武文娟，吳小偉，鐘志堂，史志中，張　璐，崔　軍，丁　莉

(1．南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，江蘇南京　211188；2．江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，江蘇南京　210017)

0　引言

目前，國(guó)內(nèi)芯片及相關(guān)電子廠家在進(jìn)行芯片打點(diǎn)時(shí)，大部分采用手工的形式，即利用Mark筆進(jìn)行打點(diǎn)，僅有少數(shù)采用激光打點(diǎn)的形式。激光打點(diǎn)技術(shù)對(duì)操作者要求很高，很容易對(duì)芯片表面產(chǎn)生損壞，提高了企業(yè)設(shè)備成本，同時(shí)給企業(yè)帶來了經(jīng)濟(jì)損失。因此，迫切需要一種新裝置來完成芯片在催盤機(jī)(芯片放在專用的盤上以固定芯片，載盤可以在同步帶上移動(dòng)，以此來帶動(dòng)芯片移動(dòng))上成批作業(yè)時(shí)的打點(diǎn)任務(wù)。

對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制相關(guān)技術(shù)研究?jī)?nèi)容比較廣泛，如采用高性能PLC對(duì)5軸機(jī)器人用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制[1]；采用PLC脈沖環(huán)形分配軟件和位置控制軟件并配合光電碼盤以控制步進(jìn)電機(jī)速度和精確定位[2-8]。利用RS485數(shù)字技術(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用高速計(jì)數(shù)器模塊用于位置反饋，并進(jìn)行電機(jī)分度設(shè)計(jì)[9-11]。對(duì)于系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的丟步問題也有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[12-16]。然而，利用PLC脈沖技術(shù)對(duì)芯片進(jìn)行打點(diǎn)控制尚屬首次，不僅要考慮打點(diǎn)裝置本身特點(diǎn)，還要考慮該裝置與整機(jī)的匹配性。

文中結(jié)合前人研究相關(guān)進(jìn)展和本課題的特殊要求，同時(shí)考慮產(chǎn)品的總體成本控制以及控制精度要求，采用PLC脈沖控制方法對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置進(jìn)行精確控制，開發(fā)出一套具備平面高位置控制精度的執(zhí)行系統(tǒng)，以滿足生產(chǎn)中芯片打點(diǎn)自動(dòng)化的要求，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1　打點(diǎn)裝置的總體設(shè)計(jì)

打點(diǎn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，由打點(diǎn)筆左右控制機(jī)構(gòu)、打點(diǎn)筆前后控制機(jī)構(gòu)、打點(diǎn)筆上下工作控制機(jī)構(gòu)及相關(guān)的支架組成。打點(diǎn)工作時(shí)，左右同步電機(jī)與前后同步電機(jī)按照設(shè)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)完成XY平面的精確位置運(yùn)動(dòng)。當(dāng)打點(diǎn)筆運(yùn)動(dòng)到芯片的上方時(shí)，氣缸快速下壓在芯片表面做出標(biāo)記，并迅速縮回，完成一個(gè)芯片的打點(diǎn)工作。然后前后步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)一個(gè)芯片間距，氣缸再下壓，如此往復(fù)地完成整盤芯片的打點(diǎn)工作。

圖2為系統(tǒng)電氣連接，主要介紹了PLC與傳感器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)之間的連接方法。打點(diǎn)裝置在催盤機(jī)上的位置如圖3所示。圖3中1位置為芯片燒錄區(qū)、2為芯片待燒錄區(qū)、3為芯片打點(diǎn)區(qū)、4為芯片燒錄完成區(qū)。催盤機(jī)工作時(shí)，催盤運(yùn)動(dòng)路線為：位置2—位置1—位置3—位置4，催盤在位置3處停留，進(jìn)行芯片的打點(diǎn)操作。

(a)打點(diǎn)機(jī)構(gòu)主視圖

(b)打點(diǎn)機(jī)構(gòu)俯視圖1—前后同步電機(jī)；2—左右從同步輪；3—左限位傳感器；4—左擋塊；5—滑塊導(dǎo)軌；6—橫梁；7—?dú)飧祝?—傳感器擋片；9—支板；10—右擋塊；11—右限位傳感器；12—左右主同步輪；13—標(biāo)記筆；14—夾持架；15—前后從同步輪；16—前擋塊；17—前限位傳感器；18—滑塊導(dǎo)軌；19—后限位傳感器；20—后擋塊；21—前后同步電機(jī)；22—電機(jī)軸；23—前后主同步輪；24—后擋塊；25—左右同步電機(jī)；26—電機(jī)軸；27—滑塊導(dǎo)軌；28—前擋塊

