集中化運(yùn)動(dòng)控制提高性能并降低成本
2012/4/23 10:18:25
集中化運(yùn)動(dòng)控制提高性能并降低成本
Centralized automation control increases performance and reduces costs
引言：
當(dāng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)繼續(xù)爭(zhēng)取在更大的晶圓上推出更小的芯片引腳，能檢查晶圓并盡可能快查出瑕疵變得更加重要。先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制器的能力通過(guò)集中的自動(dòng)化控制可以給OEMs不同的優(yōu)勢(shì)來(lái)成就這些需求。在這篇文章中我們將談?wù)摦?dāng)今半導(dǎo)體OEMs怎么可以增強(qiáng)性能和減少成本通過(guò)運(yùn)用先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)和診斷工具。
作者：Cameron Sheikholeslami,
企業(yè)名稱：ACS Motion Control, Eden Prairie, MN, USA
摘要：
一個(gè)高精度電子束晶圓檢查的OEM設(shè)備商最近確定了在他們的下一代機(jī)器的三核心需求： 1)高分辨率位置反饋、2很緊密的靜態(tài)位置和勻速抖動(dòng) 3)能很容易地接口到Windows和基于Unix的個(gè)人計(jì)算機(jī)。
成本限制和最少的時(shí)間推向市場(chǎng)的要求領(lǐng)導(dǎo)著這位OEM選擇控制系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)成的解決方案組成，指定的配置適應(yīng)應(yīng)用需要。
OEM'對(duì)極端高分辨率位置反饋裝置的需求是關(guān)鍵。以前的幾代機(jī)器用標(biāo)準(zhǔn)直線編碼器，然而，這些設(shè)備在他們解析位置的準(zhǔn)確性上被限制。例如，一臺(tái)20µm線性可讀的模擬量編碼器帶12位的分辨率可以只能被解析到大概4.88nm分辨率。直線編碼器也被埋沒(méi)在位置臺(tái)里面，這就意味著，當(dāng)他們準(zhǔn)確地檢測(cè)馬達(dá)的位置時(shí)，他們會(huì)產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤，當(dāng)目標(biāo)是知道負(fù)載的位置時(shí)。這個(gè)錯(cuò)誤對(duì)于許多應(yīng)用是微不足道的，但是相對(duì)OEM的精確要求的話，它是相當(dāng)大。
激光干涉儀反饋
為了解決這些問(wèn)題， OEM商決定使用激光干涉儀作為下一代機(jī)器的反饋裝置。由于激光干涉儀以極端高分辨率的來(lái)確定位置，他們將是高精密度的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的最佳反饋裝置。在這個(gè)應(yīng)用中，試用了632nm波長(zhǎng)的He-Ne激光以12位分辨率的話可精確到約0.04nm附近。并且，他們可以直接在負(fù)載上測(cè)量位置，消除來(lái)自直線編碼器誤差來(lái)源。
當(dāng)然激光干涉儀的一定限制性也不可能被避免。一個(gè)局限是干涉儀是嚴(yán)格意義上的增量設(shè)備沒(méi)有" home" 參考點(diǎn)，在調(diào)零可能引起問(wèn)題機(jī)器。第二個(gè)局限是，當(dāng)在負(fù)載位置測(cè)量增加準(zhǔn)確度時(shí)，它也會(huì)減少伺服帶寬和穩(wěn)定型，特別是使平臺(tái)的剛性不是很好。這是，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)共振有一個(gè)相位導(dǎo)前特征，當(dāng)返回值接近電機(jī)（可以容易地調(diào)整)時(shí)，而結(jié)構(gòu)共鳴有一個(gè)相位滯后特征，當(dāng)返回值接近負(fù)載載時(shí)，是更難調(diào)整。從一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的頻率特性可以看到在圖1顯示不同的頻率響應(yīng)，當(dāng)使用激光反饋和編碼器(分別顯示)。
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Figure 1. 不同的頻率響應(yīng)特性當(dāng)使用激光反饋和直線編碼器。
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電機(jī)換向由于同樣的原因不是很準(zhǔn)確。第三個(gè)局限是更多與成本的相關(guān)，與反光鏡相關(guān)。更短的鏡子減少費(fèi)用，但是他們也減少行程的總范圍。同樣情況下，阻攔激光和丟失反饋是非常容易的，在電機(jī)快速地移動(dòng)，并且摩擦力很低的情況，如不使能軸也許造成電機(jī)運(yùn)行進(jìn)入硬停止。
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Figure 2. 雙反饋方案用激光干涉儀和直線編碼器。.
