一種基于位置同步的非連續(xù)卷繞進給方法

陳建魁 尹周平 熊有倫

華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點實驗室,武漢,430074

0 引言

在造紙、印刷、紡織、軋鋼和半導(dǎo)體封裝生產(chǎn)線中,廣泛采用了Roll-to-Roll型卷繞傳輸系統(tǒng)。卷繞傳輸方式具有效率高、成本低的特點,近年來被認為是柔性電子(flexible electronics)產(chǎn)品降低成本、實現(xiàn)推廣應(yīng)用的工藝選擇之一。在柔性基材的卷繞裝備中,為了實現(xiàn)大跨距、長距離的穩(wěn)定傳輸,需要采用多電機協(xié)同完成卷繞任務(wù)。特別是對于柔性基材較薄(厚度小于50μm)的操作環(huán)境,多臺輸送或卷繞電機之間進給的不同步可能會導(dǎo)致基材中張力的不均勻或劇烈變化,引起基材變形,進而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量欠穩(wěn)定。以RFID(radio frequency identification)電子標簽為代表的柔性薄膜電子產(chǎn)品,在其封裝生產(chǎn)線中,為了保障產(chǎn)品質(zhì)量,采用有效的多電機軸進給控制策略十分必要。

同步控制方法在較多控制領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用,胡旭曉等[1]將同步控制應(yīng)用于步進掃描光刻機的研究中,通過對硅片變形量的補償,實現(xiàn)了工作臺與掩膜臺運動中的同步和精確定位。Sun等[2]提出了一種自適應(yīng)同步控制策略應(yīng)用于多機器人協(xié)調(diào)集體作業(yè),使每一個機器人保持與其他機器人運動同步,同時保證機器人沿著預(yù)定軌跡運動,這樣就可以實現(xiàn)多操作器之間位置同步精度較高。Tan等[3]將同步運動控制方法應(yīng)用于H型桁架平臺中,提出了一種綜合前饋、PID反饋和擾動觀測等方法的同步控制方法,實現(xiàn)了雙絲桿平臺機構(gòu)的同步精確驅(qū)動。Xiao等[4]介紹了一種結(jié)合交叉耦合與優(yōu)化控制的同步控制方法,通過最小化一個包含同步誤差的系統(tǒng)模型的價值函數(shù),將多運動軸的同步控制問題簡化為線性二次高斯最優(yōu)控制問題。陳靜等[5]將同步控制方法應(yīng)用于單軸直線電機冗余驅(qū)動的定位平臺的控制,通過模糊自適應(yīng)方法實現(xiàn)了較高加速度工況下的同步運動精度。Yeh等[6]對多軸運動系統(tǒng)的綜合控制方法作了分析和研究,提出了一種集成反饋控制、前饋控制和交叉耦合控制的多軸控制方法,并應(yīng)用等值誤差方法對系統(tǒng)進行了簡化以克服實際應(yīng)用中的變參數(shù)控制設(shè)計問題。

但是,以上文獻中的同步控制方法較難直接應(yīng)用于柔性基材非連續(xù)卷繞系統(tǒng)中的多電機同步進給工況。在工況需求方面,柔性薄膜基材的卷繞進給與剛性平臺的驅(qū)動進給有較大不同。在非連續(xù)柔性基材的卷繞系統(tǒng)中,頻繁的系統(tǒng)加減速變化,容易造成多進給軸轉(zhuǎn)動線速度的不同步;設(shè)備中被薄膜基材拖曳轉(zhuǎn)動的惰性輥軸,其啟停過程成為引起基材張力波動的不可忽視的因素;再加上卷徑變化、摩擦力等其他因素的干擾,在頻繁啟停過程中形成難以消除的周期性張力波動?；诒∧せ谋旧淼奈锢硖匦?在張力波動干擾下容易產(chǎn)生基材彈性變形或塑性變形,使其在非連續(xù)步進中達到較高定位精度相當困難。柔性顯示器、柔性傳感器、薄膜太陽能電池板和電子皮膚等柔性電子技術(shù)的發(fā)展為柔性基材非連續(xù)進給系統(tǒng)的應(yīng)用帶來更加廣闊的空間,故亟需一種針對非連續(xù)卷繞工藝的適應(yīng)柔性基材的多電機同步控制進給策略,以滿足不同工況對精確定位的需求。本文以RFID電子標簽封裝生產(chǎn)線為應(yīng)用對象,根據(jù)柔性基材非連續(xù)進給工況中對定位精度的較高要求,提出了采用多軸運動控制器(programmable multi-axis controller,PMAC)實現(xiàn)四軸位置同步控制的精確進給方法。此方法采用多個同步計算器,對四軸進給位置指令進行了迭代計算,有效抑制了非連續(xù)卷繞過程中頻繁啟停引起的定位誤差波動。

