徐品烈，任紹彬，郝 靖

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第四十五研究所，北京東燕郊 101601)

裝片機(jī)的主要功能是完成芯片的識(shí)別檢測(cè)與貼裝任務(wù)，設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，送料部分送入粘貼用的芯片和引線框架，視覺(jué)檢測(cè)部分對(duì)芯片進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)合格的芯片，由拾取機(jī)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(tái)(Wafer Stage)用于放置晶圓并與圖像識(shí)別系統(tǒng)相配合，圖像系統(tǒng)對(duì)藍(lán)膜上滑切分割后的芯片進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別，對(duì)檢測(cè)合格的芯片，給出位置信息，控制晶片臺(tái)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(zhǔn)確地完成對(duì)芯片的貼裝。

1 晶片臺(tái)系統(tǒng)的構(gòu)成

晶片臺(tái)機(jī)構(gòu)根據(jù)CCD相機(jī)測(cè)量的數(shù)據(jù)，完成自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)功能，要求在對(duì)準(zhǔn)的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)精確的定位和快速的運(yùn)動(dòng)。晶片臺(tái)系統(tǒng)主要由圖像采集和處理部分、運(yùn)動(dòng)控制部分、伺服驅(qū)動(dòng)及電機(jī)、晶片臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)四部分組成，組成示意如圖1。

圖1 晶片臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

1.1 圖像

視覺(jué)檢測(cè)主要是利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，通過(guò)圖像處理、模式識(shí)別方法，對(duì)芯片圖像進(jìn)行分析和處理，完成芯片的定位與缺陷檢測(cè)等功能。視覺(jué)檢測(cè)對(duì)芯片的定位，可以把芯片位置的精確信息傳遞給運(yùn)動(dòng)控制模塊，使控制模塊能夠根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)調(diào)整控制參數(shù)，光源、鏡頭、CCD攝像機(jī)、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(jì)算機(jī)進(jìn)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(yùn)動(dòng)控制參數(shù)，傳遞給運(yùn)動(dòng)控制部分；視覺(jué)檢測(cè)的主要任務(wù)是完成芯片的定位和缺陷檢測(cè)，給出運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)。定位用于確定芯片的精確位置，進(jìn)行缺陷檢測(cè)和拾??；缺陷檢測(cè)則要完成墨點(diǎn)、缺角、崩邊、角度、緊鄰芯片等檢測(cè)。

1.2 運(yùn)動(dòng)控制

運(yùn)動(dòng)控制是粘片機(jī)控制系統(tǒng)的核心部分。所謂運(yùn)動(dòng)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(jī)械運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控目標(biāo)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(jì)算得出的運(yùn)動(dòng)命令以數(shù)字脈沖信號(hào)或模擬電壓信號(hào)的形式送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中；驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功率變換，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)根據(jù)上位控制指令轉(zhuǎn)動(dòng)；電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)行，這樣便可以得到預(yù)期的運(yùn)動(dòng)形式。在閉環(huán)系統(tǒng)中，還需要檢測(cè)反饋裝置將檢測(cè)到的位置反饋到驅(qū)動(dòng)器或上位控制器中。

1.3 伺服驅(qū)動(dòng)及電機(jī)

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(cè)元件，直接裝在伺服電機(jī)或絲杠端部，伺服電機(jī)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(jī)械傳動(dòng)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(duì)于傳動(dòng)鏈上的間隙及誤差不能通過(guò)反饋校正，但可采用軟件定值補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)適當(dāng)提高其精度。

1.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

晶片臺(tái)為滾珠絲杠微米級(jí)精密x-y平臺(tái)，包含x、y兩個(gè)軸，分別由兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。每個(gè)方向各有一幅直線導(dǎo)軌幅，每條導(dǎo)軌上各有兩個(gè)滑塊，晶片臺(tái)采用正交十字形結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 晶片臺(tái)機(jī)構(gòu)三機(jī)械位實(shí)體圖

為了達(dá)到該設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)，對(duì)該機(jī)構(gòu)提出的性能指標(biāo)為：

x向最大行程:200 mm，1 mm行程的定位精度：±5 μm，運(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)間小于 45 ms。

