趙 松，汪宗華

(1.銅陵富仕三佳機(jī)器有限公司技術(shù)部，安徽銅陵244000；2.安徽中智光源科技有限公司，安徽 銅陵 244000)

伺服控制油壓技術(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體塑封壓機(jī)

趙 松1，汪宗華2

(1.銅陵富仕三佳機(jī)器有限公司技術(shù)部，安徽銅陵244000；2.安徽中智光源科技有限公司，安徽 銅陵 244000)

早期半導(dǎo)體塑封壓機(jī)均是采用異步電機(jī)和定量泵組合，通過(guò)比例閥控制壓力、流量輸出，發(fā)展中期塑封壓機(jī)采用過(guò)變頻技術(shù)，但是控制精度均未得到提高，現(xiàn)在采用伺服控制液壓技術(shù)，直接控制伺服電機(jī)輸出，采用壓力和電機(jī)速度雙反饋，提升控制輸出精度。

伺服控制；雙閉環(huán)；高精度；節(jié)能

早期的半導(dǎo)體封裝設(shè)備都是采用異步電機(jī)和定量泵的組合，通過(guò)液壓比例閥控制壓力和流量輸出，隨著伺服電機(jī)的功率增大，逐步的滿(mǎn)足了目前大功率的使用需求，控制器精度也不斷的提高，中期的變頻技術(shù)也逐漸被伺服控制油壓技術(shù)替代，目前使用的伺服控制油壓技術(shù)，主要解決了客戶(hù)降低能耗的需求，節(jié)能降耗是目前許多客戶(hù)發(fā)展的需求，所以伺服控制油壓系統(tǒng)的應(yīng)用是符合市場(chǎng)需求的。伺服控制油壓技術(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體塑封壓機(jī)主要設(shè)計(jì)包括3點(diǎn)：伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伺服控制技術(shù)在半導(dǎo)體塑封壓機(jī)行業(yè)開(kāi)始應(yīng)用并廣泛推廣。塑封半導(dǎo)體控制原理設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 伺服控制原理

通過(guò)多次測(cè)試，我們認(rèn)為，伺服控制油壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用到塑封壓機(jī)上，完全可行。250噸半導(dǎo)體塑封壓機(jī)工作時(shí)最大壓力是21 MPa，裝配調(diào)試過(guò)程中最大壓力為25 MPa，工作時(shí)油泵提供最大流量為50 L/min，經(jīng)過(guò)試運(yùn)行比較，我們選擇進(jìn)口品牌大金齒輪泵SUM-25，其排量為25.2 mL/r，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，其流量：

Q=25.2×2000=50400 mL/min=50.4 L/min

由此可見(jiàn)，工作時(shí)油泵提供流量滿(mǎn)足最大流量50 L/min需求。當(dāng)壓機(jī)達(dá)到最大壓力時(shí)，驅(qū)動(dòng)泵需扭矩：

T=(25.2 mL/r×250 MPa)/20π=100.3 N·m

大金8 kW伺服電機(jī)最大扭矩為120 N·m，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。

在確定了液壓系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)的主結(jié)構(gòu)后，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序。半導(dǎo)體塑封壓機(jī)在注射的過(guò)程中要求比較高，要求低速度大壓力輸出，這對(duì)伺服泵的脈動(dòng)提出了很高要求，脈動(dòng)小于0.5 L/min，同時(shí)對(duì)伺服控制器的輸出與反饋提出了響應(yīng)快速的要求，設(shè)定控制50 ms以?xún)?nèi)。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)是新型塑封壓機(jī)的技術(shù)關(guān)鍵之一，它與壓機(jī)的工作時(shí)序密切相關(guān)，因此油壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞，直接關(guān)系到伺服系統(tǒng)應(yīng)用于半導(dǎo)體塑封壓機(jī)的成敗。首先是油路時(shí)序設(shè)計(jì)根據(jù)液壓原理圖設(shè)計(jì)和半導(dǎo)體產(chǎn)品工藝結(jié)合，確定伺服技術(shù)應(yīng)用的半導(dǎo)體塑封壓機(jī)的工作時(shí)序（如圖2所示）。

