（机械工程专业论文）全自动划片机控制软件的研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着半导体工业的飞速发展，集成电路芯片种类越来越多，精度要求越来越高，晶 圆尺寸也越来越大，对划片机控制软件要求也越来越高，需要控制软件做到界面友好， 操作简单，灵活性强，兼容性高，同时还需要具备自动识别对准功能。 本文以全自动划片机的控制软件的设计为目标，文中确定了控制软件的整体设计方 案以及模块化的设计思想，并采用面向对象的编程技术完成控制软件的设计。主要包括 以下几个内容的研究： 分析划片机控制软件的实际需求，确定整体软件设计基于w i n 2 0 0 0 操作系统，并采 用模块化的设计思想，分布式的控制理念，提高控制软件的硬件无关性。 基于面向对象的数据结构化设计以及采用类模板编程方法实现切割数据灵活的工 艺适应能力，能够满足目前几乎所有复杂加工工艺的需求。 采用分布式控制方法提高运动控制效率，采用光栅尺闭环控制的方法提高运动轴定 位精度，采用比例+ 前馈增益的方法消除了机械系统的位置响应滞后的问题，提高了系 统运动的响应速度及定位精度。 通过对划片机加工晶圆图像的分析，确定了图像的预处理方案，并在基于灰度的模 板匹配算法的基础上，利用序贯相似度检测算法提高匹配效率，并结合运动控制模块， 最终实现划片机的自动识别对准过程。 本文研究开发的控制软件已经应用在全自动划片机上，该样机已经投入生产应用。 全自动划片机控制软件的研究与开发对同类型设备的控制软件的开发具有很好的参考 价值。 关键词：划片机控制软件运动控制图像匹配 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st l l er a p i dg r o w i n go fs e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y ，t h o s ei cc h i p sh a v em o r ea n dm o r e k i n d s ，a n dp r e c i s i o nb e c o m eh i 曲e r l a nb e f o r e ，a n ds i z eb e c o m el a g e r t h a nb e f o r e t h o s e n dt 1 1 es y s t c mc o n t f 0 1s o 疗w a r eh a v e 衔e n d l yi n t e d 、a c e ，s i 埘p l e so p e r a t i o n ，h i g ha g j l i t ya n d c o m p a t i b i l i t y a l s ot h em u s th a v et 1 1 ea u t o a l i 印m e n ta b i l i 吼 t l l i sp a p e rr e g a r d st l l ec o n t r o ls o n w a r eo ft 1 1 ef u l la u t od i c i n gs a wa si t sd e s i g no b j e c t t 1 1 i sp 印e rc o 碰r i l l st l l ew h o l ep r o j e c to f 也ec o n n d ls o f t w a r cw 胁m o d u l a r i z a t i o na n d d i s 埘b u t e ds t n l c t u r e a n dd e s i g n e dt h ec o n 订o ls o 行a r cb ym em e t h o do f0 0p i th a sm a d e s o m ec o n c l u s i o n sb yd e e p l ya n a l y s i sm ef o u rp o i n t s t h i sp 印e rc o 瓶m st h ew h o l es o n w a r ei sb a s e do nw i n 2 0 0 0s y s t e m ，a f t e ra n a l y z et h e r e q u i r e m e n to fc o n t r o ls o 抒w a r e 山帕u s et h em o d u l a r i z a t i o na n dd i s 埘b u t e ds t m c t u r ec a n d oi t sp o s s i b l et op u ts o f h a r eo u to f t h eh a r d w i r e s b a s e do nt h em e t h o do fo o pa 1 1 dc l a s st e m p l a t e ，t h es o f c w a r e st e c h n i ca d a p t a b i l i t yw a s e i l l 】a n c e d ，w h i c hc a nmn e a r l ym ed