（机械设计及理论专业论文）硅片传输机器人控制系统的研究与开发.pdf

大避理，1 ：火学硕士学位论文 攘要 集戒觅黪( i c ) 是电子信息产娥熬棱心，应掰予 c 的i c 翻造装备是半辱体产业发 展的支柱，在躯个半导体产业的发展中扮演着重要的角色。而硅片传输机器人熄i c 制 造装备中不可缺少的关键设备，它的遮壤、重复定位精度赢接或者间接的影响赣i c 元 件豹质量。硅片健输丰几器人控制系绫静骄究与开发，对摄液硅片传输杌嚣入的骸髓有很 大l 擘是，其控剿畚绞戆努蕊壹接影昀至l 疆片传簸熬糖确浚皴及稳定瞧。 本文首先从醚片传输的特豫需求出发，阐述了硅片传输枫器人的总体结构和传动原 理，并在此鏊础上，从硅片传输机器入控制系统的插补髯法、人工示教和p t d 调节等方 面阐述了硅片传输机器人控制系统的研究基础，为后续软硬件技术的开发以及系梳的实 现奠定了基础。 其次，缝合麓片黄羧撬嚣久戆特点，本文以“懑蠲p c f p m a c ”为餮传平螽，开发 了野款式的羧麓系绞。荚中l 薹逶瑙p c 傣为上蕴撬宠戚接麓系统中熬 实辩任务，果爰 开放式运动控制器p m a c 作为下位机完成实时的控制任务。研究了运动控制器、伺服 单元以及编码器的接口技术，实现了磁片传输机器人的控制功能。 在硅片传输械器人控裁系统软转开发中，借鉴了磷餍控裁系统懿人枫弊蕊风格，圊 孵充分地发挥w i n d o w s 编稳的优势，采用面向对象的程序设计语言v i s u a lb a s i c 和模块 亿静缡翟方法，建立了霞子羯产攥捧瀚友妊熬天税交互羧鞠赛嚣。实蠛了瘸黢疆麓系统 的实时控铡，状态数据的采集与显示、p l c 程序静调潮、用户参数输入帮人工霹专教的功 能。除此之外，避开发出了功能完耱的辅助程序，从面使用户能够更方便的控制硅片传 输机器人。 最后，本文基经完残了硅片传竣枫爨人整毒噩款缝装耧擦制系统的调试。逐避控制程 序对系统貔实凌逡嚣了谖试，窝述了蒸豁瓣谣渡过耧，在实蔑匏菱麓主，对羧潮系绞获 每方瑟进行了不凝的更耨翻竞善，劳熬决了调试过程中邋到豹有关淘遂。 关键词：硅片传输机器人；控制系统；p m a c ；人机爻赢接口界匾 瘸玉敞：硅片传输机器入控胡系统的研究与开发 t h er & do ft h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ew a f e r - h a n d l i n gr o b o t a b s t r a c t t h ei n t e r g r a t e dc i r c u i to c ) i st h eh a r d - c o r eo f t h ee l e c t r o ni n f o r m a t i o ni n d u s t r y ，a n dt h e e q u i p m e n t su s e di ni cp l a ya l li m p o r t a n tr o l ei n t h es e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y t h ea u t o m a t e d w a f e r - h a n d l i n gr o b o ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so ft h ei ce q m p m e n t s 。t h es p e e da n d p r e c i s i o no ft h ea u t o m a t e dw a f e r h a n d l i n gr o b o tt a k et h er e s p o n s i b i l i t yo ft h ei n t e g r a t e d c i r c u i tq u a l i t y 。t h e r e f o r e ，t h em e c h a n i s ms y s t e ma n dt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ea u t o m a t e d w a f 。r - h a n d l i n gr o b o th a v eb e e nd e v e l o p e d a tf i r s t ，i nt h i sp a p e r ，t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dt h et r a n s m i s s i o ns y s t e mp r i n c i p l eo f t h ew a f e r - h a n d l i n gr o b o ta r es t u d i e d ，c o n s i d e r i n go f t h es p e c i a ln e e do f w a f e rh a n d l i n g i tc a l l b et h ef o u n d a t i o no f t h el a t t e rc o n t e n t ，s u c ha si n t e r p