2 晶片臺(tái)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(jī)為工控機(jī)，下位機(jī)為多軸運(yùn)動(dòng)控制卡。采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，編碼器位置反饋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制?？刂平Y(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3。

該伺服控制系統(tǒng)是一個(gè)半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，它的控制原理為：工業(yè)PC機(jī)作為上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理功能和整機(jī)協(xié)調(diào)功能，與固高運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)網(wǎng)口通訊。根據(jù)晶片臺(tái)的測(cè)試要求，由工業(yè)PC機(jī)發(fā)出運(yùn)動(dòng)控制指令，固高運(yùn)動(dòng)控制器按照接受到PC機(jī)的指令進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制，固高運(yùn)動(dòng)控制器在接受指令信號(hào)后，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)換和放大后，驅(qū)動(dòng)x、y電機(jī)來(lái)對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行控制，工作臺(tái)運(yùn)行到相應(yīng)位置后，固高運(yùn)動(dòng)控制器再根據(jù)編碼器的位置信息反饋信號(hào)把相關(guān)位置信息反饋給工業(yè)PC機(jī)。其中，編碼器把信號(hào)直接反饋給驅(qū)動(dòng)器，形成位置反饋的半閉環(huán)控制，而伺服驅(qū)動(dòng)器把晶片臺(tái)的位置信息再反饋給固高運(yùn)動(dòng)控制器，從固高運(yùn)動(dòng)控制器再形成位置環(huán)的閉環(huán)控制。

晶片臺(tái)采用編碼器反饋的半閉環(huán)控制方式來(lái)控制伺服電機(jī)進(jìn)行工作,控制原理如圖3所示：整機(jī)主控工控機(jī)向控制模塊發(fā)送信號(hào)指令，驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使工作臺(tái)移動(dòng)。同時(shí)，x、y各軸編碼器記錄晶片臺(tái)移動(dòng)的距離，晶片臺(tái)移動(dòng)到指定的位置后，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器把工作臺(tái)運(yùn)行的相關(guān)位置信號(hào)反饋回工控機(jī)，并根據(jù)工控機(jī)的指令要求，進(jìn)行相應(yīng)的工作。

圖3 晶片臺(tái)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(tái)x、y方向運(yùn)行的綜合精度，還可以克服長(zhǎng)時(shí)間使用后，絲杠磨損對(duì)工作臺(tái)精度的影響，也可以提高x、y軸運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

3 伺服電機(jī)的選擇

固高多軸運(yùn)動(dòng)控制器是基于VME總線的運(yùn)動(dòng)控制器，與PC機(jī)通過(guò)網(wǎng)口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，它與PC機(jī)構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)：PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面管理和控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面的工作(例如鍵盤和鼠標(biāo)的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、控制指令的發(fā)送、外部信號(hào)的監(jiān)控等)；核心的運(yùn)動(dòng)控制及多軸之間的邏輯配合都可在多軸運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)完成，達(dá)到高速、高精度實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制功能。

交流伺服電機(jī)不僅用來(lái)實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換，而且還用作機(jī)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、檢測(cè)、執(zhí)行、控制、反饋等，在機(jī)電一體化設(shè)備中得到廣泛的使用。近年來(lái)，隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)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(dòng)具備了調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)，因此也常被用在控制系統(tǒng)中。

在此設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jī)。

下面以x軸電機(jī)的選擇為例，進(jìn)行電機(jī)的選型計(jì)算。

(1)最大速度(Vmax)

在連續(xù)運(yùn)行時(shí)，x軸主要用于芯片相對(duì)于拾取點(diǎn)的偏移量，其移動(dòng)距離較小,一般最大為1 mm。

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

(2)負(fù)載慣性矩計(jì)算(JL)

絲杠(J1)φ12 mm，長(zhǎng)度200 mm，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為JB：

可動(dòng)部分質(zhì)量10 kg，則可動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為JT：

全慣性慣量：JL=JB+JT=2.86×10-5(kg·m2)

(3)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算(TL)

可動(dòng)部分質(zhì)量10 kg、摩擦系數(shù)(μ)0.03、機(jī)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(jī)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(dòng)器，此款驅(qū)動(dòng)器即可以接受脈沖量信號(hào)進(jìn)行位置控制，也可以接收模擬量進(jìn)行速度、轉(zhuǎn)矩控制，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)有先進(jìn)的速度環(huán)PID控制器。

