先進(jìn)制造場景迫切呼喚一種能夠模擬人類手工細(xì)膩與柔性的加工方式，特別是在屏幕精密檢測、按鈕檢測、晶圓高精度檢測、晶圓封裝及傳輸?shù)汝P(guān)鍵環(huán)節(jié)。在此背景下，伺服系統(tǒng)的力控能力成為了衡量加工柔性與精度的關(guān)鍵指標(biāo)，ISMC將在本文中聚焦于力控技術(shù)的深度探討。

　　文/ISMC

　　隨著智能手機(jī)、液晶顯示技術(shù)及半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)等高科技領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，針對那些質(zhì)地易脆、易碎、極易受損的晶圓和液晶材料進(jìn)行加工與操作時(shí)，傳統(tǒng)剛性自動(dòng)化設(shè)備的局限性日益凸顯。這些先進(jìn)制造場景迫切呼喚一種能夠模擬人類手工細(xì)膩與柔性的加工方式，特別是在屏幕精密檢測、按鈕檢測、晶圓高精度檢測、晶圓封裝及傳輸?shù)汝P(guān)鍵環(huán)節(jié)。在此背景下，伺服系統(tǒng)的力控能力成為了衡量加工柔性與精度的關(guān)鍵指標(biāo)，ISMC將在本文中聚焦于力控技術(shù)的深度探討。

　　1 伺服系統(tǒng)介紹

　　伺服力控技術(shù)主要分為全閉環(huán)與開環(huán)兩大流派。全閉環(huán)力控以其卓越的精度著稱，能夠?qū)崿F(xiàn)誤差控制在10±1g以內(nèi)甚至更高，這一成就得益于外部精密壓力傳感器的加持，盡管其響應(yīng)速度略遜一籌，壓力響應(yīng)時(shí)間約為150ms以內(nèi)，但其長期運(yùn)行的穩(wěn)定性無可比擬，有效抑制了伺服系統(tǒng)長期作業(yè)下參數(shù)漂移的影響。相較之下，開環(huán)力控則以更快的響應(yīng)速度與適中的精度吸引了廣泛關(guān)注。它能夠在20±5g的精度范圍內(nèi)高效運(yùn)行，壓力響應(yīng)時(shí)間縮短至80ms以內(nèi)，展現(xiàn)出極高的效率與靈活性。然而，開環(huán)力控的性能表現(xiàn)高度依賴于伺服驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)及機(jī)械結(jié)構(gòu)的綜合性能，對這些核心組件的參數(shù)精度及其長期一致性提出了更為嚴(yán)苛的要求。因此，本期文章將深入剖析這些關(guān)鍵參數(shù)，揭示它們?nèi)绾挝⒚畹赜绊懼_環(huán)力控的性能表現(xiàn)，為追求極致加工柔性與精度的工程師們提供寶貴的參考與洞見。

圖1 伺服系統(tǒng)原理圖

　　伺服系統(tǒng)是一個(gè)集位置反饋、速度反饋和電流反饋于一體的三環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)，對于普通的位置和速度控制功能大多數(shù)伺服系統(tǒng)都可以滿足，評價(jià)位置控制的核心性能是位置精度以及位置響應(yīng)，評價(jià)速度控制的核心性能是速度波動(dòng)以及速度響應(yīng)，評價(jià)電流控制的核心性能是電流精度和電流響應(yīng)。伺服系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

　　伺服系統(tǒng)開環(huán)力控的數(shù)學(xué)計(jì)算如下：

　　"Tmotor=Iq * Kt "To=Tmotor-Tf"

　　注：

　　l Tmotor是伺服電機(jī)扭矩，單位為牛米(N-m);

　　l Iq是伺服電機(jī)的解耦后的Q軸電流，單位為安培(A);

　　l Kt是伺服電機(jī)的扭矩常數(shù)，單位為牛米/安培(N.m/A);

　　l Tf是機(jī)械系統(tǒng)的摩擦力，單位為牛米(N-m);

　　l To是伺服系統(tǒng)的輸出扭矩，單位為牛米(N-m)。

　　為了提高伺服系統(tǒng)開環(huán)力控的性能，需要保證Iq、Kt、Tf的參數(shù)更優(yōu)，我們基于以上的數(shù)學(xué)計(jì)算來分別講述幾種方案下這些參數(shù)的差異和性能影響。

　　Iq是伺服電機(jī)的解耦后的Q軸電流，這個(gè)電流的精度是開環(huán)力控的起點(diǎn)，是開環(huán)力控的核心指標(biāo)，該電流精度影響因素主要是電機(jī)相電流的采樣精度和解耦運(yùn)算。目前交流伺服的電流精度和Kt精度普遍都不高，所以決定了交流伺服系統(tǒng)不適合做力控的場景，并且對于直流伺服系統(tǒng)而言，目前驅(qū)動(dòng)器的精度也有很大差距(圖2)。

圖2 不同驅(qū)動(dòng)器品牌精度之比較

　　Kt 是伺服電機(jī)的扭矩常數(shù)，這個(gè)參數(shù)是電機(jī)的核心性能指標(biāo)，對于普通伺服電機(jī)，一般在規(guī)格書標(biāo)稱的10~20%的范圍波動(dòng)，并且受到溫度和長期壽命的顯著影響，對于直驅(qū)電機(jī)該參數(shù)性能會顯著提升。Kt 在不同溫度、長期壽命下隨電流變化的線性度，這個(gè)是衡量電機(jī)的最重要的性能指標(biāo)之一。Kt常數(shù)一般通過maxwell電磁仿真和實(shí)際測量后獲得。

　　Tf是機(jī)械系統(tǒng)的摩擦力，目前機(jī)械系統(tǒng)有伺服電機(jī)+凸輪結(jié)構(gòu)和直驅(qū)系統(tǒng)兩種方案。對于伺服電機(jī)+凸輪結(jié)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)，凸輪的摩擦力Tf的一致性較差，難以滿足高力控的場景需求，只能滿足簡單的力控檢測報(bào)警。而對于直驅(qū)系統(tǒng)，摩擦力Tf受導(dǎo)軌和材料的影響較大，能夠滿足絕大多數(shù)的力控場景需求，Tf是電機(jī)一致性的核心性能之一。對于部分極高力控精度需求的場景，可以采用氣浮結(jié)構(gòu)，排除摩擦力的影響。

　　2 ISMC力控方案

　　ISMC力控解決方案示意圖如圖3、圖4所示。

圖3 ISMC力控方案示意圖

圖4 ISMC力控方案系統(tǒng)圖

　　ISMC力控方案測試對比數(shù)據(jù)(測試電機(jī)：D品牌ZR電機(jī))如圖5 、表1所示。

圖5 軟著陸結(jié)果對比

表1 測試對比數(shù)據(jù)