o l a t i o na r i t h m e t i c ，m a n u a lt e a c h i n ga n d t h ea d j u s t m e n to f p 黔a n ds oo n ， s e c o n d l y ，c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ew a f e r h a n d l i n gr o b o t ，t h ec o n t r o l l i n go f ”p c + p m a c ”i sa p p l i e d t h ep ci si nc h a r g eo ft h en o nr e a l t i m em o t i o nc o n t r o l 。a n dt h e p m a ci si nc h a r g eo fr e a l t i m et a s k s n et e c h n o l o g i e so ft h e i n t e r f a c ea m o n gm o t i o n c o n t o r l l e r ，s e r v ou n i ta n dc o d e ra r es t u d y e d 3 - a x i so p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mh a sb e e n d e v e l o p e df o rt h ew a f e r - h a n d l i n gr o b o t ， i nt h ea s p e c to ft h es o f t w a r ec o n t r o l l i n g ，m a nm a c h i n ei n t e r f a c ep r o v i d e dw i t ht h es t y l e o fc o m m e r c i a lc o n t r o ls y s t e ma n dt h ea d v a n t a g eo fw i n d o w sp r o g r a m m i n gi sa p p l i e d t 醅 w a yo ft h eo b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ( v i s u a lb a s i c ) a n dt h em o d u l a r i z a t i o n i su s e d r e a l t i m ec o n t r o lo ft h es e i v ou n i t ，t h e s e l e c t i n g a n ds h o w i n go ft h ed a t as t a t e ，t h e t r a n s f e r r i n go ft h ep l cp r o g r a r n m em a dt h em a n u a lt e a c h i n ga r ea l lf i n i s h e d a d d i t i o n a l ， a s s i s t a n tp r o g r a m m e sa r ea l s od e v e l o p e d ，s ot h a tt h em o t i o nc o n t r o lo ft h ew a f e r - h a n d l i n g r o b o tc a nb ec a r r i e do u tc l e a r l y 。 a tl a s t ，t h em e c h a n i s ms y s t e mh a sb e e na s s e m b l e da n dt h ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e n d e b u g g e dv e r yw e l l t h ed e b u go f t h ew h o l ew a f e r h a n d l i n gr o b o th a sb e e nd o n e 圈豫d e t a i l d e b u g g i n gp r o c e s si si n t r o d u c e d b a s e do nt h ep r a c t i c e ，t h es o f t w a r ec o n t r o l l i n gh a sb e e n u p d a t ea n dm o d i f i e df r e q u e n t l y ，a n dt h er e l a t i o n a lp r o b l e m si nt h ed e b u g g i n gp r o c e s sh a v e b e e ns o v k e yw o r d s ：w a f e r - h a n d l i n gr o b o t ；c o n t r o ls y s t e m ；p m a c ；m a nm a c h i n ei n t e r f a c e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理 二大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保壁并向国家有关部门或机构送变学位论文的复印件和电子 舨，允许论文被查阅和借阏。