其次是液壓原理的設(shè)計(jì)。塑封壓機(jī)工作的穩(wěn)定性與可靠性以及保壓的性能很大程度上取決于液壓系統(tǒng)的性能。液壓原理設(shè)計(jì)的合理性，保證了液壓系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性。液壓系統(tǒng)的設(shè)備優(yōu)點(diǎn)是工作平穩(wěn)，噪音小，工作壓力大。合理的液壓原理設(shè)計(jì)減少液壓系統(tǒng)中的沖擊，減少裝配油路的連接管路。同時(shí)對(duì)液壓系統(tǒng)的維護(hù)、液壓元件裝配的位置合理性以及熱量減少液壓系統(tǒng)起到關(guān)鍵作用，同時(shí)也是保證伺服控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵核心設(shè)計(jì)。（如圖3、圖4所示）。

伺服控制技術(shù)與液壓系統(tǒng)相結(jié)合，區(qū)別現(xiàn)在的一個(gè)伺服泵取代原先的兩個(gè)普通定量泵，在工作時(shí)序上和壓力、速度控制輸出上做重新設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的同時(shí)增加了速度的分段設(shè)計(jì)。我們選擇伺服系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，是以壓力反饋為優(yōu)先級(jí)。當(dāng)該伺服系統(tǒng)工作的先導(dǎo)壓力必須能夠克服活塞運(yùn)動(dòng)阻力的同時(shí)，速度的給定量才可以進(jìn)行調(diào)整，并做反饋。

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體塑封壓機(jī)的效率利用很低，多余的壓力通過(guò)液壓系統(tǒng)的壓力溢流閥或減壓調(diào)整系統(tǒng)多余的壓力，普通的定量泵一直是滿(mǎn)負(fù)荷工作的狀態(tài)，轉(zhuǎn)速一直在1 500 r/min的狀態(tài)工作，不能進(jìn)行階段性的壓力輸出調(diào)整。壓力的控制精度也是在模擬量開(kāi)環(huán)狀態(tài)控制，運(yùn)行速度是依靠低壓泵輸出大流量提供，速度控制也是不精確。伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)壓力和速度都進(jìn)行了反饋，在分階段上控制輸出的壓力可以根據(jù)時(shí)間的阻力需求進(jìn)行給定，速度可以根據(jù)時(shí)間的工藝需求進(jìn)行給定，同時(shí)有了雙閉環(huán)的反饋系統(tǒng)，對(duì)于壓力精度可以提高到正負(fù)0.1 MPa。由于整個(gè)液壓系統(tǒng)的分階段的壓力輸出控制，固化低速保壓控制，都能在每個(gè)設(shè)備運(yùn)行點(diǎn)控制到合理的壓力輸出，盡最大可能減少能耗，在整個(gè)液壓系統(tǒng)中原來(lái)的冷卻裝置已經(jīng)被取消，采用自然風(fēng)冷就可以滿(mǎn)足24 h/d的長(zhǎng)期運(yùn)行，保證了長(zhǎng)期運(yùn)行的液壓系統(tǒng)溫度只比室溫高10℃左右。