e m a n do fa l lm ec o m p l i c a t e dm a c h i n i n gt e c h n i q u e s b a s e d0 nt h cm e t 圭l o do fd i s 伍b u t e ds t m c t i l r e ，t h em o t i o ne m c i e n c yw a se n h a n c e d a n d u s et h ec l o s e1 0 0 pc o n t r 0 1m o d e li nm o t i o nc o n t r o l ，m i st e c l l i l i ci m p r o v e sd i c i n gs a w s p r e c i s i o n a n de l i m i n a t em a c l l i n er e s p o n s el a gb yt 1 1 em e m o do f p r o p o r t i o na n df o r 、a r dg a i n a l lt h e s ei r n p r o v es y s t e mm o t i o nr e s p o n s er a p i d 时a i l dt 1 1 ep r e c i s i o no fo r i e n t a t i o n t h i sp a p e rc o i l f i h n s 如ep r 咖锄e n tw a yo ft h ei m a g e ，a n db a s e st h eg r a ym o d c l m a t c h i n gm e t h o d ，t h e u 踮s s d am a t c l l i n ga c c e l e r a t ea r i t h m e t i ct or e s o l v ee m c i e n c yo ft h e 曲a g em a t c h i n 岛r e s o l v em ew a f b r sa u t o - a l i 髓m e n tc o l l r s ew i t l lm o t i o nm o d l l l e t k sc o n t r o ls o f c 、张r eh a su s e di nt h ed i c i n gs a w ，a 1 1 dh a v el l s e di 1 1p r o d u c t i o n t h e r c s e a r c ha n dd e s i g no fc o n 扛o ls o r w a r eb a v e 酽e a tr e f b r c n c eo fo t l l e re q l l i p m e n ta l i k e k e yw o r d ：d i c i n gs a ws y g t e mc o m o ls o 胁a r e m o t i o nc o n 订o l i n l a g em a t c h i n g l i 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：蘑够河7 历 日期：p 妒6 年华月曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密r j ，在一 年解密后适用本授权书。 本论文属于， 不保密日 ( 请在以上方枢内打“”) 学位论文作者签名涮 日期：v 一二年牛月影日 指导教师签名： 苏，哎 日期：甜年午月扩名日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 1 绪论 我国半导体工业的飞速发展，对半导体专用设备的需求也是越来越高，如功率电子 器件、声表面器件、传感器件、光电子器件、新型太阳能电池等，现有划片机自动化程 度及功能都很难满足电子器件生产的可靠性和技术性能要求。但是长期以来作为后封装 环节关键设备的划片机一直由国外厂家垄断，特别是大尺寸高精度的划片机更是由于国 内这一领域的空白而更加严重，每进口一台全自动精密自动划片机都要花上二三十万美 金，开发和研制出具有自主知识产权的8 英寸自动划片机即能缓解国内生产急需大尺寸 划片机的压力，也能减少外汇支出。 控制软件作为划片机的核心，一直以来都在不断发展变化，过去开发的第一代划 片机是用单片机汇编语言开发的早期机型，但是随着集成电路工艺的进一步发展进步， 以及数字图像技术的发展和计算机的发展，9 0 年代中期开发了以工业计算机为控制核 心的新一代控制系统，采用d o s 为系统平台的c 语言编程，研制出h p 6 0 0 和h p 6 0 2 精密 自动划片机，但是随着w i n d o w s 操作系统的广泛应用，使p c 机的操作系统发生了革命 性的变化。