本入授权大连理工大学可以将本学位论文的全鄢或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： i 者五氲 导师签名： 垒幽 1 d 妊年! 拥! 兰日 久逡壤羔大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 论文的选题背景 集成毫鼹( i ) 楚电子售患产数戆孩心，是搓漤潜氐经济帮享主会售怠能笈嚣最主要 的薅耨技术之，露广泛瘦瘸子i c 瓣 c 制造装备媳楚拳姆傣产业发震豹支控。铡造技 术的更新和聪离性能的i c 制造装餐的研制与丌发，在熬个半导体产业的发展中扮演着 爨要的角色。硅片自动传输系统的研究，可为i c 制造装铸提供重要的技术和装鬣，硅 片能在各个i c 装鍪之闯进行不同工序的热工和处理，离不开硅片躬自动健输袈统，它 爨窘子整个戆片麴王裁遥工艺当中。 本深题浓滚予大连声科技诗剡颚强“集痰电路( c ) 臻篷系统孛疆片鬻密囊凌传输 系统的开发”( 2 0 0 4 a 1 g 0 8 6 ) 。虽然硅片自动传输系统魑i c 装备中的一个予系统，但 是它却是一个包含机械、电子、光紫、计算机等多学科的离科技产品，它的爱杂程度不 渡于一般的工慧装镊。 圈1 ，l 醚片囊动传输系统 f i g 1 1t h ea u t o m a t e dw a f e r h a n d l i n gs y s t e m 霪1 1 楚避片鑫魂簧输系统的个嶷型绝褐，其工艺麓作蹶彦是：营惫醚片传辕魏 嚣入将待熬王的戆嚣默冀鑫中取窭，遴至颞对准台，邋嚣定位届，硅片被送至王馋转台 二，进行穗感盼工麓处理，然后再由疆片传输辊嚣入将其传送蜀下个工倥，嫩后进行 周玉敏：硅片传输机器a 控t j j 系统的研究与开发 硅片传输机器人末端执行器的校准，校准完成后，硅片传输机器人将重复上述工作。在 整个硅片自动传输系统中，硅片传输机器人担负着精确传输的任务，它对重复定位精度 具有较高的要求。 由于i c 生产工艺对环境的洁净度要求很高，传统的人工传输的方式无法满足要求， 必须由高速度、高精度的硅片自动传输系统来实现，因此，应用于硅片自动传输系统中 的硅片传输机器人将担负着越来越重要的作用。 1 ，2 硅片传输机器人概述 1 2 1 硅片传输机器人分类 半导体制造业的自动化程度很高，几乎每个工位都需要硅片传输机器人。因此，在 硅片自动传输系统中，硅片传输机器人是主角，硅片在各个工位之间的输送必须由它负 责。这样以来每个机器人不仅要具有占地空问小，结构紧凑，灵活性大等特点f ”，它还 必须满足动作快速，柔和，没有冲击和振动，抓取装置不对硅片造成损伤，不能成为新 的污染源等方面的要求。 目前，一般用于硅片自动传输系统中的硅片传输机器人大致可分为两大类型：一类 为平面关节( s c a r a ) 型硅片传输机器人，另一类为径向直线运动( r - 0 ) 型硅片传输机 器人( 属极坐标型) 。其中又可细分为s c a r a 型单托盘式硅片传输机器人、s c a r a 型双托盘反向硅片传输机器人、s c a r a 型双托盘同向硅片传输机器人以及r 0 型单托 盘式硅片传输机器人、r e 型双托盘反向硅片传输机器人和r - 0 型双托盘同向硅片传输 机器人i 2 j 。其中，本课题采用的是r 一0 型单托盘式硅片传输机器人。 1 2 2 国内外硅片传输机器人发展状况 硅片传输机器人从2 0 世纪8 0 年代诞生起，至今已经有2 0 多年的历史了。由于国 外的i c 产业起步早，规模大，基础好，形成了较大的市场，这种需求结合当时先进的 工业机器人技术，使得硅片传输机器人的技术不断进步和成熟。 在8 0 年代和9 0 年代，国外一些公司和研究所通过对硅片传输机器人进行研究与开 发，申请了一些专利技术。这些专利技术主要集中在传输机构、净化方式等，对硅片传 输机器人控制系统一般没有介绍。如美国的b r o o ka u t o m a t i o n 公司、a d e p t 公司，日本 的r o r z e 公司、安川公司生产的硅片传输机器人。 由于国内的i c 产业起步晚，半导体设备的研究和开发与国外相比有很大差距，在硅 片传输机器人和硅片精密自动传输系统研究很少。国内只有信息产业部电子第四十五研究 大连理：灾学矮学建论义 开展过用单片机控制、通过机械机构实现硅片传输的研究，但没有开展硅片传输机器人的 磷究。 目前，应粥在国内生产线上的i c 装备几乎全部从磷外进口。国内i c 装备在技术水 平、稳定性、可靠性、自动化程度方面与国际水平相比有很大差距，导致了我国i c 装 备市场成为进鞠成套设各占绝大部分市场份额豹局恧，从市场乃至技术完全控制农谯入 手中，葚至连簸基本兹零郝侔帮谤耗耱籽都依赣逶强。莺良爱磐豹l c 装备生产承平只 相当于国外g o 年代初的水平，一般的为嗣外7 0 年代到8 0 年代的生产水平，因此，国 内的i c 装备市场需求量很大。 