圖2　PLC電氣連接圖

1—芯片燒錄區(qū)；2—芯片待燒錄區(qū)；3—芯片打點(diǎn)區(qū)；4—芯片燒錄完成區(qū)

2　控制程序設(shè)計(jì)

控制程序設(shè)計(jì)主要圍繞技術(shù)工藝進(jìn)行，要求對(duì)PLC、步進(jìn)電機(jī)等設(shè)備進(jìn)行正確選型并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置。史國(guó)生等研究了以O(shè)MRON的C系列PLC為基礎(chǔ)，給出了PLC選型及點(diǎn)數(shù)分配等詳細(xì)的程序設(shè)計(jì)過程[17]。Liu Wei研究了利用PLC脈沖控制進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的位置控制研究，主要包括PLC模塊選擇，步進(jìn)電機(jī)選擇[18]。

該控制系統(tǒng)選用松下FPOR系列PLC作為控制器，選取步距角為1．8°的步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇細(xì)分為6 400。將PLC的輸出端口改成脈沖輸出的形式，同時(shí)需要注意的是：只能設(shè)置主控PLC作為脈沖輸出，將4個(gè)端口全部改成脈沖輸出的形式，主要是因?yàn)檎麄€(gè)機(jī)器中一共有4個(gè)步進(jìn)電機(jī)。

啟動(dòng)打點(diǎn)裝置以后，XY坐標(biāo)系統(tǒng)首先要進(jìn)行回原處理，到達(dá)原點(diǎn)以后，要對(duì)脈沖寄存器進(jìn)行清空。通過觸摸屏上的方向按鈕可調(diào)整打點(diǎn)筆的位置，當(dāng)調(diào)整到第一點(diǎn)芯片所在的恰當(dāng)位置時(shí)，選擇保存按鈕將當(dāng)前的坐標(biāo)值脈沖存儲(chǔ)下來；參照上一步驟，保存最后一點(diǎn)芯片位置脈沖。保存的兩點(diǎn)坐標(biāo)脈沖之間的差值除以所對(duì)應(yīng)的XY軸芯片數(shù)量，所得值為移動(dòng)兩個(gè)芯片之間距離所需的脈沖數(shù)量，系統(tǒng)設(shè)置流程圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)設(shè)置流程圖

2．1XY軸回原程序設(shè)計(jì)

為了防止XY軸電機(jī)由于某些突發(fā)情況產(chǎn)生停機(jī)后再啟動(dòng)時(shí)發(fā)生碰撞，要求系統(tǒng)再次啟動(dòng)后必須要進(jìn)行回原處理?；卦幚矸譃?種情況：一是回原前系統(tǒng)兩軸都在原點(diǎn)位置；二是回原前系統(tǒng)兩軸都不在原點(diǎn)位置；三是系統(tǒng)兩軸有一個(gè)軸在原點(diǎn)。當(dāng)處理回原前系統(tǒng)兩軸都在原點(diǎn)位置時(shí)，要求必須進(jìn)行XY軸微小距離的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，此次回原主要是為了系統(tǒng)的重新調(diào)整及相關(guān)復(fù)位操作，更新相關(guān)數(shù)據(jù)。如果回原前系統(tǒng)兩軸都不在原點(diǎn)，此時(shí)系統(tǒng)回原時(shí)，直接進(jìn)行回原處理即可。當(dāng)系統(tǒng)兩軸只有一個(gè)軸在原點(diǎn)時(shí)，XY軸的運(yùn)動(dòng)將綜合前2種情況，在原點(diǎn)的執(zhí)行微小前進(jìn)移動(dòng)，不在原點(diǎn)的執(zhí)行直接回原。原點(diǎn)的檢測(cè)主要靠前限位傳感器與右限位傳感器配合完成，回原控制流程如圖5所示。