作为目前主流的操作系统，w i n d o w s 具有许多其他操作系统无法比拟的优点： 1 w i n d o w s 具有操作界面友好，程序开发相对容易，开发程序可移植性好等优点： 2 具有高精度的实时响应特性和抢占式多任务调度机制，因此，在w i n d o w s 下开 发实时多任务系统具有更大的优势： 3 w i n d o w s 为应用程序的开发提供了丰富的内部接口函数( a p i ) 可以很方便的实现 弹出式窗口，菜单，滚动条，对话框，图标等界面元素： 4 运行机制更加安全，一个应用程序崩溃不会影响其他程序运行： 5 w i n d o w s 平台下丰富的软件资源有利于划片机系统功能的集成与扩展。 而目前世界几乎所有的高端划片机都是基于w i n d o w s 平台开发，所不同的是所采用 的1 i i n d 0 w s 版本不相同，主要是以w i n n t 4 o 和l i | | f i n 2 0 为主。 研制以w i n d o w s 为系统平台的划片机控制软件成为本项目的一个重点，用以突破 原有d o s 平台下开发的控制软件在兼容性、继承性等诸多方面的不足给划片机进一步发 展带来的局限，也就是以w i n d o w s 为系统平台开发新一代具有良好互换性，可移植性、 高扩展性、高度柔性的划片机控制软件的意义所在。并且能有效提高划片机的市场竞争 华中科技大学硕士学位论文 力。 1 2 国内外研究现状 1 国内外划片机的发展现状与趋势 在国外，划片机自七十年代初问世以来，发展非常迅速，品种不断增加，应用领 域也越来越广。开始时，只有日本、美国、英国三个国家的四、五个公司制造划片机， 而今以色列、俄罗斯、韩国、台湾、中国大陆也都制造出了划片机，划片机制造厂家已 经发展到十多个公司。 最初的划片机只是用来切割晶体管半导体硅片，最大只能切割3 英寸硅片。现在， 它不仅用于切割硅片，还用于切割其它的薄、脆、硬材料，应用领域越来越广。占世界 划片机销量8 0 的日本d i s c 0 公司，代表着当今世界划片机的最高水平。该公司的最新 产品是2 0 0 2 年1 2 月推出的d f d 6 3 6 0 型划片机。该机最大划片尺寸达1 2 英寸，切割速 度最高达6 0 0 m s ，定位精度最高达o 0 0 3m m 2 l o m 。 我国真正开始研制划片机的起步时间较晚，基本上是从七十年代末开始的，到1 9 8 2 年研制出了第一台国产化的划片机，1 9 8 3 年初进厂进线，开始投入使用，结束了我国 划片机完全依赖进口的局面，为国家节省了许多外汇。国产划片机的一大优点是性价比 高，性能上完全能满足国内半导体生产厂家的需要，因元器件全部国产化，所以价格低， 价格仅为国外同类产品的2 0 左右，而且维修和更换元件方便，时间快，解除了用户的 购后之忧，所以国产划片机一上市，就大受欢迎。经过二十年的不断努力，现在国产划 片机已发展到第三代产品。从原来的3 寸发展到8 寸，控制软件的研发也从原来的单片 机为核心、参数拨码输入，发展到现在的以计算机控制技术的应用，以w i n 2 0 0 0 为平台 开发的可视化图形界面，从原来的手工对准到现在的机器自动识别，从原来的手动上料 到现在的自动上料。但是由于我国基础工业落后，制造工艺水平差，配套的部件跟不上 国外水平，某些技术指标上不去，所以目前国产划片机落后于国外先进水平。 伴随着电子技术及相关产业的飞速发展，国际半导体业韵生产己发生了巨大变化。 集成电路由大规模向超大规模发展，集成度越来越高，划切槽越来越窄，一般在3 0 一4 0 u m 。 迄今为止其遵循的主要规律是：每个芯片上的晶体管数每年增加5 0 ，或每3 5 年增加4 倍：特征尺寸( 沟道长度) 、门延迟、连线的步径( 线宽+ 间距) 每年减少1 3 。这对于以金 刚石为刃具的强力磨削加工工艺来说，己进入临界尺寸。为了降低成本，硅片的赢径越 做越大，目前国际上已有1 5 个国家( 地区) 建有1 6 0 多条8 英寸生产线，7 个国家( 地区) 建有1 2 英寸生产线。预计2 0 0 5 年时，全世界1 2 英寸硅片的月产量将达到1 0 0 万片， 2 华中科技大学硕士学位论文 到时1 2 英寸芯片设备将占市场总销售额的7 0 以上。 我国半导体工业从1 9 9 5 年以来，发展迅速，尤其从1 9 9 8 年以来，我国半导体产 业链己从建立时期进入高速发展壮大时期。据世界电子数据年鉴报道，1 9 9 4 年和 2 0 0 2 年的世界l o 大电子工业生产国( 地区) 东移十分明显。在世界1 0 大电子工业生产 国( 地区) 中，1 9 9 4 年欧美和亚洲各占5 个，2 0 0 2 年则己变为4 个和6 个。2 0 0 2 年世界 1 0 大电子工业生产国和地区的产值达8 8 3 9 亿美元，比1 9 9 4 年增加了7 5 ，同期欧美 下降了6 ，而亚洲增加了1 9 。亚洲的日本也是下降的，唯有亚太地区进展迅速，增加 了4 0 ，达3 0 3 3 亿美元，己接近欧美4 国的水平( 3 4 8 6 亿美元) 。中国表现最为突出， 从原先的第8 位一举窜升到了第3 位，产值突破于亿美元。到目前为止，我国已拥有 3 6 7 家设计企业，4 9 家芯片制造企业，若干个关键材料及专用设备仪器制造企业。4 9 家芯片制造企业主要分布在长江三角洲地区、京津地区和珠江三角洲地区。1 1 。 为了适应集成电路的发展，划片设备技术和工艺也有了较快发展。