PMAC板在硅片传输机器人中的应用

摘要：
在半导体制造业中，硅片传输机器人承担着精确定位、快速搬运等复杂任务，这对硅片传输机器人的提出了严格的要求，因此对硅片传输机器人的控制模块进行系统的研究有着重要意义。本文以美国Delta Tau Data Systems公司的PMAC运动为例介绍了PMAC板在硅片传输机器人中的应用，并以该公司的PMAC2-PC104型控制板为核心,结合电气和气动回路，设计和建立了R-θ（极坐标）型硅片传输机器人的，实现了硅片传输机器人的基本作业运动。
Abstract:
In the semiconductor manufacturing industry, the wafer-handling robots can execute complex tasks such as precise localization, fast transporting and so on. To achieve better performance of wafer-handling robots, it is essential to carry on system research to the control units of wafer-handling robots. This paper takes American Delta Tau Data Systems Corporations PMAC movement controller as an example, introducing PMAC board to robot controller application, designing and building a R- theta (polar coordinate) wafer-handling robot controller based on PMAC2-PC104.

*注：国家863高技术研究发展计划资助项目（2002AA421230）

1、绪论
硅片传输机器人（wafer-handling robot）是半导体集成电路（IC）制造业中重要的传输、定位设备，其工作的速度、定位精度和可靠性直接影响到硅片的生产效率和制造质量。硅片传输机器人在有限的空间中实现硅片工位的快速转换，这对硅片传输机器人的运动特性、反应灵敏性、动作准确性、以及工作稳定性和可靠性等方面，都有较高的要求。因此在设计硅片传输机器人过程中，需要充分考虑以上工作特性。
可编程多轴（Programmable Multi Axis Controller，简称 PMAC）为一种广泛应用在工业控制领域的自动化控制设备，它可配置在普通的PC平台下，提供开放式模块化结构的伺服运动控制系统，同时为计算机作伺服控制算法研究和实时监控提供了方便，使多轴联动参数匹配化设计更加便利。硅片传输机器人本体多为3～5自由度的机械臂，而PMAC板能提供多达８轴的独立运动控制，所以，硅片传输机器人完全可以采用PMAC板作为核心实现其功能。

2、 PMAC运动简介
PMAC即可编程多轴运动，通常以高速DSP (Digital Signal Processor)为核心，使用一片微处理器来实现多个电机的伺服系统。由Delta Tau Data Systems公司开发的开放结构运动PMAC是世界上功能较强的运动之一。PMAC运动以Motorola的DSP56K系列数字信号处理器（DSP-Digital Signal Processor）为核心，形成支持多种总线（ISA、PCI、VME、PC104）插槽的卡式产品或独立的模块。一块可以同时操纵8－32个轴，并且可以并联运行。
PMAC运动所控制的每一个轴完全独立，即块插卡可以操纵8台不同机器的8个单轴，或者同一台机器中的8个轴，或者两者之间的任意组合。在对伺服数据的处理能力、轴特性及输入信号带宽方面，PMAC由于采用专门的模块化结构，编码器输入的串行处理速度是大多数的10到15倍。而且可从高分辨率编码器件接收低插补位的5位并行数据，可得到320MHz的有效输入带宽。
PMAC运动具有极强的灵活性，可适配于当前普遍应用的多种不同总线结构、不同类型的电机、反馈元件以及指令数据结构，可随时对PMAC硬件进行升级。PMAC允许同一控制程序在所有总线上运行，同时允许每一轴上电机和反馈元件的不同组合。
PMAC运动在硬件结构上采用了先进的模块化设计，结构是开放性，可根据不同的应用系统选取相应的选项及附件。当系统需要对多轴进行联动和插补控制时，就可以以一块PMAC板用于机器人、数控机床、坐标测量机、激光加工、雕刻机、印刷、包装等各类自动化设备。在本硅片传输机器人中，我们选用的是PMAC2-PC104型控制板。

3、硅片传输机器人的总体设计方案
硅片传输机器人为R-θ（极坐标）型机器人，三自由度，关节处采用带传动的方式，按照上述设计要求及设想，硅片传输机器人控制系统的性能指标可归纳为：
（1）三轴联动，半闭环控制方式；
（2）快速定位；
（3）具有圆弧插补功能；
（4）能与上位机串行通信；
（5）具有脱机运行的功能；
（6）具有I/O开关量控制功能；
（7）具有补偿功能；
（8）具有友好的人机对话界面；
（9）具有开放式的控制方式；
（10）具有连动，点动两种方式。
围绕开放性、经济性、实用性及可靠性等设计要求，最终确定的总体方案如图3-1所示。

