高精度激光切割运动控制系统研讨.docx

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1、高精度激光切割运动控制系统研讨介绍了激光切割运动控制系统的构成及原理；设计基于GALIL运动控制卡的运动控制系统，采用全闭环的运动控制方式，使系统的精度和加工质量都得到提高；经过工艺实验及测试，可知足当前切割工艺对设备精度的要求，并获得客户的认可。关键词：激光切割；GALIL运动控制卡；全闭环运动控制；伺服电机随着激光技术的不断发展以及激光技术深化半导体行业，激光已经在半导体领域多道工序获得成功应用。广为熟知的激光打标，使得精细的半导体芯片标识不再是个难题。激光切割半导体晶圆，一改传统接触式刀轮切割弊端，解决了诸如刀轮切割易崩边、切割慢、易毁坏外表构造等众多问题。近年来光电产业的快速发展，高集

2、成度和高性能的半导体晶圆需求不断增长，硅、碳化硅、蓝宝石、玻璃以及磷化铟等材料作为衬底材料被广泛应用于半导体晶圆领域。随着晶圆集成度大幅提高，晶圆趋向于轻薄化及晶粒密集度的显著增加，对激光加工设备的精度性能提出了更高的要求。本文主要对激光切割设备的运动控制系统进行设计，采用全闭环的控制方式，实现稳定高精度的运动平台，经客户使用和测试，能够知足目前激光切割对工作台精度的要求。1激光切割设备构造简介如图1所示，应用于半导体行业的激光切割设备是精细微加工设备的一种，它是一台集光纤激光器、工控机、伺服运动控制、电气控制、检测技术等于一体的自动化设备，从外观上来讲，主要有两大部分组成：机械部分和电气控制

3、部分。机械部分主要包括加工平台、大理石平台(主要用于保证加工平台的稳定性和精度要求)、气动构造、设备整体机架、光纤激光器等。电气控制部分主要包括工控机操作界面、伺服运动控制、电气控制、检测传感器、CCD影像处理系统等。整个设备采用全封闭安全设计，加工时仅有前推拉门安全窗口观察设备内部的加工情况，安全窗口激光透过率仅仅是10-5，保证操作人员的安全。设备的每个可拆卸门板处安装有传感器，当激光出射经过中任何一处传感触点未感应则设备发生报警且激光出光中断。设备主要应用于GPP切割，蓝宝石切割及碳化硅切割等。产品优点：定位精准，加工精度高xy轴定位精度：3m，分辨率为0.1m，移动速度150mm/s，

4、最小切割线宽10m、加工效率高，知足批量生产。2激光切割设备电气控制系统2.2.1电气控制总体构造图如图2所示，整个设备采用xyzw四轴联动运动控制系统。xy轴采用COPLEY驱动器和AKRIBIS直线电机，直线电机优点：定位精度高、反响速度快、构造简单、工作安全可靠、寿命长、机械摩擦损耗几乎为零。xy平台互相垂直叠加用于准确移动工件位置，x轴平台安装于大理石基台实现x方向的准确位置驱动，y轴垂直安装于x轴之上实现y方向的准确位置驱动。z轴安装于大理石龙门架上，实现激光焦点的准确定位，Z轴采用松下A5系列伺服电机和驱动器，采用位置闭环控制系统。其重复精度为4m，移动速度25mm/s，分辨率为0

5、.1m。w轴采用安川DD电动机，构成旋转承片台，实现承片台的旋转功能，运动工作台如图3所示。整个伺服运动系统通过GALIL运动控制卡进行准确控制，GALIL运动控制卡通过改变发出脉冲的频率来改变电机的运动速度，同时改变发出脉冲的个数来改变电机的运动位置，它的脉冲输出形式包括脉冲/方向、脉冲/脉冲方式，脉冲计数可用于编码器的位置反应，构成位置闭环控制系统，来检测机器运动的准确位置，时时纠正电机运动经过中产生的误差。同时，GALIL运动控制卡与工控机通过以太网进行通信，以便用上位机界面能够准确、方便地控制电机的运行，进而更好地进行工件的精细切割。2.2.2GALIL卡运动控制模块如图4所示，GAL