1 柔性基材卷繞系統(tǒng)

柔性基材卷繞系統(tǒng)通常分為三部分：放料模塊、進給模塊和收料模塊。放料模塊主要功能是將成卷的柔性基材平整地展開,為進給模塊提供充足自由的新料。進給模塊通常是通過對輥或者夾持機構(gòu)完成對基材的穩(wěn)定牽引進給。在一臺大型卷繞設(shè)備中,進給模塊常被分割為兩段,中間添加其他各種工序作業(yè),完成對柔性基材本身或其承載物的再加工。尾端的收料模塊承擔(dān)對已經(jīng)加工結(jié)束的基材的重新收卷任務(wù),收卷模塊要求重新卷繞的柔性基材必須松緊有度、端面平整。在卷繞系統(tǒng)中,通常還包含張力檢測元件和糾偏元件,分別完成對基材中張緊力的在線測試和垂直進給方向偏移的校正。部分系統(tǒng)還包含平皺和去靜電等功能器件。

本文介紹的卷繞系統(tǒng),其動力部分由4套伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)組成,分別完成放料、進給和收料的功能,系統(tǒng)示意圖如圖1所示。為了檢驗進給方法對非連續(xù)柔性基材的卷繞效果,在圖示位置1、2兩處分別配置張力傳感器,用于觀測基材進給時張力波動情況。在張力控制中,張力波動的監(jiān)測可以作為收放料模塊張力調(diào)整的反饋和指令來源;在位置3、4分別安置兩套視覺采集系統(tǒng),完成對非連續(xù)進給定位精度的數(shù)據(jù)采集,定位誤差值在進給控制中作為位置指令的反饋和補償。

圖1 基材卷繞系統(tǒng)簡圖

2 非連續(xù)卷繞同步進給控制方法

Turbo PMAC開放型八軸控制卡被選擇作為下位機控制系統(tǒng)核心,可以完成對4臺電機的位置同步轉(zhuǎn)動控制。選用4套750W交流伺服電機作為卷繞執(zhí)行器,編碼器安裝在電機后端作為位置反饋信號接入運動控制卡內(nèi)。系統(tǒng)中所采用的兩套視覺攝像頭型號為MVC1000SAM,通過所配置鏡頭的調(diào)整,CCD在RFID柔性基材上成像視野可超過10mm×10mm。將預(yù)先刻蝕或印刷于基材表面的尺寸較小的十字標記作為視覺圖像捕捉的目標,在上位機程序的輔助下,視覺系統(tǒng)完成對基材非連續(xù)進給中標記圖像的采集和處理,所獲得的進給位置偏差將作為進給位置指令的修正值。

圖2 四軸同步控制方法框圖

筆者提出一種用于柔性基材非連續(xù)卷繞工況的四軸位置同步控制方法,流程框圖如圖2所示。本控制策略是建立在標準的PMAC位置控制模式之上。參考位置Pr與實際位置偏差Pe合成后,獲得驅(qū)動位置P i,同時被發(fā)送給放料軸電機、兩對輥進給電機和收料電機的分支控制器。圖1中的對輥電機 Ⅱ作為主進給電機,對輥電機 Ⅰ作為從進給電機。從進給電機和收放料電機的輸入位置Ps、Pu和Pw分別通過三個同步計算器的迭代計算獲取,保持與主進給電機輸入位置P i對應(yīng)指令的同步。此方法使得在每一步距的進給過程中,4根電機軸保持位置指令同步。從而保證柔性基材在被牽引進給時抑制較大變形,達到較高定位精度。

在每一次間歇進給的停頓間隔,柔性基材相對靜止,視覺系統(tǒng)采集基材標記的圖像,上位機程序通過圖像匹配計算處理后,獲得前一次進給的定位偏差值P e,則下一次進給的統(tǒng)一步距位置P i可通過下式獲?。?/p>