圖5　回原控制流程圖

2．2打點(diǎn)位置計(jì)算程序設(shè)計(jì)

打點(diǎn)位置計(jì)算主要包括初始點(diǎn)和末點(diǎn)的位置計(jì)算、運(yùn)行過程中的兩個(gè)芯片行列間距計(jì)算、結(jié)束條件判斷。在進(jìn)行初始點(diǎn)和末點(diǎn)計(jì)算之前要進(jìn)行回原操作，回原的目的之一就是要清空脈沖寄存器里的數(shù)值，保證下次計(jì)算的脈沖值與前一次相同。清空脈沖寄存器后，通過觸摸屏上的四個(gè)方向箭頭，調(diào)整初始點(diǎn)位置，調(diào)整好位置后選擇“設(shè)為初始點(diǎn)”按鈕，保存第一點(diǎn)位置脈沖。參照第一點(diǎn)位置調(diào)整方法，設(shè)置好第二點(diǎn)位置并保存。打點(diǎn)過程的執(zhí)行順序示意如圖6所示。圖中黑色圓點(diǎn)代表打點(diǎn)筆位置，箭頭方向?yàn)榇螯c(diǎn)筆的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖6　打點(diǎn)筆運(yùn)動(dòng)路線圖

假設(shè)第一點(diǎn)位置的脈沖坐標(biāo)為(Xcd，Ycd)，末點(diǎn)的脈沖坐標(biāo)為(Xmd，Ymd)，所設(shè)置的行值為m，列值為n，則每移動(dòng)一個(gè)行間距及列間距所需的脈沖可通過式(1)、式(2)計(jì)算：

(1)

(2)

式中：Mhc為行間距脈沖；Nlc為列間距脈沖；Xcd為初始點(diǎn)行脈沖；Ycd為初始點(diǎn)列脈沖；Xmd為末點(diǎn)行脈沖；Ymd為末點(diǎn)列脈沖。

2．3脈沖與速度、距離計(jì)算

在進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)相關(guān)參數(shù)計(jì)算前，要明確所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用何種驅(qū)動(dòng)模式。所謂驅(qū)動(dòng)模式是指如何將傳送裝置的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。文中根據(jù)控制系統(tǒng)特性，選擇加/減速時(shí)間控制模式。驅(qū)動(dòng)脈沖速度是指在設(shè)定的定位時(shí)間中電機(jī)旋轉(zhuǎn)過一定角度所需要的脈沖數(shù)。驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)可根據(jù)必要脈沖數(shù)、定位時(shí)間和加/減速時(shí)間計(jì)算得出。加/減速模式運(yùn)行下，電機(jī)首先以一個(gè)較低的速度啟動(dòng)，經(jīng)過一個(gè)加速過程后達(dá)到正常的驅(qū)動(dòng)脈沖速度，運(yùn)行一段時(shí)間后，再經(jīng)過一個(gè)減速過程后電機(jī)停止的運(yùn)行方式。其定位時(shí)間包括加速時(shí)間、減速時(shí)間和以驅(qū)動(dòng)脈沖速度運(yùn)行的時(shí)間。加/減速模式下，必要脈沖數(shù)可通過式(3)計(jì)算：

(3)

加/減速時(shí)間需要根據(jù)傳送距離、速度和定位時(shí)間來計(jì)算。在加/減速運(yùn)行方式中，因?yàn)樗俣茸兓^小，所以需要的力矩要比自啟動(dòng)方式下的力矩小。加/減速運(yùn)行方式下的驅(qū)動(dòng)脈沖計(jì)算可通過式(4)完成：

(4)

式中：驅(qū)動(dòng)脈沖速度，Hz；啟動(dòng)脈沖數(shù)，Hz；加/減速時(shí)間，s；定位時(shí)間，s．

3　人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面是操作者與機(jī)器設(shè)備之間雙向溝通的橋梁，是用戶可以自由地組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來處理、監(jiān)控、管理或應(yīng)付隨時(shí)可能變化信息的多功能顯示屏幕[19-22]。使用人機(jī)界面還可以使機(jī)器的配線標(biāo)準(zhǔn)化、簡(jiǎn)單化，同時(shí)還能減少PLC監(jiān)控器所需的I/O點(diǎn)數(shù)，降低生產(chǎn)成本[23]。人機(jī)界面產(chǎn)品由硬件和軟件2部分組成，其中硬件部分包括處理器、顯示模塊、輸入模塊、通信模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等[24]。