最初的划片机只 是半自动设备，控制系统采用的是单板机，容量小，设备的功能较少，设备的加工精度 也不高。随着相关技术的发展，现在国外已有全自动的划片机，一般由主机部分、自动 对准、自动上下片、自动清洗4 个单元组成。划片机的控制系统已开始采用工控机控制 系统，控制功能增强：采用光栅测长系统控制各轴的精密分度定位，步进定位精度小于 0 0 0 3 m m ：采用c c d 光学对准显微镜进行自动图像识别，自动图形对准。目前日本的d i s c 0 公司又推出了引领划片机潮流、代表划片机最高技术水平的双轴对装式1 2 英寸全自动 划片机，并逐渐进入实用化阶段。 2 划片机控制软件的发展现状与趋势 划片机的控制软件发展从刚出现的单片机控制为主，汇编语言编写控制软件，主要 是七十年代的划片设备，目前沈阳仪表科学研究院的z s h 3 0 6 、z s h 4 0 6 等机型还是以单 片机控制为主，汇编语言开发控制软件，控制软件功能相对简单，人机界面没有图形化， 参数的输入多是单数据逐个输入，对准也一般是通过显微镜，人眼观察或是工业监视器 观察，加工精度也不高，一般只具备手动、半自动划切功能。到九十年代采用工业计算 机作为控制主体，以d o s 为操作系统开发平台的第二代控制方案平台，当时主流的机型 由d i s c 0d a d 3 2 0 、d a d 3 2 1 系列划片机，东京精密的a w d 一1 0 0 a 、a w d 一1 0 b ，这一类型 的机器普遍在功能上都要比上一代划片机要丰富，但在图像对准单元还都停留在图像的 显示、对准标记的叠加等初级应用上，又都不具备自动上下料、自动清洗等功能。到了 九十年代后期，多种图形化的操作系统不断流行，这其中有实时操作系统l i n u x 、v x w o r k s 等，还有就是w i n d o w s 操作系统。l i u n x 作为一个代码公开的操作系统，在很多领域得 华中科技大学硕士学位论文 到广泛应用，但是在硬件的兼容及开发周期上存在比较大的问题；v x 谨0 r k s 作为嵌入式 操作系统的典范，在可靠性、效率的方面有着不可替代的优势，但是开发成本过于昂贵、 开发难度也是最高。随着w i n d o w s 操作系统的不断完善和应用，虽然在实时性上有定 的不足，但是w i n d o w s 强大的兼容性、灵活的操作性，以及编程资源的丰富，在划片机 的控制软件的进一步的改进中，都普遍采用w i n d o w s 操作系统作为开发平台，采用基于 面向对象的可视化编程技术，分布式控制原理、模块化的思想设计出第三代划片机，其 中包括d i s c od f d 6 3 4 0 、d f d 6 3 6 1 。1 、东京精密的a w d 一3 0 0 t x 以及以色列a d t7 2 0 0 系 列等主流机型，这第三代划片机中还有一个显著的特点就是高集成性和高自动化程度， 普遍都包括双轴加工、自动上下料，自动识别对准、自动清洗的功能单元。 1 3 本文的主要工作 本课题根据项目协议要求，控制软件在功能上除了划片机所要具备的一般要求以 外还必须具备双轴阶梯划切、双轴倒角划切、自动识别准等高级功能，通过对现行划片 机主流控制软件的分析，依托先进的面向对象的新技术、新理论和强大的w i n d o w s 操作 平台进行划片机控制软件的研发，主要研究的内容有以下四个方面： l 、基于w i n d o w s 操作平台划片机主控程序的设计主控程序主要是通过于用户界 面管理和调度各个功能模块，使各功能模块之间能够协调工作，完成待加工件的加工。 2 、数据模块的结构化设计，数据模块统筹了划片机涉及到的相关数据，采用结构化 的设计来简化了软件的开发，提高设备的延展性、灵活性。 3 、运动控制单元的设计，该模块在理论的指导下实现了划片机的运动精确定位， 通过这一模块实现划片机一般加工、双轴阶梯翊切、双轴倒角划切等复杂运动。 4 、图像识别对准的研究与实现，通过数字图像处理技术与运动控制相结合、实现机 器自动识别对准功能，提高设备的自动化程度。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 划片机控制软件总体结构及界面设计 2 1 系统需求分析 划片机作为后封装设备中的重要一环，加工原理上采用装有金刚石砂轮刀的高速主 轴切削工件，主要针对半导体晶片这样精密的加工，而且随着半导体工业的高速发展， 日新月异的芯片工艺，对于划片机的软件设计提出了许多现实而又具体的设计要求：不 但要功能全面，还要求有很强的扩展性，很高的可靠性等，因此软件系统的需求分析显 得尤为突出。 划片机控制软件涉及精密运动控制、图像识别、数据处理、i o 信号的处理、a d 转换及输入模拟信号的分析处理，因此划片机控制软件必须提供用户友好的交互界面， 用户可以很方便的操作划片机来满足加工需求，同以前汇编和d o s 下的控制软件相比， 现在采用w i n d o w s 系统平台在用户界面的设计上相对容易，同时可视化资源也很丰富， 但在设计用户界面时还要更多的考虑用户操作的简单便捷。