吳小洪，陳佳溪

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006)

LED焊線機(jī)在焊線過程中，焊頭從懸空中下降到芯片表面，焊頭與芯片表面發(fā)生接觸，存在相互作用力，接觸力過大導(dǎo)致芯片焊盤龜裂，過小則會焊接不牢，引起芯片封裝失效。在焊接芯片時對接觸力有一定的要求，碰撞時刻鍵合力為0.8～1 N，穩(wěn)定后的鍵合力為0.3～0.5 N。通常情況下，焊頭與芯片接觸碰撞時間越短，碰撞速度越大，瞬間沖擊力就越大，碰撞穩(wěn)定后焊頭與芯片的接觸力處于靜接觸狀態(tài)。第一代焊線機(jī)多采用位移控制，通過控制接觸速度和最終變形量來獲得滿意的接觸力［1］，況且芯片的高度也不一致，如果仍然試圖通過單純提高位置控制精度來達(dá)到控制力的目的，已經(jīng)不能滿足高速焊線機(jī)的要求，必須對接觸力進(jìn)行控制。如何構(gòu)建位置/力控制策略是提高芯片封裝質(zhì)量和效率的關(guān)鍵。

目前LED焊線機(jī)實現(xiàn)途徑為PC+多軸運(yùn)動控制卡+伺服放大器的控制方式，通過研究Turbo PMAC的伺服輸出機(jī)制，結(jié)合LED焊線機(jī)焊接特點(diǎn)，提出了一種位置/力分段切換控制方法。其中對焊頭行程進(jìn)行分段控制，焊頭從懸空中下降到芯片表面附近，接近芯片表面但未與芯片發(fā)生接觸，這段行程應(yīng)用Turbo PMAC進(jìn)行位置控制;焊頭從芯片表面附近下降到與芯片發(fā)生接觸，并完成焊接，此段行程應(yīng)用Turbo PMAC進(jìn)行力控制，由位置控制切換到力控制通過 Turbo PMAC 程序?qū)崿F(xiàn)［2－3］。

1 Turbo PMAC伺服輸出機(jī)制

Turbo PMAC卡是美國DeltaTau公司推出的開放式運(yùn)動控制器。Turbo PMAC輸出的控制信號分為兩種:一種模擬量控制，另一種是脈沖+方向控制。為了實現(xiàn)對力的控制，采用模擬量信號控制，即Turbo PMAC DAC模擬量指令控制電機(jī)。伺服放大器的工作模式分為3種:位置模式、速度模式、力矩模式。伺服放大器設(shè)置為力矩模式，伺服放大器的力矩模式接受控制卡模擬量信號并且能夠控制輸出力的大小，Turbo PMAC+伺服放大器控制原理圖見圖1。

圖1 Turbo PMAC+伺服放大器控制原理圖

圖1中Turbo PMAC卡實際輸出到伺服放大器DAC模擬量指令值由兩部分組成:一部分是Turbo PMAC PID控制器輸出的DAC值;另一部分是Turbo PMAC DAC偏差補(bǔ)償值。

1.1 計算Turbo PMAC PID輸出DAC值

PMAC提供了PID+速度/加速度前饋+Notch濾波器控制器，通過調(diào)整比例增益、積分增益、微分增益 (即PID控制)、速度、加速度前饋，摩擦增益等參數(shù)來解決系統(tǒng)特性問題。Turbo PMAC的PID控制算法原理如圖2所示。

圖2 Turbo PMAC卡PID位置伺服算法框圖

參考圖2的控制模型，如果忽略死區(qū)濾波、陷波濾波器等因素，Cp(n)和Ap(n)分別表示指令位置和實際位置，Cv(n)和Av(n)分別表示指令速度和實際速度，Ca(n)表示指令加速度，可得如下公式:

位置跟隨誤差:Fe(n)=Cp(n)－Ap(n)

實際速度為:Av(n)=Ap(n)－Ap(n－1)

指令速度為:Cv(n)=Cp(n)－Cp(n－1)

進(jìn)行Z變換為:Cv(z)=Cp(z)－z－1Cp(z)=Cp(z)(1－z－1)

因此此處加入的環(huán)節(jié)為:kvff·(1－z－1)式中:kvff為速度前饋增益。

指令加速度為:Ca(n)=Cv(n)－Cv(n－1)=Cp(n)－2Cp(n－1)+Cp(n－2)

進(jìn)行Z變換為:Ca(z)=Cp(z)－2z－1Cp(z)+z－2Cp(z)

因此此處加入的環(huán)節(jié)為:kaff·(1－2z－1+z－2)

式中:kaff為加速度前饋增益。

由圖2可推導(dǎo)出以下公式:

式中:ki為積分增益，kd為微分增益，kp為比例系數(shù)。

由以上公式 (1)— (4)推出PID最后輸出量為:

1.2 計算Turbo PMAC輸出DAC值總和

Turbo PMAC實際輸出值是PID控制器輸出DAC值與DAC偏差補(bǔ)償值之和，Turbo PMAC DAC偏差補(bǔ)償值可以通過Turbo PMAC變量Ixx29由用戶自己設(shè)置。Turbo PMAC輸出DAC值總和為:

伺服一般為3個環(huán)控制，所謂3環(huán)就是3個閉環(huán)負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)，最內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，其次是速度環(huán)，最外環(huán)是位置環(huán)。Turbo PMAC+伺服放大器位置控制，速度環(huán)和位置環(huán)PID運(yùn)算由Turbo PMAC卡完成，電流環(huán)PID運(yùn)算由伺服放大器完成。Turbo PMAC+伺服放大器力矩控制，此時屏蔽Turbo PMAC的速度環(huán)和位置環(huán)，只剩下伺服放大器電流環(huán)，根據(jù)式 (6)的表達(dá)式，讓kp=0，Turbo PMAC PID輸出總為零，那么Turbo PMAC的速度環(huán)和位置環(huán)PID不再起作用，Turbo PMAC輸出的模擬量為DAC=Ixx29，控制電機(jī)力矩的大?。?1－12］。

2 位置/力分段軌跡優(yōu)化

自動焊線過程中，首先采用高速高加速度運(yùn)行，當(dāng)要接近目標(biāo)時，如果速度過高，焊頭與芯片碰撞瞬間沖量過大，瞬間沖擊力就越大，故而采用低速運(yùn)行，圖3所示是優(yōu)化前和優(yōu)化后兩種運(yùn)動曲線。

圖3 位置/力分段運(yùn)動軌跡

優(yōu)化前軟著陸運(yùn)動軌跡在位置控制模式切換到力矩控制模式時，其電機(jī)速度已降為零，優(yōu)化后的運(yùn)動軌跡中并沒有在位置/力切換過程中將電機(jī)的速度降為零，而是將其直接減速到安全的指定低速指令后直接接近芯片，實現(xiàn)軟著陸。通過對比分析兩種運(yùn)動軌跡，可以看出:優(yōu)化后的軟著陸運(yùn)行時間比前者縮短了，有效地提高了運(yùn)行效率。

3 位置/力切換方法

位置/力切換通過構(gòu)建切換函數(shù)T(s)實現(xiàn)位置/力切換，通常按力反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大體可分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。使用力傳感器閉環(huán)控制在一定程度上提高了力控的準(zhǔn)確性，但也增加了控制系統(tǒng)的難度。焊線機(jī)受機(jī)械結(jié)構(gòu)等因素影響，壓力傳感器的安裝也增加了機(jī)械系統(tǒng)的復(fù)雜性，固不使用力傳感器，即采用對力矩實行開環(huán)控制，而對位置實行閉環(huán)控制。

3.1 切換函數(shù)

對于切換函數(shù)T(s)，其切換條件選擇為電機(jī)編碼器反饋的實際位置，設(shè)Xp為切換條件位置，kp為Turbo PMAC PID比例增益，Ap(n)為實際位置，則

當(dāng)電機(jī)編碼器反饋的實際位置值A(chǔ)p(n)小于等于設(shè)定的條件位置值Xp時，比例增益kp≠0，Turbo PMAC PID正常輸出指令值，Turbo PMAC為位置閉環(huán)模式，意味著DAC總輸出為PID輸出值與DAC偏差補(bǔ)償值Ixx29之和。當(dāng)電機(jī)編碼器反饋的實際位置值A(chǔ)p(n)大于設(shè)定的條件位置值Xp時，比例增益Kp=0，PMAC PID輸出指令值總為零，Turbo PMAC從位置閉環(huán)模式切換到力矩開環(huán)模式，意味著DAC總輸出就是DAC偏差補(bǔ)償值Ixx29。

3.2 切換程序

切換程序必須處理的是這種方式的輸入輸出轉(zhuǎn)換，進(jìn)入力矩開環(huán)模式，令I(lǐng)xx29=M102，通過程序改變M102的值來改變力矩值的大小;另外，積分增益Ixx33和積分限制Ixx63都設(shè)置為0，屏蔽積分作用，電機(jī)Ixx11致命跟隨誤差極限也設(shè)置為0使其失效。由力矩開環(huán)模式切換到位置閉環(huán)模式，實際的電機(jī)位置值必須拷貝給兩個給定位置寄存器，一個用于電機(jī)，一個用于軸，使M163=M162，M165=M162，M162表示1號電機(jī)的實際位置值，變量M163表示1號電機(jī)的目標(biāo)位置值，M165表示1號坐標(biāo)系X軸的目標(biāo)位置值，這樣切換到閉環(huán)時就不會發(fā)生擺動而且平滑。同時比例增益kp、積分增益Ixx33和積分限制Ixx63都設(shè)置為位置閉環(huán)模式下的原有值，電機(jī)Ixx11致命跟隨誤差極限也重新存儲，使其有效［14－16］。Turbo PMAC卡位置/力矩切換程序:

在實際應(yīng)用中通過上述程序控制，得到如圖4所示的速度曲線圖，曲線1表示指令速度曲線，曲線2表示實際速度曲線，能夠滿足當(dāng)前高速焊線機(jī)的要求。

圖4 位置/力矩切換速度曲線圖

4 結(jié)束語

以往的引線鍵合伺服驅(qū)動控制多采用位置模式的控制方法，在引線鍵合過程中無法精確控制焊接力的大小，導(dǎo)致焊接質(zhì)量不是很理想。采用位置/力分段切換控制，控制位置的同時又能夠很好地控制力的大小，焊接質(zhì)量得到改善。在位置/力切換模式時，當(dāng)前存在切換時間過長 (通常為5～10 ms)、切換過程焊頭發(fā)生抖動問題，而基于Turbo PMAC卡提出的分段切換控制方法能好地解決切換時間過長和抖動問題，從而真正地實現(xiàn)了位置/力分段切換控制。

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