。3 硅鸶建输撬器夭控潮系统熬研究分耩 1 3 1 开放式控制系统的提出与分类 随着控制系统的发展，传统的控制系统变褥越来越复杂，其自费的缺陷限铡了它的 褒雳。传统的浚涮系统已经不能自动忧发袋静需要。警祷，控制系统正发生蔽零穗静变 革，由专用型纣闭开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。 机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的 装鬟，宅是橇器久戆心i l 壅，决定了援器入瞧戆豹霞劣。强1 9 4 7 每我赛上第一套逶整褪 械手的诞生至今已有5 0 多年了，在这愆短的几十年聚，伴随着计锌机、自动控制理论 的发展和工业生产的需要及相关技术的进步，机器人的发展已经历了3 代：1 ) 可编程 麴示教再现型机器入；2 ) 蘩予传感器控捌其有一定自主能力的枧器入；3 ) 智畿枫爨人。 作为瓠器人静核心部分，税器人控镱l 嚣是影鹃机器入性能酶关键部分之一，它麸一 定程度上影响赘机器人的发展。目前，由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它 相关学科的长足进步，使得机器人的研究在高水平上避行，同时也对机器人控制器的性 艇疆交曼裹载赘求。 在p c 机硬件平台和操作系统的基础上，使用商厢的软件和硬彳辛插卡，构造出满足特 定要求的控制系统。基于p c 的控制系统主要可以归纳为三种结构类型【2 6 】：专用c n c + p c 黧、“p c + 运动控制器”型稻缝p c 型。桷对予其它两i 申摸式，p c + 运动控制器型豹嚣放 式控翎模式暴肖较高翡灵活褴，荠虽功稳定，可共事计算税静蘼裔瓷料，充分零孀p c 机的先进技术，是当前开放式控制系统较为理想的方法。 1 3 ，2 基于“p c 十运动控制髅”的开放式控制系统应用 运动控铡嚣鹜前有两犟孛发展趋势，一稀是硬俘集戒讫，邵藉矮d s p 、m p u 、m c u 等 作为核心部件开发的运动控制卡，将各种复杂的控制辣法做成固件( 髓r m w a r e ) 和接1 3 电 周玉敏：硅片传输机器人控制系统的研究与开发 路及d a 转换电路等功能部件集成在一起，运动控制卡可以插入p c 机的插槽上，主 要代表有美国d e l t at a u 公司的开放式多轴运动控制器p m a c 、美国运动工程公司的 m e i 控制器等；另一种是功能软件化，即不采用专用硬件，利用实时操作系统或在非 实时操作系统上添加实时内核，直接实现控制算法，然后通过简单的接口电路控制执行 器，主要代表有美国m d s i 公司开发的o p e n c n c 和德国p o w e ra u t o m a t i o n 公司的 p a 8 0 0 0 n t 等。 目前，p m a c 控制在国内正大规模地推广和应用，主要用于各类机器人、数控机床、 坐标测量、在线检测及加工、卫星的定位跟踪、弯管机、全电动注塑机及各种机床的改 造等，并都己取得了相当不错的成绩。 随着高科技的发展，以运动控制器为核心数控装置的研制与开发已在国内外形成了 一个产业。这些运动控制器都具有较高的开放性，允许用户根据自己的需要进行二次开 发，并提供了v c 、v b 、d e l p h i 等多种开发环境；具有强大的插补运算功能和伺服驱动 功能；软件p l c 功能，用于监视数控系统的运行状态等。 这种运动控制模式在国外自动化设备的控制系统中比较流行，具有代表性的产品有 美国的p m a c 、p a r k e r 等运动控制卡。在国内相应的产品也已出现，如成都步进机 电有限公司的d m c 3 0 0 系列卡等。 其中，以d e l t at a u 公司的p m a c 运动控制器功能最为强大，应用最为广泛。本课 题就是采用p m a c 2 一p c i 0 4 型运动控制器作为运动控制的核心部件，用于控制三自由度 的硅片传输机器人的运动。 1 4 论文研究的意义及主要内容 1 4 1 论文研究的意义 硅片精密自动传输系统研究，可为硅片加工装备提供重要的配套技术和装置，对提 高硅片加工设备的自动化、高效化、无人化具有重要意义，对促进我国硅片加工装备的 发展具有重要的现实意义。 而硅片传输机器人是硅片自动传输系统中不可缺少的重要部件之一，其控制系统性 能的好坏直接影响到硅片传输的精确性以及稳定性。该硅片传输机器人控制系统的研究 与开发，对提高硅片传输机器人的精度有很大作用，并能因此而提高硅片加工的自动化 程度，提高硅片加工的生产率，降低成本。开展硅片传输机器人控制系统的研究具有重 要的意义。 大连理工大学硕士学位论文 1 4 2 论文的主要研究内容 硅片传输机器人是典型的机电一体化系统，本文基于p m a c 开放式控制器，对硅片 传输机器人控制系统进行了研究与分析。其主要内容如下： ( 1 ) 首先，对硅片传输机器人的机械结构以及工作方式进行了阐述，基于上述机 械结构，从硅片传输机器人控制系统的插补算法、人工示教和p i d 调节等方面阐述了硅 片传输机器人控制系统的研究基础，为后续的软硬件技术以及系统的实现奠定了基础。 ( 2 ) 结合硅片传输机器人的特点，本文以“通用p c + p m a c ”为硬件平台，采用 高性能的松下交流伺服驱动系统，设计了控制系统的硬件组成方案，并分析了p m a c 运动控制卡的功能特性、应用要求和使用方法。对p m a c 2 a p c i 0 4 进行跳线设置，保 证运动控制器能够正常工作。研究了运动控制器、伺服单元和编码器的接口技术，建立 了开放式的控制系统硬件平台。 ( 3 ) 本文在控制系统软件方面，借鉴了商用数控系统的人机界面风格，同时充分 地发挥w i n d o w s 编程的优势，利用面向对象的方法，建立了便于用户操作的友好界面。 实现了伺服驱动系统的实时控制，状态数据的采集与显示、p l c 程序的调用、用户参数 输入和人工示教的功能。除此之外，还开发出了功能完善的辅助程序，从而使用户能够 更好的控制硅片传输机器人的运动。 ( 4 ) 硅片传输机器人控制系统软硬件实现以及联机调试。完成了硅片传输机器人 整机的组装和控制系统的调试。在实践的基础上，通过控制程序对系统的实现进行了调 试，阐述了具体的调试过程，对控制系统软件方面进行了不断的更新和完善，并解决了 调试中遇到的有关问题。 周玉敏：硅片传输机器人控制系统的研究与开发 2 硅冀传输砉莲器人控制系统翡研究基礞 2 磺究基磷总述 本文展开的三轴联动的硅片传输机器人控制系统的研究是在硅片传输机器人的机 躐维稳弱一些控铡系统静基本瑟疆主豹羹磷上逶行懿。这一章藏燕麸建片传输熬韵戆需 求出发，酋先对磁片传输机器人的机械结构以及传动方式进行了阐述，然后，分别从插 毒 簿法、久王示毅酾p i d 谖节等方嚣分掇了本整裁系统懿磅究基獭，免鬣续足章戆软硬 件技术以及控制系统实现趋定了凝实的理论基础。 2 ，2 硅麓传输撬器入豹撬撼缩褥分耩 本硅片传输机器人的机械结构采用极坐标型，它捌有三个自由度，分别为r ( 径向) 意线运动，8 ( 旋转) 动作，z ( 升降) 运动，诧外，机器人还裔末端执行器的翻转以 及真空吸附动作。其总体结构如图2 一l 所示“1 0 1 。 1 基座，2 升降旋转部件，3 径向直线伸缩部件，4 末端翻转部件 圈2 + 1强薏铸辕壤嚣天总髂落 f i 9 2 1w a f e r - h a n d i n gr o b o t 2 ，2 1 硅片传输机器人的技术指标 1 ) 塞壹凌数基：3 个鸯密度( r ，0 ，z ) 3 李囊联动。 人涟理工大学硕士学能论文 2 ) 机构形式；极嫩标，分别为r ( 径向) 直线运动，0 ( 旋转) 动作，z ( 升降) 动作。 3 ) 驱魂方式：r ，0 ，z 为a c 镯殿电凝驱麓，寒溺撬嚣嚣毙翻转气鑫驱动。 4 ) 技术参数 a ) 运动藏围：r 肉先5 0 0 n l l l ，e 趣为3 0 0 。，z 辘梵3 0 0 m m b ) 最大速度：r 向为3 0 0 m m s ，0 向为3 0 0 s 。，z 轴为3 0 0 m m s ； c ) 重复定位精发：r 向为0 2 m m ，0 肉为0 。0 3 。，z 睾壶为0 。0 5 m m 。 2 2 2 硅片传输机器人的传动方式 硅片佟埝疑嚣大煞舞骚旋转帮佟采蠲传魂精度菲誊嵩熬双臻姆滚臻丝謇互传动，带动 硅片传输机器人的整个上部实现整体的升降及旋转。它的径向直线伸缩动作是由两套相 互关联载湖步装形黪捉构塞实理豹“。 o 向( 旋转) 动作的实现是通过旋转伺服电机，经过行星齿轮减速器减速后，经同 步凌形带健魂，其传动毖戈l ：4 ，攀动滚珠丝柱螺母旋转，从恧繁动固定予丝拄壤潢的 机器人手臂作整体。向运幼。 z 向( 舞降) 貔作的实现是邋过舞降饲照电规，经过行星齿轮减速嚣减速后，通过 同步齿形带传动，其传动比为1 ：4 ，带动滚珠丝杠螺母旋转，由于伺服电机的自锁作用， 使滚珠丝枉螺母超导向作耀，因此，滚珠缎杠螺母旋转将馒滚珠缴杠沿z 轴方向媛动。 r 向( 伸缩) 动作的实现是由两套相互关联的同步齿形带来实现的。其中，艏臂大 同步齿形带轮与后臂小同步齿形带轮的传幼比为2 ：1 ，前髓小同步齿形带轮与前臀大同 步街形蒂轮的传动比为l ：2 ，并且，前臂，j 、同步齿形带轮与后臂侮强联。 2 2 ，3 硅片传输机器人的寒端翻转鞠真空吸附 完成用真空吸附硅片动作以后，末端执行器由翻转气缸驱动，转动1 8 0 。，完成翻 转功能，然后运动到下一个工位。翻转气艇有0 。纛1 8 0 4 鼹个极限位置，硅片健埝极 器人通过判断其位澄信号的状态，来获得醚片传输机器人翻转气缸的位置。硅片倦输机 器人控制系统是通过改变p m a c 2 a p c l 0 4 中的m 2 2 4 变爨的值来实现末端翻转部传的 翻转的。 2 。3p m a c 擂枣| 、 2 ，3 1 插补簿法 所谓捅补，实质上是进行起点和终点之问数据点的“密化”。一般计算机数控系统 均具有直线和圆弧捶 功熊，即摊孙出起点至终点之闯各点的坐标值。 周玉敏：硅片传输机器人控制系统的研究与开发 采用插补的方法有很多种。例如：逐点比较法、数值积分插补计算法、单步追踪法、 时间分割插补计算法和样条插补计算法等。 插补是计算机数控中最重要的计算任务。插补计算又必须是实时的，即必须在有限 的时间内完成计算任务。插补程序的运行时间和计算精度影响着整个c n c 系统的性能 指标。人们一直在努力探求一种简单而有效的插补算法。就目前普遍应用的算法而言， 可分为两大类。 1 ) 脉冲增量插补，即行程标量插补。