其中,偏差Pe正負號的選取取決于前次步距中柔性基材進給情況的滯后或過沖,由程序自動識別。由于柔性基材卷繞系統(tǒng)工作區(qū)域跨度較大,為了有效核查整個區(qū)域的進給偏差,系統(tǒng)中配置了兩套視覺定位系統(tǒng)。因此在基材進給過程中,每次步進完成后兩套視覺系統(tǒng)可以獲得兩個定位偏差值Pe1和Pe2。根據(jù)視覺系統(tǒng)在跨距中所處位置,對兩測量值取比例系數(shù)k1和k2(k1+k2=1),從而獲得綜合定位偏差值P e。

在同步計算器Ⅰ中,放料電機轉(zhuǎn)動指令跟隨主進給電機位置指令變化,實現(xiàn)同步的計算方法為

式中,Pun為料軸第n次進給過程中放料軸需展開的基材長度轉(zhuǎn)換成的位置;Eu(n-1)為卷繞電機編碼器對第n-1次進給步距長度的反饋值;r為進給對輥軸半徑;Pin為第n次進給時的目標位置;Pi(n-1)為前次完成進給的位置;a、b、k為計算系數(shù)。

在進行卷徑計算時,以前次基材進給后計算出的卷材半徑代替本次進給時的基材半徑,忽略基材微小厚度單次進給時對卷徑的影響。在實際運行計算中,需要不斷根據(jù)當次進給位置、前次進給位置、反饋值和料軸卷徑等參數(shù)更新放料軸的轉(zhuǎn)動指令,如此滾動執(zhí)行,以達到對柔性基材同步放料和進給的目的。

同理,可獲得同步計算器 Ⅱ中對收料電機的同步計算：

式中,k′為計算系數(shù)。

由于工作區(qū)域柔性基材跨距較大,跨距內(nèi)其他功能模塊平臺對基材的吸附、固定等的干擾影響,以及主從對輥表面彈性材料層的變形等造成基材在兩對輥間功能區(qū)域彈塑性變形不均勻,因此,在同步計算器 Ⅲ中計算從動進給電機的位置指令時,需要單獨考慮進給位置補償值P′e(n-1),其計算式為

從動電機在跟隨主進給電機反饋值E m n的同時,需要根據(jù)不同區(qū)域位置誤差P e1(n-1)和P e2(n-1)修正位置Psn。k3、k4和 k5為常值系數(shù),可根據(jù)實驗進行標定。

根據(jù)式(1)～式(6),對持續(xù)變化的四軸位置指令進行迭代補償,實現(xiàn)收放料電機和從進給電機對主進給電機的位置指令的同步,達成非連續(xù)柔性基材卷繞系統(tǒng)的四軸位置同步控制的目的,從而抑制非連續(xù)進給中的頻繁啟停加減速對基材變形的影響,使得柔性基材在非連續(xù)進給時獲得較高定位精度。

3 實驗結(jié)果與分析

為了驗證基于位置指令同步控制方案在非連續(xù)卷繞工況中的有效性,特在RFID電子標簽生產(chǎn)設(shè)備上進行了薄膜天線基材的卷繞實驗。該RFID生產(chǎn)線設(shè)備包含點膠、貼片、固化和檢測等多個功能模塊,柔性天線基材卷繞系統(tǒng)為各功能模塊供應(yīng)工作對象,并將各工位串聯(lián)為一個整體。柔性基材表面預(yù)先被刻蝕或印刷了鋁質(zhì)或銅質(zhì)金屬線圈和十字定位標記,為了保障生產(chǎn)線上晶圓芯片與線圈的有效機械互連,必須保證天線基材是在較為穩(wěn)定的張力牽引下完成對各工位順序進給和精確定位。保證薄膜天線基材進給的精確定位是其他各模塊有效開展工作的前提,因此精確進給方案的應(yīng)用與實施十分必要。

3.1 實驗結(jié)果

在RFID實驗平臺上使用一種超薄柔性薄膜基材,基材為PET(ploy-ethylene terephthalate)薄膜,基材部分物理特征值如下：寬度為420mm,厚度為42μm,彈性模量為4000MPa。

(1)實驗參數(shù)條件1。下位機程序中設(shè)定卷繞速度為0.15m/s,加減速時間為250ms。根據(jù)基材特征設(shè)定系統(tǒng)參考張力為10N,間歇單次進給步距為320mm。