此外，由于划片机主要是加 工高精密的集成电路晶圆，随着整个半导体工业的发展，集成电路的应用领域也越来越 广，集成电路晶圆的种类也是越来越多，需要控制软件在工艺数据处理上有很强的能力， 需要提供用户根据待加工件生成工艺数据的能力，还要具备对数据文件编辑、拷贝、删 除、查询等基本功能，同时还要考虑到系统灵活性，需要将许多系统参数分级别的开放 供给不同等级的操作者，即能最大限度的提高设备的工作效率，也不会因为参数的错误 设置导致整个系统瘫痪，所以在数据模块时设计级别制，同时对重要数据进行多级校验， 以确保整个工作过程的安全高效。自动精密划片机运动是由x 、y 、y 2 、z 、z 2 、e 等6 个方向的运动构成，控制软件除了需要将这6 个方向有机的统一来满足实际的切割工 作，还必须具备实时观测每一个方向实际位置、运动速度的能力，以及提供方便简捷的 手段给用户，让用户能够检测各运动向的状态，还必须能够对各方向的定位精度参数化 设置来满足不同用户的加工要求。控制软件还需要具有图像识别对准功能，通过这一功 能可以完成有机器自动完成原来由操作员做的对准过程，需要软件具备方便的特征模板 学习功能，以及高效低错误率的识别算法来满足这一过程的要求。除了上面这几个方面， 控制软件必须提供一个灵活的高效方法来管理设备i o 数字信号或是模拟信号，用户能 够很容易的监视整个设备中气压、水压、真空度等设备信息。当然任何设备都不可能避 免故障的出现，控制软件还得设计一套实时、准确的异常处理机制，通过这一模块，设 备必须具备自诊断功能，帮助用户及时有效的处理设备故障。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 系统总体设计 在进行软件设计时，从全局着眼，先将整个系统的任务功能分成一个个模块，并为 每一个执行模块定义，然后设计每一个具体模块的程序，最后组成一个系统，不仅整个 系统的程序结构可具有模块化的特性，而且其模块内部也可以细分为小模块。模块特性 对测试很有利，对功能扩充也很方便。要增加新功能，只要增加新模块就能实现，像搭 积木一样。因此，这样的模块程序设计方法思路清晰、逻辑性强、柔性大。1 “。 划片机的加工控制是一个具有实时多任务的控制系统。必须合理地将各模块根据对 实时性的要求进行强实时性任务和弱实时性任务分类，来克服w i n 2 0 0 0 分时操作系统在 实时性上的不足，否则将导致执行结果错误和系统故障。为了提高系统资源的利用率和 运动控制的速度，本课题采用资源分时共享的并行处理技术，同时在数据的传递上对于 需要高速传递的数据采用共享内存数据段的方法提高和改善系统的实时性。 对于w i n 2 0 0 0 操作系统，采用“分时”来实现多任务的并行处理。其方法是：在一 定的时间长度( 时间片) 内，根据各任务的实时性要求程度，规定它们占用c p u 的时 间，使它们按规定顺序和规则分时共享系统的资源。因此，在采用“资源分时共享”并 行处理技术的控制器中，首先要解决各任务占用c p u ( 资源) 时问的分配原则。 该原则解决如下两个问题：一是各任务何时占用c p u ，即任务的优先级分配问题； 二是各任务占用c p u 的时间长度，即时间片的分配问题。 控制软件采用循环调度和优先抢占调度相结合的方法来解决上述问题。循环调度是 指轮流反复的执行各个子任务。优先抢占调度机制是一种基于实时中断技术的任务调度 技术，其功能有两个：一是优先调度，在c p u 空闲时，当同时有多个任务请求时，优 先级别高的任务优先得以满足，例如，若识别对准过程、运动状态显示同时请求执行， 由于状态显示不是那么严格要求在规定的周期内完成，属于弱实时性任务，则位置控制 的要求将首先得到满足；二是抢占方式，在c p u 正在执行某任务时，若另一优先级更 高的任务请求执行，c p u 立即终止正在执行的任务，转而响应优先级更高的任务请求。 例如，当系统正在执行切割程序时，若此时刀痕检查任务请求执行，控制软件首先将 正在执行任务的现场保护起来，然后转入刀痕检查任务的执行，执行完毕后再恢复到中 断前的断点处，继续执行切割程序。 资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来看，各个任务还是顺 序执行的。 全自动划片机系统控制软件从大的方面划分了以下几个模块：入机交互界面模块、 6 华中科技大学硕士学位论文 数据处理模块、运动控制模块、自动识别对准模块、自诊断及报警显示模块以及一些辅 助模块等。 系统程序运行时，先进行系统一些参数的初始化，如传感器的检测、变量初始化、 轴坐标的初始化等。系统通过数据处理模块编辑加工程序，运动控制模块与数据处理模 块一起将数据处理成能够执行的运动指令，并规划运动轨迹，自动识别对准模块结合数 据模块提供的晶圆特征模板，根据实时图像分析的结果通过共享内存数据段传递给运动 控制模块来实现对准，对准完成以后运动控制模块根据设定的加工模式完成实际的加 工，在以上过程中并行执行故障处理模块，系统给故障处理模块高的任务优先权，当故 障处理模块发现故障时，立即中断当前出错任务。直接进入故障处理模块，故障排除后 主程序空循环，等待优先级高任务执行。 下面先简要介绍一下各个模块的功能： ( 1 ) 人机交互界面模块 该模块的主要任务包括：操作面板设计和设备参数的初始化、相关数据的输入、数 据存储、数据校验、数据处理和图像采集等模块之间的调度工作。