劉玉倩，劉永進，宋文超

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京101601)

機械手可在空間抓放物體，動作靈活，廣泛應用于工業(yè)自動化設備。目前許多商品化的機械手大都采用封閉結構的專用控制系統(tǒng)，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在EPROM 中，這種專用系統(tǒng)很難進行擴展、修改或再集成外部硬件和軟件。本文所研究的機械手以半導體設備為應用實例，開發(fā)了氣、電混合驅(qū)動的三自由度圓柱坐標型機械手，并根據(jù)其控制要求設計了基于CAN 總線的機械手通信協(xié)議，可實現(xiàn)自動運送硅片或晶圓片到各個工藝位置，并且可根據(jù)晶圓片尺寸及工藝要求更改相關控制參數(shù)。

1 系統(tǒng)結構

在自動化生產(chǎn)線上，機械手一般由控制系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)以及機械本體執(zhí)行系統(tǒng)組成。執(zhí)行和驅(qū)動系統(tǒng)主要是通過啟動或其他動力來驅(qū)動機械部件的運轉(zhuǎn)來實現(xiàn)取件的功能?？刂葡到y(tǒng)是通過對驅(qū)動系統(tǒng)進行控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照預定的工藝進行操作。本文所研究的機械手結構如圖1所示。

圖1 機械手結構圖

本文所研究的機械手采用安川MP2300 運動控制卡作為下位機，與上位機之間采用CANopen 總線通訊，其控制系統(tǒng)通信拓撲結構如圖2所示。

2 CAN 總線通信協(xié)議的設計與實現(xiàn)

圖2 機械手CAN 總線通信原理圖

CANopen 為基于CAN 總線的高層協(xié)議，它基于CAN 總線的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，對應用層做出了相應的規(guī)定。一個CANopen 設備模型分成三部分：通訊接口、對象字典、應用程序。通訊接口提供在總線上發(fā)送和接收通訊對象的服務。對象字典描述了所有的數(shù)據(jù)類型、通訊對象以及設備制定的對象，是連接應用和通訊之間的媒介。應用層提供了內(nèi)部控制功能，也提供了與硬件連接的接口。本文基于CANopen 協(xié)議實現(xiàn)機械手的通訊。

2.1 通信協(xié)議設計原理

根據(jù)機械手的功能要求，設計PC 機與下位機之間的通信連接線，需要12 個輸入信號和12 個輸出信號來完成通信功能，具體的通信協(xié)議見下所述。PC 機輸出信號如表1所示。

PC 機輸入信號如表2所示。

2.2 軟件程序?qū)崿F(xiàn)

軟件編程的實現(xiàn)，在Windows 平臺下，使用VC++6.0 作為開發(fā)工具。Copley 公司提供了功能強大的復層運動控制庫。本文主要使用CANopen類、IOModule 類以及Error 類來實現(xiàn)。主要的功能實現(xiàn)函數(shù)如下：

CANOpen 總線通信程序，打開CAN 卡并進行相關參數(shù)設置：

表1 上位機-〉下位機指令

表2 下位機-〉上位機指令

上位機輸出執(zhí)行函數(shù)：

int Down_QuickStop()； //機械手緊急停止

int Down_DontMove()； //機械手不動作

int Down_LoadBoxGetWafer(UINT uLayer,UINT nSize)； //送片盒取片

int Down_UnloadBoxSetWafer(UINT uLayer，UINT nSize)； //放片盒放片

int Down_AjustGetWafer(UINT nSize)； //定位機構取片

int Down_AjustSetWafer(UINT nSize)； //定位機構放片

int Down_QiangGetWafer(UINT nSize)； //腔體卡盤取片

int Down_QiangSetWafer(UINT nSize)； //腔體卡盤放片

int Down_SearchHome()； //尋原點

int Down_GoHome()； //回原點

int Down_ScanWafer(UINT nSize)； //硅片掃描

int Down_ALarmReset()； //報警復位

int Down_Vacum(bool m_bValue)； //開關真空

上位機輸入信號狀態(tài)函數(shù)：

int Up_Error()； //機械手發(fā)生故障

int Up_Busy()； //機械手忙，不接受新指令

int Up_LoadBoxGetWaferSucess(UINT uLayer,UINT nSize)； //送片盒取片成功

int Up_UnloadBoxSetWaferSucess(UINT uLayer,UINT nSize)； //放片盒放片成功

int Up_AdjustGetWaferSucess(UINT nSize)； //定位機構取片成功

int Up_AdjustSetWaferSucess(UINT nSize)； //定位機構放片成功

int Up_QiangGetWaferSucess(UINT nSize)； //腔體卡盤取片成功

int Up_QiangSetWaferSucess(UINT nSize)； //腔體卡盤放片成功

int Up_SeachHomeSucess()； //尋原點成功

int Up_GoHomeSucess()； //回原點成功

int Up_ScanWaferSucess(UINT nSize)； //硅片掃描成功

int Up_AlarmResetSucess()； //報警復位成功

int Up_ScanWaferResult(UINT nLayer)； //硅片掃描結果

int Up_VacumSucess(bool m_bValue)； //開關真空成功標志

4 結束語

利用CAN 總線技術，在Windows 環(huán)境下使用VC++6.0 進行軟件編程，提高了控制系統(tǒng)的實時性和可靠性。當機械手工藝位置增加時可增加IO節(jié)點，擴展通信協(xié)議，滿足設備工藝要求。通過在半導體設備中的應用表明，該機械手運行可靠，能夠完全滿足設計要求。

[1]陽憲惠.現(xiàn)場總線技術及應用[M].北京：清華大學出版社，2008.

[2]鄔寬明.CAN 總線原理與應用系統(tǒng)設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1996.