4、硅片传输机器人的具体设计实现

4.1 电机驱动模式的选择
由计算机输出的控制信号不足以驱动电机或执行元件运动，此信号还必须通过放大器放大才能驱动电机及执行元件。驱动器一般分为五大类，它们分别是:速度模式驱动器、扭矩模式驱动器、直接PWM 数字模式驱动器、正弦输入模式驱动器、脉冲加方向方式的驱动器。在计算机控制系统中，驱动器模式的选择对控制系统性能有很大影响。
硅片传输机器人是一种点位运动的精密系统，其控制方式是点位控制，考虑到所要求的定位精度高，且速度上的要求也不明显，因此在本硅片传输机器人中选用了位置控制模式。

4.2 PMAC对伺服电机的控制
硅片传输机器人要求实现点对点的位置的转移，其控制方式采用的是位置控制。PMAC对位置的控制采用的是脉冲加方向的模式。该硅片传输机器人使用PMAC2-PC104系列的多轴，能控制脉冲加方向输入伺服电机驱动器，这些驱动器既可以工作在开环模式下（实际是通过内部的子程序将脉冲串引入到自己的编码计数器，建立一个伪闭环）又可以在闭环模式下工作（实际上是将外部设备的反馈连接到PMAC2-PC104中建立闭环）。

PMAC2-PC104使用全数字脉冲频率控制（PFM）电路建立它的脉冲和方向控制信号。这个电路重复地把最新的指令频率值加到一个累加器中。信号输出的脉冲串的频率正比于指令值，而且不存在模拟脉冲发生器的偏移，波形失真等问题。

4.3 硅片传输机器人的气动控制回路
硅片传输机器人末端执行器的翻转动作由摆动气缸实现，硅片的抓取动作由真空发生器的真空吸附作用实现，因此在硅片传输机器人的控制系统中采用气动控制回路。此气动回路需要两个输出口进行电磁阀的控制，两个输入口接受摆动气缸磁性位置开关的信号。由于所需的I/O口的数量较少，可直接将PMAC2-PC104上的标志位(flag)改做通用I/O口，其中对输出口的控制由与该口所对应的M变量的值来控制。硅片传输机器人的气动回路和气动回路电控图如图4-1，4-2所示。
如图4-1所示，系统启动时接通气源，摆动气缸1运动至左端极限位置，此时磁性开关1吸合；真空发生器2此时并无负压产生，不产生吸附作用。当YA1得电时，电磁阀6换向至左位，摆动气缸向右运动至极限位置，此时磁性开关A2吸合。当YA2得电时，两位两通电磁阀7换向至左位，真空发生器的进气口有空气流入，真空孔产生负压，此时具有吸附作用。硅片传输机器人的末端执行器正是利用这种工作机理实现了硅片的抓取和释放，翻转动作则由摆动气缸驱动。
在图4-1中摆动气缸的速度是由连接在两个气孔的单向节流阀采用排气节流的方式控制，以保证活塞运行的平稳性。一般不采用进气节流方式，因为此方式进气流量小，进气腔压力上升缓慢，排气迅速，排气腔压力很低，主要靠压缩空气的膨胀使活塞运动，很难控制气缸的速度达到稳定，通常进气节流方式只用于单作用气缸、夹紧气缸和低摩擦力气缸。
如图4-2所示，PMAC的ACC1（JMACH1）中的33和34这两个输出端口的内部是集电极开路（OC）输出，两个控制电磁阀线圈的固态继电器（SSR1和SSR2）导通需要提供+5V电压，因此在33、34端口处采用了3.3K的上拉电阻，目的是起到限制电流的作用，防止灌入集电极的电流过大损坏元器件。
由图4-2中能够了解到，当M114置1，OC门导通，PMAC-PC104的ACC1（JMACH1）中的33的电压为0，固态继电器的控制端截止，输出端也截止，电磁阀的线圈YA1无电流通过，电磁阀不动作。当M114置0，OC门截止，33的电压为1，固态继电器的控制端导通，输出端也导通，电磁阀的线圈YA1有电流通过，电磁阀动作。当A1吸合的时候20端口（HOME4 标志）的输入值为0，对应的M420被赋值为0，当A1断开的时候20端口（HOME4 标志）的输入值为1，对应的M420被赋值为1。PMAC可以通过查询M420的状态，得到A1、A2磁性开关的状态，判断出摆动气缸目前位于哪一个极限位置。

图4-1
图4-1 硅片传输机器人气动回路图