6、IL卡运动控制模块主要包括各个轴的正、负、原点限位信号、GALIL运动控制核心、电机和驱动器执行部件。在一般的运动控制设备中，设备上安装的限位开关都是机械开关或者光电开关，这两种开关都有一定的缺陷。机械开关有一定的弹性变化范围，用的时间稍长后，其弹性系数会发生变化，同时也会有一定的机械磨损，这些都会带来位置偏差，而光电开关本身具有一定的感应范围，电机运动的速度和方向不同时，都会带来一定的偏差，而本文设计的x、y、z轴的限位信号采用的是光栅尺自带的标刻限位，比一般的光电限位愈加准确。在这里限位信号的主要作用是：1防止电机出现过冲现象。当电机运行到正负限位时，就自动停止运动，防止对设备造成毁坏。2

7、起到坐标定位的作用。设备第一次上电时，电时机自动运行，进行寻向操作，寻找到设备的正负限位及原点。详细经过如下：上电后，x、y、z轴电机依次向规定的正向运动，到正限位后，向相反的方向移动，寻找到第一个原点作为坐标原点，继续向负限位移动，当找到负限位后，电机向正向移动，到达原点后，停止运动，然后y轴电机开场重复这样的操作，直到所有的电机完成此项操作，整个设备伺服系统的寻向经过才算完成。GALIL运动控制卡通过发送脉冲信号和方向信号给驱动器来控制电机的准确运动，同时，光栅尺或者编码器把信号反应到驱动器，经过驱动器处理后再反应给GALIL卡，GALIL卡接收到反应的信号后时时调整发送的脉冲信号，这个就

8、构成了一个完好的伺服运动控制系统。2.2.3全闭环电机伺服系统全闭环伺服系统原理如下列图5所示，检测装置直接对整个工作台的实际位置进行检测，转变为电参量后反应到输入端与输入信号相比拟，把得到的差值经过放大和变换，最后驱动电机向减少误差的方向移动，直到差值等于零。常见的位置检测器有编码器、光栅尺、磁栅等。全闭环伺服系统将位置检测器安装在整个工作台上，进而获得整个工作台准确的实际位置，其精度主要取决于工作台上位置检测器反应数据的精度，其定位精度甚至能够到达亚微米量级，主要应用于高精细的自动化设备。本文设计的切割设备主要用于精细微加工切割，因而需要使用全闭环伺服系统，使用雷尼绍的光栅尺作为位置检测器

9、，用于整个加工台面的位置检测，然后反应到驱动器，最后反应到控制卡，其最高精度可达3m，很好地知足了设备加工的要求。3运动参数设定及测试运动调试软件主要包括GALILTOOLS及COPLEY驱动器调试软件CME2。GALIL运动控制卡采用脉冲、方向的控制方式，在驱动器里实现电流环，速度环和位置环的PID参数的设定。电流环的调试采用自动调试方式，速度环和位置环则采用人工手动调试。调整位置比例因子Pp以减小跟随误差；将速度前馈因子和加速度前馈因子设为0；速度前馈因子Vff会产生跟随误差。在恒速运动经过中，通常设为16384100%，在加速或减速经过中加速度前馈因子会产生跟随误差，位置比例因子过大会引

10、起震荡。图6为位置环调试运动曲线。控制系统调试后，对每个轴进行了累计误差和重复精度的测试，表1为测试结果。从测试结果能够看出，系统的定位精度和重复精度都较高，能够进行样品切割实验。在实际测试经过中，进行了样品的切割，运行速度控制在150mm/s，样品如图7所示，到达了客户提出的技术要求。本文主要阐述了高精度切割设备在半导体领域的成熟应用。并结合实际生产需要设计了较高精度的的运动控制系统。经过反复调试及划切实验，到达了期望的运行速度和精度。本系统的实际作用在于提高了激光切割机的品质，使加工的工件外表精度与质量都得到大幅度的提高，整机的柔性与稳定性也得到很大的改良，使激光切割机的故障率降低，自动化水安然平静工作效率得到提高。