此模块是该划片机统 软件的主控模块，负责其它各个模块之间的调用及协调其他各个模块之间的工作。 ( 2 ) 数据处理模块 由于划片机的针对工件种类繁多，以及刀具数据的管理等等都需要在软件设计是充 分的考虑到灵活性和扩展性以及安全性。所以主要有两个重点： 数据基类( c d a t a ) 的设计：所有用到数据类( 切割数据类c c u t d a t a 、刀具数据类 c b l a d e d a t a 、与切割数据类c p e r c u t d a t a 、设备维护数据类c u s e r s e t d a t a 、系统设置数 据类c s y s t e m d a t a ) 的父类，具有可供其它子类继承的如文件存储，文件读写，文件名 修改等功能。 类模板的方法来设计工件加工数据：主要对工件属性进行归类，用模板类的方法 来完成数据的处理，从而简化数据，但有大幅度的提高系统的灵活性，使得设备的应用 范围更加广阔。 ( 3 ) 运动控制模块 经过编辑处理后的数据，还不能直接用于运动控制，还需要根据实际的工件位置 进行计算，将数据转换并下传到下位控制单元才能用于运动控制。由于是由x 、y 、y 2 、 z 、z 2 、e 共6 向电机组成，运动复杂，所以系统控制软件通过运动控制模块将数据规 划后由运动控制器来完成实际的运动控制。 ( 4 ) 自动识别对准模块 7 华中科技大学硕士学位论文 系统软件根据定位需要，分析处理图像卡传输到计算机的数字图像，并将分析得 到的结果用来调整工作台，直到工作台上工件位置满足定位精度要求的过程。 ( 5 ) 自诊断报警模块 系统提供自诊断报警模块，设备运行过程中实时监测和检测各模块单元，一旦出现问 题实时报警提示，并做出处理，如：当主轴在运转的情况下该模块实时监测气压和水压， 一旦不能满足要求，立即让主轴停转，如在加工过程中还要保护现场数据，便于处理。 整个全自动划片机系统软件的基本结构可用图2 1 描述。 控 制 软 件 系统初始化模块 变量初始化、检查 坐标系确定、显微镜聚焦 操作面板 人机交互界面模块 自诊断报警模块 菜单、工具栏、状态条 信息输出框 状态显示面板 数据输入输出管理 切割数据 刀具数据 数据处理模块预切割数据 运动控制模块 设备运行数据 设备维护数据 状态监视 运动规划输出 切割数据文件管理 切割数据编辑 刀具数据编辑 预切割数据编辑 设备运行数据编辑 设备维护数据编辑 初始化运动 切割运动 双轴倍切 双轴倒角切 测高运动 旺亟 二 压亟 i 匦匦 惬亟二 自动识别对准模块 图2 1 控制软件总体结构图 华中科技大学硕士学位论文 从图2 1 中可以看出控制软件被划分成几大模块，而其中的几个模块又划分成若干 自模块，体现整个控制软件模块化设计的思想。 主控程序功能模块化设计，模块与模块之间通过根据需要可以通过用户界面进行有 机连接，由于运动控制模块的运动控制模块写在底层运动控制器上，为了提高数据问交 换的速度，在内存中开辟一段共享内存段来交换数据，提高数据的交换速度，自动识别 对准模块将图像识别匹配的结果直接放到共享内存数据段，底层运动模块高速响应图像 的匹配结果，提高对准效率。模块与模块之间的关系以及数据流向如图2 2 所示： 界面模块 ij j f f 系统初始化数据处理模故障诊断处 自动识别对 模块 块 理模块准模块 inj j f 共享内存数据段( 运动数据、错误标志变量) ：层模块 丁丁 犀尴操文 运动控制模块 图2 2 控制软件模块关系图 故障处理单元根据内存共享数据段中的故障标志变量来判断故障，根据错误的情况 传递给界面模块错误信息，界面显示出故障并报警。 底层运动控制模块通过实时的p l c 子模块对内存共享数据段中的运动指令变量，进 行扫描，根据指令变量执行对应的运动模块。 9 华中科技大学硕士学位论文 主控软件程序流程结构图如2 3 所示 图2 3 控制软件流稗图 设备开机就直接进入初始化过程，没有故障由用户加载数据文件，用户可以根据实 际需要选择手动对准和自动对准，对准完成后进入自动划切模块，加工完成后用户确定 是否继续加工或是更换数据在加工，这里的每一个模块如果出现故障都会自动交由白诊 断故障报警模块来处理。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 3 界面与接口设计 2 3 1 用户界面及功能区设计 用户界面的简单描述是人和计算机之间的联系媒介，确切描述是用户通过用户界面 向计算机提交各种数据命令，以对计算机进行操作和控制，而计算机及时通过用户界面 将计算机处理和控制的情况表示出来，直观地供用户观察了解，并指导用户进一步行动： 另外，用户界面还必须为用户和计算机提供识别、检查以及帮助等功能所以用户界面 不仅仅为用户和计算机提供沟通的渠道，而且也是充分发挥计算机功效的重要手段。， 一个友好的用户界面能够提高系统的使用效率，促进用户更好的掌握及创造性发挥，所 以其作用显得愈发重要。在v i s u a lc + + 6 0 的m i c r o s o f td e v e l o p e rs t u d i o 环境中， 使用应用向导( a p p w i z a r d ) 生成w i n d o w sg u i 应用程序基本框架。