實驗中測得的定位精度數(shù)據(jù)如圖3、圖4所示。圖3顯示的是緊鄰對輥Ⅰ后安裝的視覺系統(tǒng)測得的定位誤差值Pe1,圖4顯示的是配置于對輥Ⅱ前的視覺系統(tǒng)測得的進給誤差值P e2。由實驗數(shù)據(jù)可知,對于柔性基材的非連續(xù)卷繞進給系統(tǒng),在卷繞方向上存在定位誤差的問題,通過收放料和卷繞電機的同步進給控制,可以將進給誤差控制在較小的范圍。由于工作區(qū)域跨距較大及受到其他外界因素影響,柔性基材在同一步卷繞進給工位中,工作區(qū)域前后監(jiān)測點的定位誤差值存在一定的差異。

圖3 前定位誤差Pe1

圖4 后定位誤差Pe2

(2)實驗參數(shù)條件2。下位機程序中設(shè)定卷繞速度為0.2m/s,加減速時間為180ms。系統(tǒng)參考張力和參考進給步距仍分別為10N和320mm。

實驗數(shù)據(jù)如圖5所示。圖5中顯示的定位誤差值為實驗條件變化后兩套視覺系統(tǒng)測得的P e1和Pe2的綜合值 Pe,Pe具有與Pe1和 Pe2相同的整體波動空間。從圖5中可以明顯地看出,當提高進給速度并縮短加減速時間后,定位誤差曲線的波動區(qū)間明顯變大。

圖5 定位綜合誤差Pe

3.2 實驗分析

在卷繞系統(tǒng)中,間歇性頻繁啟停的特殊工況對柔性基材的進給定位精度有較大影響。薄膜基材本身易變形的物理性質(zhì)使得其對各種外界干擾的變化較為敏感,非連續(xù)進給中的精確定位問題較難克服,但是可以通過有效的進給控制方法和進給參數(shù)優(yōu)化等對張力波動等干擾因素予以抑制,從而提高進給精度。分析實驗中測得的定位誤差數(shù)據(jù)可知,通過本文提出的四軸位置同步控制方案,可以在柔性基材非連續(xù)進給過程中獲得較高定位精度。

在速度較低時,由于加減速時間較長,對基材進給過程的沖擊較小,故定位精度較高;當提高進給速度和進給加速度,進給定位受影響加劇,從而導(dǎo)致定位精度降低。

4 結(jié)束語

為了適應(yīng)大跨距Roll-to-Roll卷繞系統(tǒng)的擴展應(yīng)用,本文提出了一種以多軸運動控制卡為控制核心、基于四軸位置指令同步的進給控制方案,以滿足對非連續(xù)進給工況的定位精度需求。在RFID生產(chǎn)線實驗設(shè)備中,通過視覺系統(tǒng)完成進給定位精度數(shù)據(jù)的測量,分析實驗數(shù)據(jù)可知：①所提出的進給控制方法在柔性基材非連續(xù)進給工況中效果較好,為系統(tǒng)具有較高定位精度提供了保證;②頻繁啟停時,隨著速度和加速度的提高,定位精度略微降低;③本控制方案和進給方法可以滿足RFID封裝設(shè)備天線基材非連續(xù)進給工況對定位精度的較高要求。

[1] 胡旭曉,臺憲青,楊克己.步進掃描光刻機同步控制及硅片變形誤差補償技術(shù)研究[J].中國機械工程,2004,15(3)：192-195.

[2] Sun D,Mills J.Adaptive Synchronized Control for Coordination of Multirobot Assembly Tasks[J].IEEE Transactions on Robotics and Automation,2002,18(4)：498-510.

[3] Tan K,Lim S,Huang S,et al.Coordinated Motion Control of Moving Gantry Stages for Precision Applications Based on an Observer-augmented Composite Controller[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology,2004,12(6)：984-991.

[4] Xiao Y,Zhu K,Liaw H.Generalized Synchronization Control of Multi-axis Motion Systems[J].Control Engineering Practice,2005,13：809-819.

[5] 陳靜,劉強,齊暢.基于自適應(yīng)和模糊控制的新型XY平臺同步控制研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2008,20(12)：3212-3215.

[6] Yeh S,Hsu P.Analysis and Design of Integrated Control for M ulti-axis Motion Systems[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology,2003,11(3)：375-382.