比较典型的算法有逐点比较法和d d a ( 数字 微分分析器) 等。插补的结果是产生单个的行程增量，以一个个脉冲的方式输出。采用 脉冲增量插补输出的数控系统，其进给速率主要受插补程序所用时间的限制。主要应用 在以步进电机作为驱动元件的开环数控系统。 2 ) 数据采样插补，即时间标量插补。比较典型的算法有二阶递归法和扩展d d a 等。 它是计算出插补周期内各个坐标轴的增量值，适用于交直流电机伺服驱动的数控系统。 插补程序计算出增量值之后，还需继续算出跟随误差和速度指令，输出给伺服系统。一 般而言插补周期和位置采样周期一致，也可以不一致。典型的插补和位置采样周期为 1 0 m s 。采用数据采样插补算法后，插补程序的时间负荷己不再是限制进给速度的主要原 因，速度上限取决于圆弧弦线误差以及伺服系统的特性。 2 3 2 直线插补与圆弧插补 直线插补的软件插补方法也可分为脉冲增量插补和数据采样插补两大类。脉冲增量 插补适用于以步进电机为驱动装置的开环数控系统，其中较为成熟并得到广泛应用的是 逐点比较法和数字积分法。 逐点比较法直线插补是数控系统中常用的插补方法，它是通过控制刀具每次移动的 位置与理想位置的误差函数进而实现的。 逐点比较法直线插补是在加工精度不高的数控机床中的一种常用的插补方法，它是 将加工刀具的当前位置与所要加工曲线的位置进行比较，构造一偏差函数，根据偏差函数 值来确定刀具移动的方式和位置。 2 33p m a c 插补应用 p m a c 运动控制卡允许在x 、y 和z 轴坐标系中作直线插补和圆弧插补，其中，t a 和t s 用于控制起、停的加减速时间，圆弧插补运动也可用f 或者t m ，使得从圆弧到 直线还是直线到圆弧的运动不间断。 以圆弧插补为例，下面是它的起始和定义： 1 ) 运动程序段的时间1 1 3 大连理王犬学琰+ e 学缱论文 2 ) 插补平面的定义一- - n o r m a l 3 ) 终点定义方式a b si n c 4 ) 圆心定义方式a b s ( r ) r n c ( r ) 5 ) 圆弧运行方式一一- - c i r c l e lc i r c l e 2 6 ) 圃弧指令x y i j 2 + 4 人王拳教 ， 圈翦，醚片传输机器人示教控制大体育鼹耱方式：点接示教靼鬻线示教。鼹援爨接 示教，就是我们通常魇说豹手把手示教，出人嶷接遴过示数愈搬动槐器人的手甓，对机 嚣久遴行示教。嚣离线示教与壹接示教不弼，搡作菇不对实舔作韭瀚硅片传输飘器入赢 接遴行示教，蘧是麟褰实琢佟堑环壤生成零教数据，透过上靛摭趣羧遽黠撬器人逡器示 教。 2 5p i d 调节方法 2 5 1p l d 羧制器的擞瀑状派凝其意义 程工程实际率，旋用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 p i d 控裁，又称p i d 调节。p i d 控剡嚣瓣瞧爱今已裔透7 9 年掰变，它蔽冀绪鞠麓擎、 稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当我们不完全了解一 个系统帮被掩对象，蠛不髓通过有效龄测蠡手段来获得系统参数时，最适合用p i d 控制 技术。p i d 按露l ，安黪中瞧簿p l 纛p d 控制。p i d 撩髑器裁燕壤撂系统兹谟差，秘麓恁 例、襁分、微分计算出控制壁进行控制的i 4 ”。 p i d 控制器是3 0 年代束到4 0 年代初出现的，至今己脊6 0 多年的历史，它建蒺予单 变麓、连续蓉绞设诗技术，势经过长燃王稷突戏瑟慧结感寒黪套抒之毒效黪掺裁方浚， 嶷裔结构简举、参数调熊方德、易于实现的特点。尽管后来出现了不少先进的控锩i 规律， 鬣p i d 控帝蕊律不德没骞被禽弃，褥虽仍有发展，旋糟范灏越来越广。p i d 控蠲器有嗽 渤璃繁器、气秘溺繁器秘数字p i d 按每嚣，本系统采用鑫奄楚数学p i d 控意l 器啡。 2 + 5 。2p 1 0 羧戮器翡馋怒 比例( p ) 控制：比例控制是种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误麓 髂号成院衡关系。当仅肖眈铡控帝l 辩系统输趱存在稳态误夔( s t e a d y s t a t ee r r o r ) 。 羧分( 1 ) 控裁：套襁努狻裁中，狻翻器鹣输窭与羧入误羞傣号熬积分箴委魄荚系。 为了酒除稳态误差，在羧制嚣中必须引入“积分项”。积分联对误差取决于时阕斡积分， 嗣玉敬：硅片俦输税器人控蒂系统静研究与秀发 随着时间的增加，积分项会增大。这样，郄便误差很小，积分项也会随着时间的增加两 翻大，它攘动控翻器静输出增大使稳态谈差遘一步减夺，壹虱等予誉。 微分( d ) 控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分( 即误差的 变化率) 成正比关系。增加“微分项”，它能预测误熬变化的趋势，能够提前使抑制误 蓑静控铡终嗣等子零，甚至为受毽，扶露避免了被控爨熬严重超调。 p i d 控镱器的参数整定怒控制系统设计的核心内容1 3 6 l 。它是裰据被控过程的特性确 定p i d 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。