4 。在资源编辑器中 的对话框和控件，生成了一个非常友好的w i n d o w s 风格的用户界面。划片机控制系统软 件的用户界面包括：下拉菜单、工具栏、操作面板、图像显示视图、状态显示面板以及 故障输出。全自动划片机控制系统软件的用户界面如图2 4 所示。 图2 4 全自动划片机控制系统软件的用户界面 旦宝卫坠婆垫塑堡昼亘塞盛三茎垫塑塑型：鱼垫迟型塑丝塾望：釜丛塑型垫三笙型： 华中科技大学硕士学位论文 刀具对刀过程控制、设备维护参数设置、设备调试等划片机所要完成的功能的操作。下 面简单介绍一下用户操作界面的组成结构： 界面的菜单区位于用户界面的最上面，提供几乎所有的操作选择功能，菜单区下面 就是工具栏( c t 0 0 1 b a r s ) ，可以直观快捷地完成新建数据、数据编辑、启停主轴等工作。 界面的右边为状态显示区域，实时显示x 、y 、y 2 、z 、z 2 、o 的位置、气压、水 压、主轴转速等状态。 界面的下面是信息数出区，包括四个信息页：运行信息、错误信息、切割通道数据、 限位及i o 状态信息。在信息输出区下是状态栏( c s t a t u a b a r ) ，显示用户操作状态、x 向和y 向坐标测量值、用户等级等。 界面的左面是操作面板，主要完成：数据管理、手动对准、模板生成及自动对准、 切割过程、对刀过程等的控制。 用户界面中间区域为图形显示区，主要用于自动对准显示、图像显示输出、加工刀 痕检查。通过继承c v i e w 类实现其功能。 2 3 2 操作面板设计 设备的操作面板是用户和控制系统交互的接口，本系统操作面板主要由主操作面 板、手动对准操作面板、自动对准操作面板、自动划切操作面板组成，如图2 5 所示： 主操作面板 手动对准操作面板自动对准操作面板自动划切操作面板 图2 5 控制软件操作面板界面结构 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 主操作面板 这是一级操作面板，是执行数据管理窗口、手动对准、自动对准、切割加工、测高 过程、系统初始化。类结构如下： c l a s sc m a i n o p e r b a r w n d ：p u b l i cc c o n t r o l b a r面板的基类 1 p u b l i c ： c m a i n o p e r b a r_ w n d m a i n o p e r b a r ： a b w n dmw n d t a b s ： c m a i n o p e r b a r w n d ( ) ： c l a s s w i z a r dg e n e r a t e dv i r t u a lf u n c t i o no v e r r i d e s a f x v i r t u a l ( c m a i n o p e r b a r w n d ) ) ) a f x _ v i r t u a l p u b l i c ： v i r t u a l c m a i n o p e r b a r w n d ( ) ： p r o t e c t e d ： a f x m s g ( c m a i n o p e r b a r w n d ) a f x m s gi n t o n c r e a t e ( l p c r e a t e s t r u c t1 p c r e a t e s t r u c t ) 1 ) a f x - m s g d e c l a r e e s s a g e 里p ( ) ) ： c l a s sc m a i n o p e r b a r ：p u b l i cc d i a l o g p u b l i c ： c m a i n o p e r b a r ( c w n d 半p p a r e n t = n u l l ) ： a f x d a t a ( c m a i n o p e r b a r ) e n u m i d d = i d d l m a i n o p e r d l g ) ： c b u t t o n s tl n - b t n t e s t h i g h ： c b u t t o n s tm - b t n o p e r v a c u m ； c b u t t o n s tm b t n a i i l i b y h a n d ； c b u t t o n s tm _ b t n i n i t s y s t e m ： c b u t t o n s tmb t n f u l l a u t o c u t ： 华中科技大学硕士学位论文 c b u t t o n s tm _ b t n f i l e s m g r ： c b u t t o n s tm _ b t n e x i t w i n ： c b u t t o n s t 虬b t n a u t o c u t o p e r ： ) a f x d a t a a f x v i r t u a l ( c m