMove(ProfileConfigScurve&cfg，boolrelative=false)語句來完成，設(shè)定速度初始值v0，速度上限vmax，加速度上限 amax，Jerk上限 Jmax和位置量 s，則DoMove 語句中的 cfg 配置 pos=s，vel=vmax，acc=amax，jrk=Jmax，按照運(yùn)動距離的長短來設(shè)計時間段。按照S曲線規(guī)劃對運(yùn)動控制進(jìn)行不同參數(shù)的仿真，速度 vel的單位為 r/m in，加速度 acc的單位為 r/s2，Jerk的單位為 r/s3，仿真結(jié)果如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

圖7 v el=2500，a cc=1300，j rk=1500 S曲線圖

5 結(jié) 語

高速、高精度運(yùn)動系統(tǒng)要求運(yùn)動過程中速度變化盡可能平穩(wěn)，即要求系統(tǒng)加減速具有高度的柔性。傳統(tǒng)的直線型加減速和指數(shù)型加減速算法在進(jìn)給過程中存在柔性沖擊，不適于高速、高精度系統(tǒng)。為此，本文對S曲線加減速算法進(jìn)行了深入研究，詳細(xì)介紹了該算法的原理及公式計算，并將其算法應(yīng)用于全自動晶圓劃片機(jī)的各個運(yùn)動過程中。通過實(shí)例表明，S型曲線加減速算法能克服傳統(tǒng)加減速算法的缺點(diǎn)，獲得平滑的速度和加速度圖，實(shí)現(xiàn)了全自動晶圓劃片機(jī)的高速、高精度的運(yùn)行。

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