文中選用4．3英寸MT4000系列人機(jī)界面產(chǎn)品，該產(chǎn)品采用32位RISC CPU和精簡(jiǎn)的LINUX內(nèi)核，能顯示各種真彩圖形格式，支持與絕大多數(shù)的PLC直接通信，能夠輕松實(shí)現(xiàn)與其所連設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。MT4000系列擁有直接在線模擬、間接在線模擬、大容量用戶組態(tài)程序存儲(chǔ)空間、與標(biāo)準(zhǔn)C語言兼容的宏指令等貼合客戶需求的功能，能迅速有效地完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、控制等功能。

系統(tǒng)人機(jī)主控界面如圖7所示，主要功能有：坐標(biāo)脈沖保存、移動(dòng)到初始點(diǎn)(第一點(diǎn)坐標(biāo)位置)、移動(dòng)到末點(diǎn)(最后一點(diǎn)坐標(biāo)位置)、打點(diǎn)驅(qū)動(dòng)程序的復(fù)位功能、設(shè)置行列值、位置移動(dòng)、打點(diǎn)測(cè)試等。

圖7　人機(jī)界面控制總圖

通過4個(gè)方向箭頭可以改變打點(diǎn)筆在XY平面上的位置，箭頭所指方向與實(shí)際芯片放置方向一致，提高了系統(tǒng)的可操作性。為了縮短打點(diǎn)筆往對(duì)角點(diǎn)移動(dòng)的時(shí)間，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了1 mm/步和10 mm/步2種移動(dòng)速度，點(diǎn)擊圖中“1 mm”按鈕可進(jìn)行快速移動(dòng)與慢速移動(dòng)之間的轉(zhuǎn)換。打開控制界面后，對(duì)打點(diǎn)筆的第一點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)?shù)谝稽c(diǎn)位置調(diào)整好以后，按下“設(shè)為初點(diǎn)”按鈕，將當(dāng)前的XY軸坐標(biāo)脈沖值保存到系統(tǒng)的寄存器中。參照上一步驟設(shè)置末點(diǎn)，點(diǎn)擊“設(shè)為末點(diǎn)”按鈕，保存將當(dāng)前的脈沖值。此時(shí)，位置的調(diào)整工作已經(jīng)結(jié)束，如果需要演示打點(diǎn)效果，可以點(diǎn)擊“打點(diǎn)測(cè)試”按鈕，系統(tǒng)將進(jìn)行單盤的打點(diǎn)測(cè)試。如果進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)有誤差可以對(duì)設(shè)定的初始點(diǎn)和末點(diǎn)進(jìn)行重新設(shè)置，設(shè)置方法如下：點(diǎn)擊“移動(dòng)到初點(diǎn)”按鈕，點(diǎn)擊“氣缸伸出”按鈕，這時(shí)氣缸伸出按鈕文字變成了氣缸縮回，觀察打點(diǎn)筆在芯片上的位置，進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，調(diào)整好位置后，點(diǎn)擊“設(shè)為初點(diǎn)”按鈕重新保存第一點(diǎn)位置；然后再點(diǎn)擊“氣缸縮回”按鈕，并點(diǎn)擊“移動(dòng)到末點(diǎn)”按鈕，將第二點(diǎn)重新進(jìn)行位置調(diào)整后，點(diǎn)擊“設(shè)為末點(diǎn)”按鈕，重新保存第二點(diǎn)位置。

不同尺寸的芯片對(duì)應(yīng)不同的催盤大小，當(dāng)芯片尺寸發(fā)生改變時(shí)，要重新進(jìn)行位置調(diào)整工作，同時(shí)要重新輸入行列值。所有參數(shù)設(shè)置完成后，點(diǎn)擊“設(shè)置完成”按鈕保存所有設(shè)置參數(shù)并退出設(shè)置界面，執(zhí)行打點(diǎn)控制程序。

