步进电机选型号

高速粘片机晶工作台的电机选型计算与运动控制

徐品烈

(中国电子科技集团第四十五研究所，北京东燕郊101601)

1 引言

目前，国内半导体生产线上的粘片机多使用从美国，德国，日本进口的设备。为降低成本，加快国内半导体设备的发展，提高生产效率，我所开发研制的高速粘片机，其粘片速度达到5只／s，UPH可达18 000片／h，它的关键指标和性能已达到国际先进水平。

高速粘片机主要用于LED芯片的粘接，能满足国内大多数LED生产线的需求，适用范围广，通用性强，除适合各种高品质、高亮度LED(红色、绿色、黄色、蓝色、白色等)生产外，还可用于部分半导体分离器件、二极管、三极管、PCB及小型DIP、SOP等产品的生产。 2 晶片工作台机构

高速粘片机主要工作过程包括：由上料机构将PCB框架放置于传输轨道中，由传输机构将PCB框架传输到点胶工位，点胶机构在所有PCB的焊盘上点胶后，由传输机构把PCB框架传输到粘片工位；晶片粘接在蓝膜上，而粘接晶片的蓝膜由绷环固定在晶片工作台上，CCD检测出芯片位置，通过晶片工作台的移动，使芯片自动对准于拾取位置，再由芯片拾取机构将芯片拾取后放置于点胶后的PCB焊盘上进行粘接。晶片工作台再根据CCD检测出的数据，使下一个相邻的芯片自动对准于拾取位置，等待拾取机构的拾取；重复这个过程，直到PCB 框架的所有焊盘上都粘有芯片后，由传输机构把PCB框架传输到收料工位，由收料机构将粘接完成的产品传送出去。

在高速粘片机中，晶片工作台机构根据CCD相机测量的数据，完成自动对准功能，要求在对准的过程中，实现精确的定位和快速的运动。晶片台由x、y工作台及晶圆承载台组成，采用双层直线导轨工作台和滚珠丝杠副，其主要技术参数： x向总行程：220 mm

y向总行程：220 mm

x向单步行程：10 mm

y向单步行程：10 mm

x、y向定位精度：±5 μm

x、y向单步运行时间：50 ms

根据功能和技术参数，我们采用了双层直线导轨工作台和滚珠丝杠副，如图1。

工作台x、y向均采用四滑块工作台，采用双层结构，x方向的结构及受力如图2所示。其中，W为工作台质量，F为外载荷。

x方向的驱动方式采用了滚珠螺杆方式，如图3所示。

3 工作台x向电机的选型计算

依据选择的滚珠丝杠的型号，根据手册上相关参数及计算可知，对于工作台x向电机的选型计算做如下处理。

结合滚珠丝杠的相关参数及工作台x向的性能指标，有如下已知条件：

工作台及负载：m=10kg

滑动面摩擦系数：μ=0．05

丝杠效率：η=0．9

欲压螺帽内部系数：μ0=0．3

丝杠轴径：DR=12 mm

螺杆全长：LB=280mm

材质：铁(=7．9×103kg/m)

螺距：PB=5 mm

分辨率：△l=0．5 μm

移动量：l=10mm

定位时间：t0=50 ms

根据以上相关参数，可以算出单个脉冲时电机

选择电机：

我们选择了安川的SGDM系列伺服电机，型号为SGMAH-02AAA41。其矩频特性如图4所示。

根据查阅《安川伺服电机手册》，该电机的转子的旋转惯性惯量为：J0=0．106×10-4(kg·m2) 把J0代入，求得TM为0．62 N·m，而该电机的额定扭矩为0．635 N·m，满足需要。

光栅尺采用HAIDENHAIN LIF471敞开式光栅尺，它采用干涉测量原理，其准确度等级达到3 μm，通过10倍频细分，其分辨率达到0．5μm。它的最高测量速度达到1．2 m／s。

4 电气控制系统

工作台的电器控制系统采用了工控机及PMAC多轴运动相结合模式，工作台的运动轨迹的控制由PMAC底层软件完成。

PMAC是program multiple axis controller可编程的多轴运动控制卡。PMAC卡是美国deltatau 公司的产品，是集运动轴控制和PLC控制以及数据采集的多功能的运动控制产品，Turbo PMAC使用Motorola DSP5630X处理所有32轴的计算，其伺服周期每轴可达40 μs，两轴连动可达110 μs，编码器采样时钟频率可达10 MHz。其时钟主频高达120MHz，最多可控制32轴连动。它具有编码器采样时钟频率高，用户借口方便，PID算法高效，比较适合于工业控制中应用。

在本机的应用中，将电机编码器信号反馈到伺服驱动器，由驱动器闭合电流环和速度环，将光栅尺信号反馈到PMAC卡上，闭合位置环。因为光栅尺安装于工作台上，构成了一个全闭环的系统。放大器接受从PMAC控制卡送来的速度命令，和从电机编码器送来的速度反馈信号，因为电机由放大器闭合它的速度环，而不需要使用PMAC环的速度增益，使速度环得到较好的调节，在本系统中，PMAC的模拟输出表示一个速度命令。速度模式放大器的关键优点是可以获得较高的硬度和较好的抗干扰能力。

因为采用了双反馈的运动控制系统，电机和负载上都有位置传感器。一个负载上的位置传感器比在电机上的位置传感器提供了更为精确的位置测量，因为它的精度不受在电机负载连接中缺陷的影响，但是，负载上的传感器也使轴变得更加不稳定，因为这些连接缺陷，现在都在反馈环内部。电机上的传感器，可能会使精度降低，但却提供了更好的稳定性，因为那些缺陷都不在反馈环内部。所以，通过电机和负载上都使用传感器而获得高精度和稳定性是可能的。负载上的LF471光栅尺的反馈信号闭合位置环，将其脉冲信号细分后分辨率可达0．5 μm，保证了定位的精确性，同时可排除间隙误差，螺距误差等的影响；通过安装于电机上的13位增量式旋转编码器闭合速度环，可以为系统提供更好的稳定性。

5 测试分析

通过调节驱动器的相关参数及PMAC的PID参数的调节，工作台X向电机的位置曲线如图所示。图中球状粗曲线为理论位置曲线，细实线组成的曲线为实际位置曲线，可知，在50 ms 的时间里，工作台X方向完成了10 mm的距离，符合设计要求。但是，从位置曲线可以看出，理论曲线和实际曲线之间有一个明显的跟随误差。