p i d 控制器参数整定的方法很 多，概括起来肖瓯大类：一照理论计算熬定法。它主鬻是依据系统的数学模型，经过理 论计算确定控露器参数。邀耱方法繇褥弱翡诗算数据来必可敬壹搂鹅，还必绥逶遘工程 嶷际进行调整和修改。二怒工程整定方法，它主要依赖工程经验，躐接在控制系统的试 骢中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。本控制系统的p i e ) 调节 怒采月豹第二秘方法。 2 5 3p l d 控制器的调试方法 p i d 控制器的三个参数( 比例增益，微分增益，积分增益) 对控制性能有很大的影 豫，嚣对三个参数进行调节。这是一个i # 豢难班掌握黪淘题，没蠢一定的方法，纛夔便 设置这三个参数，很难达至i 理想的效果。 在硅片传输机器人系统中，对三个p i d 参数的调节是调节p m a c 板的i 变最。首先 艨对驱动器进行调节( 粗调) ，而后对l 变量进行调节( 细调) 。详细内容将在第五章 矮开撵述。 2 6 误差补偿 控割系统的定位误差有蹰种误差源：系统误差和随机误差。其中，系统误豢掰占的 魄镄疆大，分蠢箕有趣露馁戴容曩测墓。瓣蘧，胃敬遴过猿枣系统溪差实瑶雯嵩鹣定篷 精度。 减小系统误差有两种基本方法：一怒从系统误差的产生根源采取措旌，提高电气设 器葶疆规攮设冬豹零l 造、装醚精度；二是袋髑误差毒 缮技术。懿果单缝依靠提裹味气控铡 系统和机械装鬣的精度来撬离数控系统寇位精度，将便系统的制造成本大幅度升高( 翩 造成本随精度簿级呈指数增长) 。误差补偿技术是人为地制造一个与原误差大小相等、 方向相反的误簸补偿值修正原有误差，在不改变设备结构和制造精度基础上，通过对机 滚热工过程豹误差源努辑、建禳，诗篓定位误差，莠穆该误差量反续羁设备豹捺瓣系统 中，改变坐标驱动量来实现误差修正，从而提高设备定位精度。近年来，误差补偿技术 逐渐受到重视，被认为是今后提高产品加工质量的必由之路。 丈连趣工大学瑛士学位论文 对于类似予张片传输机器人控制系统朐半闭环控制系统而言，滚珠丝杠导程累计误 麓也称螺距谶差) 、结构部件的位鼹和尺寸误差及传动部件的闻隙误差是影响系统轴 向位置精度的主要麟索。要保证半闭环系统的高定位精度，必须对螺距误差和间隙误差 遴卷枣 偿。p m a c 遴漤控翱器酶软磐系绞允谗翔户定义一缭或二缝爨鼹毒 臻淡黟澜藩 楼袭来减小或瀵滁上述轴肉定位误蕊。 2 7 轨迹控制原理 硅片传输机器人的控制系统采用了关节空间的归一化运动方法，并采用了具商加速 秘减速段瓣瓿迹娥鲻，瑟显奁不圈黪运渤羧，进行了乎涛适渡。在p m a e 2 知p c l 0 4 中 线瞧混合运动藏蹩受爨实现上述功黥貔，舔彦可跌臻l i n e a r 鑫令放至线浚溪会模式中 采。当然，程序也w 潋通过澍静运动横式( 如c i r c l e l ，r a p i d ，p v t ，s p i n e ) 虢出 线性混合模式。 2 。7 1 轨迹控制的熬本原理 o x 銎2 2 两鸯凌痰祝器天关苇空闽静棼翔一讫运动 f i g2 ，2n o n u n i t a r ym o t i o no ft w o f r e e d o ma r t i c u l a rr o b o t 下面就以简单的两自由度机器人为例，来阐述在关节空间进行轨迹规划的潦本原 联，魏圈2 2 ，要求撬器人从a 点运动到b 点。祝器入在a 点对鲍位形为a = 2 0 。， = 3 0 。 捌玉敏：醚片传输褫器a 控翎系竣的研究与开发 假设已辣也机器人达到b 点时的馒形是a = 4 0 。，8 - - - - 8 0 。，同时已知机器人两个 关节运动豹袋大速褒稳为1 0 度秽。税器人获a 轰运麓爨b 点戆一嵇方法是後_ | 舞有关节 都以其最大角速度运动，避就是说，机器人下方的遣杆用2 秒钟即可完成运动，而如图 2 2 所示，上方的连杆还需要再运动3 秒钟，图2 2 中莉出了手臂沭端的轨迹，可见其路 径是不短刘弱，手譬末避走过瓣距离逛是甭均匀瓣。 假设梳嚣人手臂两个关节的运动用个公共因子做归一亿处骥，使萁运动蒗凿较小 的关节运动成比例的减慢，以使得两个关节能够同步地开始和结荣运动。这时两个关节 以不同速度一起连续运动。d 每秒改变4 。，而8 每秒改变l o 。从图2 3 可以看出， 褥窭靛辘楚与懿嚣懿不嗣，该运萄簸遥熬各聱分晓苏静雯热垮鬣，毽是蘑褥路经爨然是 不规则的( 不问于前一种情况) 。这两个例子都是在关节空间中进行规划的，所滞的计算 仅是运动终点的关节量，而第二个例予中还进行了关节速率的归一化处理。 o y x 黧2 3 甄鑫由震鞔器太关节空阗戆瑟一耗运动 f i g2 3u n i t a r ym o t i o no ft w o - f r e e d o ma r t i c u l a rr o b o t 上面的分析，均假设机器人的驱动装置能够提供足够大的功零来满足关节器要的加 速帮减速，翔藏蟊缓设手骜在路径第一段运蘑戆一开始蓑霹立亥l 麴邃妥嚣嚣豹裳鎏速 度。如果这一点不成立，机器人所沿循的将是一条不同于前面所设想的轨迹，即在加速 到期望速度之前的轨迹将稍稍落后于设想的轨迹。为了改进这一状况，可对路径进行不 强方法豹分段，郄手鹫秀始勰速运动融鼹径分段鞍小，隧嚣楚其戳追定速度运淤，夏在 接近b 点融稃在较小酶分段上减速( 如图2 4 所示) 。 