全自動晶圓劃片機S運動曲線規劃與分析

張 偉，閆啟亮

(北京中電科電子裝備有限公司，北京 101601)

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

1 運動控制流程

全自動晶圓劃片機主要完成上料、晶圓的傳送、自動圖像對準、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用下機械臂將晶圓從晶圓料盒中取出，在預對準臺進行中心定位后，搬運到劃切工作臺→自動對準→進行劃切作業→②用上機械臂將晶圓從劃切工作臺搬運到離心清洗臺→進行清洗、干燥作業→③用下機械臂將晶圓放回到晶圓料盒內。影響劃片機效率的主要因素是劃切過程中x軸、y軸和z軸的高速運動中的精度控制。如何保證劃切工作臺中x軸、y軸和z軸的運動是保證高精度、高效率的關鍵。傳統直線或圓弧的直接插補方法難以實現劃片機快速高精度的點位運動模式的性能要求。因此，可以通過精確計算運動的時間和位移，進行時間控制和行程檢測，實現點位運動的要求。

圖1 全自動劃切流程

以全自動劃片機中劃切部分的運動過程為例進行分析。劃切部分的運動過程分為以下五部分：①y軸電機不動，z軸電機啟動，帶動空氣主軸經過t1時刻從z=z1運動到z=z2，同時系統計算延時時間t1，并進行行程檢測；②z軸電機停止，y軸電機啟動，步進設定距離到y1；③z軸電機停止，y軸電機停止，x軸電機啟動并高速到達設定的劃切位置；④y軸電機停止，z軸電機運行，并高速下降到設定的劃切高度，系統進行行程檢測；⑤y軸電機停止，z軸電機停止，x軸以設定的劃切進刀速度運行到x1，同時系統進行行程檢測。因此，全自動劃切過程要連續工作，必須不斷完成以上運動的循環，同時，每一部分運動都要進行精確的時間計算和行程檢測，以確保運動控制精度。

2 存在的問題

以前的運動控制系統采用T形曲線加減速模式，運動曲線圖如2所示。

圖2 T形運動曲線

由運動曲線圖可知，T形曲線加減速控制算法簡單，運動時間短，容易實現，但存在不足，首先和伺服電機的特性不能很好配合。因為任何一種伺服電機到達高速區，都必然會產生輸出轉矩的下降，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，這就要求伺服進給系統不論在何種轉速下都要提供同樣的加速轉矩。因此，在設計進給系統時只能按電機最高轉速下的輸出轉矩來選取加速度，使得電機的特性得不到充分發揮；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，存在當系統由靜止狀態啟動時，起動加速度大，引起加速過程對機械部件的沖擊，限制了加速度的提高，當加減速結束時，加速度突變為零，因而也產生較大的沖擊。由圖2可以看出，由于加速度的不連續，使得電機在起動瞬間、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，這些沖擊使系統產生一定的振動。這種加減速控制方法不是柔性加減速，不適合用于高速、高精度運動控制系統中，不能很好的滿足全自動劃片機的高速、高精度和高效率的要求，而采用S曲線加減速規劃運動控制模式，能滿足劃片機在工作過程中，確保運動平穩、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，使其加速度的導數（Jerk）da/dt為常數，通過對Jerk值的控制來最大限度地減小對機械系統造成的沖擊。另外，通過加速度和Jerk兩個物理量的參數設定或編程設定可實現柔性加減速控制，以適應不同種類運動機構的情況。加加速度J、加速度a、進給率v和軌跡指令位置s的運動時間輪廓如圖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、進給率v和軌跡位移s表示為：

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

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

4 算法應用和仿真

全自動劃片機的全自動運動過程中既有短距離的運動，又有長距離的運動，特別是在劃切過程中有0.1 mm左右的步進運動距離，遵循時間最短的原則，以達到最高的效率。將S曲線加減速規劃算法寫入到運動控制卡中，運動通過DoMove(ProfileConfigScurve&cfg，boolrelative=false)語句來完成，設定速度初始值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，按照運動距離的長短來設計時間段。按照S曲線規劃對運動控制進行不同參數的仿真，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 語

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

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