4　試驗(yàn)分析

4．1試驗(yàn)條件

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)所設(shè)計(jì)的自動(dòng)打點(diǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際演示，來觀察步距誤差大小，得出該控制系統(tǒng)所能適應(yīng)的最小芯片尺寸。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分選擇為6 400；步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min．通過PLC發(fā)脈沖指令對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。

根據(jù)對(duì)市場(chǎng)的調(diào)查分析，常用的適于打點(diǎn)的芯片有8腳、16腳、24腳等等，該次試驗(yàn)以常用的小8腳芯片(尺寸為3 mm×5 mm，其中空白區(qū)域尺寸為1．5 mm×2．5 mm)和16腳芯片(尺寸為8 mm×8 mm，其中空白區(qū)域尺寸為4 mm×4 mm)作為試驗(yàn)對(duì)象。

通過對(duì)上述選擇的2種芯片進(jìn)行試驗(yàn)，每次試驗(yàn)數(shù)量為60塊，對(duì)每種芯片進(jìn)行3次重復(fù)性試驗(yàn)，通過標(biāo)記點(diǎn)的位置是否落在芯片表面的空白區(qū)來判斷控制精度是否合格。

4．2試驗(yàn)結(jié)果

按照操作要求設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后，進(jìn)行3次重復(fù)性試驗(yàn)，從試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：小8腳芯片的測(cè)試效果比16腳芯片差，小8腳芯片的實(shí)際打點(diǎn)位置與理論打點(diǎn)位置最大相差2 mm，然而85%的小8腳芯片標(biāo)記位置滿足要求，15%的小8腳芯片表面標(biāo)識(shí)碼被打點(diǎn)液覆蓋，但所有標(biāo)記都落在芯片表面上；而16腳芯片的實(shí)際打點(diǎn)位置與理論打點(diǎn)位置誤差與小8腳相比基本一致，因此，16腳芯片打點(diǎn)時(shí)所有的標(biāo)記點(diǎn)都落在芯片表面的空白處，位置控制精度完全滿足要求。

通過分析可知，誤差產(chǎn)生主要來源于以下幾個(gè)方面：一是系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中的振動(dòng)，導(dǎo)致芯片位置的變化；二是每次催盤放置位置之間存在誤差；三是系統(tǒng)在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的微小丟步導(dǎo)致了距離尺寸誤差。

針對(duì)上述可能出現(xiàn)的誤差來源分析，采用降低系統(tǒng)運(yùn)行速度和增加夾持機(jī)構(gòu)的辦法來降低系統(tǒng)運(yùn)行中的芯片振動(dòng)和減小芯片放置隨機(jī)誤差。現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速降為100 r/min(這里的100 r/min主要根據(jù)芯片燒錄的時(shí)間確計(jì)算定)。通過對(duì)系統(tǒng)再次試驗(yàn)知：小8腳芯片的實(shí)際打點(diǎn)位置與理論打點(diǎn)位置的最大誤差變?yōu)?．2 mm，滿足打點(diǎn)精確位置要求。

通過綜合分析可知，該打點(diǎn)裝置完全滿足于16腳芯片及以上尺寸芯片，如果允許打點(diǎn)標(biāo)記覆蓋芯片表面標(biāo)識(shí)碼或降低系統(tǒng)運(yùn)作速度，打點(diǎn)裝置也可用于小尺寸芯片打點(diǎn)作業(yè)。

5　結(jié)束語

針對(duì)芯片打點(diǎn)技術(shù)的工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套用于芯片打點(diǎn)用的裝置。該裝置利用PLC電控技術(shù)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了精確控制，操作界面簡(jiǎn)單、直觀，可學(xué)習(xí)性較好，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

通過試驗(yàn)表明：小8腳尺寸芯片的位置控制效果比16腳芯片差，但所有標(biāo)點(diǎn)位置都落在芯片表面；而16腳芯片的位置控制精度較好，所有標(biāo)點(diǎn)都落在芯片表面空白處。因此，該打點(diǎn)裝置完全滿足于16腳芯片及以上尺寸芯片，如果允許打點(diǎn)標(biāo)記覆蓋芯片表面標(biāo)識(shí)碼或降低系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，該打點(diǎn)裝置也可用于小尺寸芯片打點(diǎn)作業(yè)。

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