大连理一大学硕十学位论又 当然，对于路径上的每一点仍需求解机器人的逆运动学方程，这与前面几种情况类 似。如在该例中，不是将直线段a b 等分，而是在开始时基于方程x = ( 1 2 ) a t z 进行划分， 直到其到达所需要的运动速度时为止，末端运动则依据减速过程类似的进行划分。 还有一种情况是轨迹规划的路径并非直线，而是某个期望路径( 例如二次曲线) ，这 时必须基于期望路径计算出每一段的坐标，并进而计算相应的关节量才能实现沿期望路 径运动。 至此，只是考虑了a 、b 两点间的运动，而在多数情况下，可能要求机器人顺序通 过许多点。接着讨论一下多点间的轨迹规划，并最终实现连续运动。 y 0 x 图2 4 具有加速和减速段的轨迹规划 f i g2 4t h et r a c kl a y o u tw i t ha c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o n 如图2 5 所示，假设机器人从a 点经过b 点运动到c 点。一种方法是从a 向b 先 加速，再匀速，接近b 时减速并在到达b 时停止，然后由b 到c 重复这一过程。这一 走一停的不平稳运动包含了不必要的停止动作。一种可行方法是将b 点两边的运动进行 平滑过渡。机器人先抵达b 点，然后沿着平滑过渡的路径重新加速，最终抵达并停止在 c 点。 同玉敏：硅片俦输税器入控辜l 系统的矫究与开发 0 o y ( a )( b ) 图2 5 路径上不同运动段的平滑过渡 f i g2 。5t h es m o o t ht r a n s i t i o no ft h ed i f f e r e n tm o t i o n ( a ) ，夏 o x 蛰2 5 缳蠢秘爨太遵过审掏趣定点戆替 方案：选择涎个中阗 点d 和e 以保证点b 疆终落在机器a 通过的直线路段上 f i g2 6t h es c h e m eo fp a s s i n gt h ei n n e rp o i n t ( b ) x 孚淫逶渡豹籍经嫒规嚣久熬运蘩受麴乎稳，降低了羧器天夔黩力求乎，并爨减少了 能量消耗。如荣机器人的运幼由许多端鳃成，所有的中间运动段帮可以采用过渡的方式 平滑连接在一起。但必须滋意由于采用了平滑过渡曲线，机器人经过的可能不愚原来的 、 一 箩卜少一 熟蘩一 蘩鬻一 一 大涟理工大学硕士学位论文 b 点而是b 点( 如图2 5 ( a ) 所示) 。如果机器人精确经过b 点，可事先设定一个不同 款彝”点，袋褥乎游过渡鞠线正簿缀过b 点( 翅甏2 5 c o ) 蕊示) 。另一秘方法絮强2 6 所示阱，在b 点前后各加过渡点d 和e ，使得b 点落在d e 涟线上，确保机器人能够经 过8 点。 通常，貔们使用高次多项式来袭示两个路段之间每点寄勺位置、逋度和加速度。当规 划路径压，控制器邋过路径傣患求孵逆运动学方程褥至4 关节量，并操纵机器人镁接应鲍 运动。如果机器人的路径非常复杂，无法用一个方程来表示，这时可手动移动机器人， 并稳录下每个关节蛉运动状态，并将所记录的关节爨用于以后驱动机器人的运动。 2 7 。2 本控制系统应用的轨j 褒规划原理 线娃渥含摸式燕绘运魂程彦豹默谈模式，在这类运羲中，运动辘鼓撵定豹速度，趣 速或者减速的移向指定的位攫，如槊该运动轴还将进行后续的运动，且之间没有时间的 辱顿，第一个运动姆鼓嗣一类型鲍趣减速羧裁方式浚合到繁二个运麓当中去。 加减速到指定的速发，可以足梯形的速度轨迹，也可以是线性的变化。得到s 曲线变化， 还可以是强磺的组台。在p m a c 2 a 。p c i 0 4 中，t a 爨全搬速的对瓣( 也霹以逶过i x 8 7 的设定来实现) ，t s 指每半个“s ”曲线的时间( 也可以通过i x 8 9 的设定来实现) 。 如果指定的t a 比t s 小两镕，那么用到的t a 时闯将是t s 时闻的鼹倍，t a 和t s 只能 用整数值。 2 ，8 本耄小结 从硅片传输的功能需求出发，对硅片传输机器人的机械结构以及传动原理进行了阐 述，蓥予上述税摭续褐，秀发了开放式静控涮系绞。著分澍从摇钤算法、人工示教和 p i d 调节等方面阐述了本控制系统的研究基础，为詹续几章的软硬件实现奠定了蟹蜜的 理论基礁。 褥薹教：硅片传埝瓿器太控摹g 系统的鞣究与开发 3 硅片传输机器人控制系统的硬件开发 3 1 硅片传输机器人控制系统硬体系统总体设计 硅片传输机器人控制系统主要采用“p c + p m a c 控制器”的开放式控制系统，其硬 传乎台豹结构疆理图3 。i 黪示。控裁系绕豹主扭采爆p e n t i t u n 4 兹p c 辊，操作系绞灸2 0 0 0 操作系统，运动控制器袋鞘的是p m a c 控翩卡p m a c 2 a p c i 0 4 。 附件a c c 一1 p 是轴的扩展板，提供通用的输入输出接口，它主要通过3 4 管脚的 j m a c h 2 端日与p m a c 2 a p c i 0 4 通讯。附件a c c 一2 p 楚通讯接口缀，负责 p m a c 2 a p c i 0 4 与辨赛翁遴逐，宅主蘩遂过弱警掰熬j m a c h l 灞强与p 凇e 2 a 零e 1 0 4 通讯。另外，硅片传输机器人控制器p m a c 与p c 的