圖2 液壓時(shí)序圖

圖3 注塑液壓原理圖

圖4 合模液壓原理圖

3 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣設(shè)計(jì)通過(guò)上位機(jī)的控制輸出0～10 V模擬量。給定量壓力0～21 MPa對(duì)應(yīng)的0～10 V輸出，模擬量模塊比例是0～4 000線性比，壓力控制系數(shù)是210∕4000=0.0525。給定量速度0～100%對(duì)應(yīng)的0～10 V，模擬量模塊比例是0～4 000線性比，速度比例控制系數(shù)是100/4000=0.025。伺服控制系統(tǒng)的壓力反饋采用0～5 V的壓力傳感器反饋，電機(jī)轉(zhuǎn)速在編碼器反饋速度。上位機(jī)的壓力反饋采用0～25 MPa和0-40 MPa的壓力傳感器反饋壓力，壓力反饋系數(shù)分別是0.0625和0.1，通過(guò)反饋壓力控制邏輯動(dòng)作的輸出，邏輯動(dòng)作的輸出達(dá)到了實(shí)際需求的壓力和速度。伺服壓力反饋提供伺服系統(tǒng)的扭矩輸出，在設(shè)備的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和保壓中起到關(guān)鍵的作用。換向閥的控制采用上位機(jī)的I/O輸出控制DC24繼電器控制閥體開(kāi)啟，合模位置采用機(jī)械行程開(kāi)關(guān)反饋信號(hào)，注射位置采用位移傳感器反饋模擬量信號(hào)接入AD模塊，位置行程0～350 mm對(duì)應(yīng)0～10 V輸入，模擬量模塊比例系數(shù)0～4 000線性比，注射位置比例系數(shù)是350/4000=0.0875。上位機(jī)的線性控制給定，伺服控制器的線性輸出，執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力需求，可以根據(jù)實(shí)際的需求動(dòng)力線性給定。精確控制和高精度的反饋，可以控制整個(gè)設(shè)備的動(dòng)力輸出，根據(jù)實(shí)際的需求進(jìn)行給定。

4 結(jié)束語(yǔ)

伺服控制油壓技術(shù)的應(yīng)用，簡(jiǎn)化了液壓系統(tǒng)，取消了原先的壓力、流量比例閥，完全依靠伺服泵控制輸出壓力、流量。針對(duì)半導(dǎo)體的工藝需求，我們對(duì)壓力精度由原先的3%提高到1%，同時(shí)對(duì)速度控制由原先的模擬量控制到伺服系統(tǒng)的數(shù)字量控制；伺服控制油壓技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于人機(jī)界面操作更方便、簡(jiǎn)單，增強(qiáng)可操作性。對(duì)于系統(tǒng)中的能量釋放，我們針對(duì)各行程段相對(duì)消耗的能量給予設(shè)定，基本上可以控制壓力溢流，保證了液壓系統(tǒng)中的運(yùn)行溫度。伺服控制油壓技術(shù)的應(yīng)用，滿(mǎn)足半導(dǎo)體塑封壓機(jī)的生產(chǎn)工藝，工藝操作上也實(shí)現(xiàn)壓力、速度、時(shí)間輸出的量化處理，在動(dòng)力能耗上滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了80%的能耗節(jié)省。伺服控制油壓技術(shù)的應(yīng)用成功改變了傳統(tǒng)的塑封壓機(jī)動(dòng)力輸出理念，改變了傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)控制原理。

[1] OMRON.SYSMAC CS/CJ系列可編程控制器[Z].2010.

[2] DAIKIN.大金混合液壓系統(tǒng)[Z].2010.

The Application of Hydraulic Servo Control Technology in Molding Press

ZHAO Song，WANG Zonghua

(1.Tongling Fushi Sanjia Machine Co.,Ltd,Tongling 244000,China；2.Anhui Zhongzhi Light Source Tech.,Ltd，Tongling 244000，China)

Early stage of transfer molding press adopted the combination of asynchronism motor and metering valve,pressure and output flow were controlled by proportional valve.Frequency conversion technology was adopted at the mid-stage of transfer molding press,control precision hadn't been improved yet.Now servo hydraulic control technology is adopted to control servo motor output directly,and to achieve double feedback of pressure and motor speed,and control precision has been improved significantly.

Servo control；Double closed loop；High-precision；Energy saving

TM383.4

B

1004-4507(2016)12-0030-04

2016-12-06

趙松（1979-03）男，漢，安徽省銅陵市，工程師，主要從事半導(dǎo)體塑封壓機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)等相關(guān)工作。