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要得到激光干涉儀帶來(lái)的所有好處，無(wú)需到限制， OEM終于決定使用使用激光干涉儀和直線編碼器的一種雙重反饋方案(圖2)。 MC4U被設(shè)計(jì)這樣即能使OEM商的機(jī)器運(yùn)行在以編碼器反饋的單反饋方式，以激光干涉儀反饋的單反饋方式，和雙反饋方式下激光干涉儀提供位置反饋和編碼器提供速度反饋(所有模式都以直線編碼器作為換向)。并且，在飛速切換進(jìn)行中允許用戶在任何時(shí)候在兩種模式間切換，即使電機(jī)在運(yùn)動(dòng)中。
對(duì)于”home” 在這不是問(wèn)題，直線編碼器零位能十分地準(zhǔn)確和滿足從復(fù)性要求的，用于設(shè)置直線編碼器和激光干涉儀的參考位置。用MC4U可以使用先進(jìn)的調(diào)試工具來(lái)解決調(diào)試的困難，并且能在快速運(yùn)行中在不同的反饋方式之間簡(jiǎn)單的切換并改變調(diào)試參數(shù)。因?yàn)樗褂弥本€編碼器，總是在刷新，電機(jī)的換向就沒(méi)問(wèn)題。可能發(fā)生短行程范圍和安全問(wèn)題，如果當(dāng)反饋在快速切換過(guò)程中激光被阻擋，以至于，如果電機(jī)運(yùn)行超行程范圍或如果控制器丟失干涉儀反饋由于光線阻擋，它會(huì)簡(jiǎn)單的使用線性編碼器，恢復(fù)到單反饋方式。
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Figure 3.當(dāng)使用編碼器反饋和激光干涉儀反饋時(shí)的特性比較. 0.27s后, 反饋源從編碼器切換到激光干涉儀. 圖示平臺(tái)在靜止時(shí)的位置誤差,用坐標(biāo)軸 y-axis 每格單位為10nm。
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當(dāng)用編碼器反饋對(duì)激光干涉儀反饋時(shí)的性能比較在圖3.能被看到。是平臺(tái)靜止時(shí)的位置誤差的實(shí)際展現(xiàn)，坐標(biāo)軸Ｙ軸單位為10nm。在圖示的初期，使用僅編碼器反饋，給了合理的位置抖動(dòng)在附近+/- 20nm。在0.3s附近的圖示階段，快速切換從單反饋編碼器方式到單反饋激光干涉儀方式激活狀態(tài)，位置的抖動(dòng)減少到<+/- 5nm.
OEM使用的調(diào)試工具包括頻率特性作用(FRF)分析軟件，一個(gè)能產(chǎn)生系統(tǒng)響應(yīng)的柏德圖分析工具。這個(gè)強(qiáng)有力的工具允許OEM準(zhǔn)確地確定系統(tǒng)(即傳遞函數(shù))的機(jī)電特性，用使他們用適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾器處理由反饋裝置的位置導(dǎo)致的相位導(dǎo)前/相位滯后反饋裝置的共鳴。
先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以幫助使自動(dòng)化晶圓傳輸系統(tǒng)簡(jiǎn)化半導(dǎo)體生產(chǎn)商的生產(chǎn)和增加制造線容量。通常這些系統(tǒng)使用與最小的重量和安裝空間的特別設(shè)計(jì)的機(jī)器人，移動(dòng)在一個(gè)直線轉(zhuǎn)換臺(tái)到傳輸晶圓從一個(gè)地方到另一個(gè)地方。
- 典型的設(shè)計(jì)這樣一個(gè)控制系統(tǒng)的挑戰(zhàn)是:
- 實(shí)時(shí)反向運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算. 移動(dòng)電機(jī)的坐標(biāo)系和移動(dòng)的晶圓的是不同的。控制器需要實(shí)時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)換移動(dòng)晶圓和電機(jī)運(yùn)動(dòng)之間復(fù)雜的等式.
- 移動(dòng)機(jī)械臂最少的接線同時(shí)保證最下的重量。
- 可擴(kuò)性: 增加軸和IO的可能型不影響基本的解決方案.
對(duì)于這樣有限制的系統(tǒng)，一個(gè)完全集成的控制器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不是理想的方案，由于許多長(zhǎng)而重的電纜要求連接到電機(jī)到集成了控制器和驅(qū)動(dòng)器的機(jī)架上。長(zhǎng)的電機(jī)電纜是特別易受EMI噪聲，并且可能極大降低整體控制性能。然而，一個(gè)快速的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(其他網(wǎng)絡(luò)，例如CANOPEN或DeviceNet，不可能實(shí)現(xiàn)必需的網(wǎng)絡(luò)通信容量)用一個(gè)外形緊湊的主站控制底和小而輕驅(qū)動(dòng)器直接裝在移動(dòng)的機(jī)械臂上，這就提供一個(gè)最佳方案。唯一的電纜需要在緊湊型主控制器的和從屬驅(qū)動(dòng)器之間是EtherCAT通信電纜，對(duì)EMI不是敏感的并且對(duì)移動(dòng)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)這種重量和阻力是無(wú)意義的。這種解決方案也是可升級(jí)的，使它簡(jiǎn)單增加其他的驅(qū)動(dòng)軸或傳送機(jī)器不同的輸入/輸出模塊。
總結(jié)
在整個(gè)集成電路制造過(guò)程后退是基于重大成本限制，削減在檢測(cè)設(shè)備的成本，但仍然得超過(guò)早先代機(jī)器的性能是OEMS廠商的責(zé)任。先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制器能使OEMs制造商集中所有自動(dòng)化控制和達(dá)到高性能要求。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)不僅提供半導(dǎo)體OEMs以增加的性能，但是他們可以通過(guò)運(yùn)用現(xiàn)成的部件，同時(shí)減少費(fèi)用并且先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)和診斷工具。
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