a i n o p e r b a r ) p u b l i c ： v i r t u a lb o o lp r e t r a n s l a t e m e s s a g e ( m s g 半p m s g ) ： ) ) a f x v i r t u a l p r o t e c t e d ： a f x m s g ( c m a i n o p e r b a r ) v i r t u a lb o o l0 n i n i t d i a l o g ( ) ： a “一m s g v o i do n l o a d d a t a ( ) ： 数据管理 a f x m s gv o i do n t e s t h i g h o p e r ( ) ： 钡高过程 a f x - m s gv o id0 n o p e r v a c u m ( ) ： 真空操作 a f x s gv o i do n o p e r a i m b y h a n d ( ) ：手动对准 a f x m s gv o i do n i n i t s y s t e m o p e r ( ) ： 系统初始化 a “一m s g v o i do n f u l l a u t o c u t o p e r ( ) ： 自动识别对准加工 a f x m s gv o ido n a u t o e u t o p e r ( ) ：自动切害4 a f x m s gv o i do n t i m e r ( u i n tn i d e v e n t ) ； ) a f x _ m s g d e c l a r e m e s s a g e m p ( ) ) ； 操作面板派生于c c o n t r o l b a r ，包含由c b u t t o n s t 控件组成的铡a i n o p e r b a r 派生 于c d i a l o g ，用鼠标点击对应的按钮控件来调用对应的函数完成所需操作，由于篇幅有 限就不给出类的具体实现。 ( 2 ) 手动对准操作面板 该面板为二级操作面板其功能是：手工完成工件的定位对准工作、其实现的方法如 主操作面板、不过除了包含按钮控件、还有用于数据修改的编辑控件c e d i t b o x ，来修正 数据。 ( 3 ) 自动对准操作面板 该面板为二级操作面板其功能是：用于控制自动识别对准过程、通过点击按钮控件 1 4 华中科技大学硕士学位论文 来执行特征模板的提取及参数编辑，特征模板的可用性测试等相对应的函数。 ( 4 ) 自动划切操作面板 该面板为二级操作面板其功能是：用于对自动划切加工过程的控制、通过点击按钮 控件来执行暂停修正、加工参数变更、预切割过程启停等函数。 2 3 3 运动控制面板的设计 运动控制面板与操作面板一样要为用户提供最直接最方便的操作支持，运动面板提 供用户最直接的对x 、y 、y 2 、z 、z 2 、9 运动进行精确控制，用户通过运动面板可以完 成各轴向的连续运动、等距运动、变距运动、x 、y 、y 2 位置测量、o 设定角度运动等 常用功能，用户通过键盘按下对应的按键就能很方便的控制工作台的运动。界面如图 2 6 所示： 图2 6 运动控制面板界面 考虑到划片机的控制相对复杂，而运动控制面板又是用户最为常用的功能，在设计 该面板时不再采用操作面板使用到的方法，而是采用对话框的设计思路，根据功能的要 求其类的结构如下： c l a s sc m o v t i o n c t r l ：p u b l i cc d i a l o g 继承至c d i a l o g p u b l i c ： i n t l n a c t i v e m o t o r ： c m o v t i o n c t r l ( c w n d 爿cp p a r e n t = n u l l ) ： s t a n d a r dc o n s t r u c t o r a f x d a t a ( c m o v t i o n c t r l ) e n u m ( i 叻= i 叩_ m o v c t r l ) ：枚举对话框资源i d c m o t i o n b t nm _ b t n r o t a t e 9 0 ： o 旋转9 0 。按钮控件 c m o t i o n b t nm _ b t n m o v z u p ； z 、z 2 向上运动按钮控件 c m o t i o n b t nt n - b t n v z d o w n ：z 、z 2 向下运动按钮控件 华中科技大学硕士学位论文 c m o tio n b t nm _ b t n m o v r i 曲t c m o t i o n b t ni n b t n m o v l e f t ： c m o t i o n b t n 叱b t n m o v f r o n t c m o t i o n b t nmb t n m o v b a c k ： c m o t i o n b t nmb t n m o v c w ： c m o ti o n b t nm