(5)最短加/減速時(shí)間計(jì)算(tac)

最短加速/減速為0.015 s時(shí)的加速/減速轉(zhuǎn)矩：

(6)運(yùn)行模式

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

圖4 運(yùn)行模式及轉(zhuǎn)矩曲線

計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)矩：

因?yàn)镾GMJV-01ADA21，此電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩在0.318 Nm，可以在指定的運(yùn)行模式下連續(xù)運(yùn)行。

4 閉環(huán)控制分析

固高運(yùn)動(dòng)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(hào)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(bǔ)計(jì)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(cè)量組件反饋的坐標(biāo)軸實(shí)際位置，經(jīng)誤差補(bǔ)償后形成真正的坐標(biāo)軸實(shí)際位置；理論位置和實(shí)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(jìn)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(dòng)單元速度環(huán)的輸入速度指令，由伺服單元驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)按誤差的位置控制。在一個(gè)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(tái)控制系統(tǒng)的實(shí)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(xiàng)，能改善系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)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(gè)放大倍數(shù)可調(diào)整的放大器，控制器的輸出信號(hào)成比例地反應(yīng)輸入信號(hào)。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(duì)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(guò)大會(huì)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(guò)小，能使系統(tǒng)減少超調(diào)量，穩(wěn)定裕度增大，但會(huì)降低系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。

(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(guò)強(qiáng)的積分作用會(huì)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(duì)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(duì)被控對(duì)象的大慣性改善動(dòng)態(tài)特性，它能給出響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)的減速信號(hào)。它有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定;同時(shí)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。Kd值對(duì)響應(yīng)過(guò)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(huì)帶來(lái)擾動(dòng)敏感，抑制外干擾能力減弱，若Kd過(guò)大則會(huì)使響應(yīng)過(guò)程過(guò)分提前制動(dòng)從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間；反之，若Kd過(guò)小，調(diào)節(jié)過(guò)程的減速就會(huì)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(tái)控制的核心，編碼器的反饋信號(hào)與控制卡形成位置閉環(huán)控制。控制卡發(fā)位置脈沖量，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后輸出±10 V的模擬量給驅(qū)動(dòng)器進(jìn)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(guò)總結(jié)曲線設(shè)置適當(dāng)?shù)谋壤鲆婧臀⒎衷鲆?，調(diào)整出比較理想的曲線，見(jiàn)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(shí)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(lái)進(jìn)行速度曲線的調(diào)整，這個(gè)過(guò)程是調(diào)整運(yùn)動(dòng)軸在運(yùn)動(dòng)中實(shí)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(gè)參數(shù)用于消除系統(tǒng)運(yùn)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(lái)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(shí)際位置曲線x軸從5 300到達(dá)6 300時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間軸坐標(biāo)為0.185到0.220，因?yàn)橐粋€(gè)脈沖對(duì)應(yīng)1 μm，實(shí)際運(yùn)行的距離為1 mm，所用時(shí)間為35 ms，速度指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；從圖10中可以看出到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)有輕微的滯后和震蕩，但震蕩幅度在15 μm以下，滯后時(shí)間也沒(méi)有超過(guò)10 ms,能滿足實(shí)際要求。

6 結(jié)論

由測(cè)試結(jié)果可以得出，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以絲桿副和直線導(dǎo)軌副為執(zhí)由測(cè)試結(jié)果可以得出，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以絲桿副和直線導(dǎo)軌副為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的晶片臺(tái)控制系統(tǒng)，其運(yùn)行速度完全達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，能夠滿足實(shí)際需要；但是由于此種機(jī)構(gòu)的固有特性，如慣量大，因此機(jī)構(gòu)運(yùn)行到目標(biāo)位置時(shí)，有時(shí)間上的滯后和輕微的震動(dòng)。

[1] THK CO.,LTD.THK綜合商品目錄,CATALOG，.No.300-4T[Z].

[2] 胡裕德馬樂(lè)生.伺服系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，1993.

[3] 劉政華何將三等編著.機(jī)械電子學(xué)[M].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，年.

[4] 魏俊民周硯江.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)紡織工業(yè)出版社，1998.

[5] 陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002，9.