SSCNET在半導體及光電產(chǎn)業(yè)設備的應用

前言

一般討論運動控制的文章都比較偏重于工具機的范疇，它牽涉到比較多的運動軌跡規(guī)劃及控制理論，但由于近年來半導體產(chǎn)業(yè)及光電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，生產(chǎn)設備的需求也日趨增加。 傳統(tǒng)的生產(chǎn)設備大多歸類在工廠自動化(FA)的范圍，大多使用PLC控制器來控制生產(chǎn)的流程，然而這些應用多半不符合現(xiàn)今要求高產(chǎn)能且高復雜度的半導體設備及光電產(chǎn)業(yè)設備，因為軸數(shù)的增加以及控制方式日益復雜化，設備所要求的動作不再是簡單的開關控制或是過程控制，通常用到數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡連結以及影像檢測系統(tǒng)，而且每次的動作都是根據(jù)外在變量來規(guī)劃，又必須做精確的定位及高速的動作，這些復雜的功能還必須架構在多執(zhí)行緒的程序中執(zhí)行，以往的PLC 的控制器不夠使用。 因此機器自動化(MA)領域也就日漸抬頭。設備業(yè)中的軟件工程師工作量日趨繁重，不再只是偏重于機構或是電控，而這些原本的PLC系統(tǒng)也漸漸被軟硬件越來越成熟的PC based 所取代。本文將通過SSCNET系統(tǒng)來討論幾個半導體設備及光電設備業(yè)常用的功能，期望通過本文能對正在為兩兆雙星產(chǎn)業(yè)設備而努力的工程師們有所幫助。

SSCNET的控制架構

SSCNET是一個專為運動控制所制定的網(wǎng)絡通訊協(xié)議，它是由三菱電機名古屋制作所于90年代初期發(fā)展的新一代運動控制架構，最新的一代(SSCNET III)采用光纖系統(tǒng)，并配合更高性能的伺服驅動器(J3B)。光是一二代在市場上應用已超過兩百萬軸，所以是一個很成功的串行運動控制技術。它的原理并不復雜，要使用它必須分成四層來說明，如圖1：以SSCNET的規(guī)格來說，每個T代表0.888ms，可以控制6軸。但市面上已有 ADLINK SSCNET motion card 可在0.888ms 控制 12 軸而且是在同一個時鐘周期上，也就是說可以做12軸同動。

圖1

1. 馬達控制層

建構在三菱的B-type伺服驅動器中，保留原本三菱的伺服控制技術并外加了通訊接口，固定時鐘接收伺服指令及傳回伺服狀態(tài)，并控制馬達的位置、速度及扭力，可用Station ID switch 指定軸號，不受配線順序影響。

2. 網(wǎng)絡通訊層

主要的技術是在同一條網(wǎng)絡上的所有軸都依循一個固定的控制周期來運作，也就是控制上具有多軸等時性的特性。因此能達到運動控制上的多軸絕對同步，通信上則是以Master/Slave的架構來進行。Master IC一般都是在主控計算機端，Slave IC 則是內嵌于伺服驅動器。Master IC 負責在控制周期內將指令傳送至各軸，并接收從各軸Slave IC傳來的信息，其同步時鐘為0.888ms。

3. 運動控制層

必須有一個同步于SSCNET的運動控制系統(tǒng)，負責將這些指令放到SSCNET的Master IC 并且將各軸信息由Master IC 取回。這個控制系統(tǒng)在PC based上有兩種作法：第一種是利用一顆微處理器接收Master IC 的控制周期中斷，并于固定的時間內將該周期的運動命令計算出來并送給Master IC。當然同時間也必須讀回Master IC上的信息，這顆微處理器是獨立于PC之外，通常會設計在外圍控制卡上，以凌華的 PCI-8372而言，是采用TI的浮點運算DSP。另外一種是利用PC上的CPU接收Master IC 的控制周期中斷，同樣的，必須于固定的時間內將該周期的運動命令計算出來并送給Master IC，以工研院機械所開發(fā)的SSCNET-N601而言，是采用VenturCom的RTX開發(fā)環(huán)境，前者的好處是穩(wěn)定且方便機臺設計者使用，后者的好處是機臺設計者可以直接控制SSCNET，但必須考慮同步問題。

4. 使用者接口層

這一層是純軟件，通常會與運動控制層緊密配合，由于最終的使用者(設備制造商)還是必須通過運動控制卡所附的接口函式或是圖控組件來設計機臺的生產(chǎn)程序，所以這一層對于商品化的SSCNET控制卡格外重要。業(yè)界大部分的設備軟件開發(fā)者都希望有個友善的使用者接口，少部分的使用者則喜歡由運動控制層做起。半導體設備及光電產(chǎn)業(yè)的設備特性是少量多樣，所以適用于前者，工具機及產(chǎn)業(yè)機械的特性是多量少樣，適用于后者。由運動控制層做起的使用者多半具有學術理論背景，或本來就具有這樣的技術，所以會希望由控制層作起，如此一來運動控制卡就只是一張適配卡。由使用者接口層做起的使用者多半握有設備生產(chǎn)方式的核心技術，只要利用廠商開發(fā)出之泛用或專用函式，就可以輕易的將設備的功能設計出來，他們所需要的只是產(chǎn)品的可靠性，并不需要知道太多的運動控制理論。如圖一的使用者接口層，使用者的命令是不需要跟SSCNET的通訊周期同步，因此可以降低設備開發(fā)者的困擾。本文接下來要通過凌華科技(ADLINK) 所開發(fā)的 PCI-8372 SSCNET 12軸運動控制卡(如圖2) 來介紹現(xiàn)今半導體業(yè)以及光電產(chǎn)業(yè)常用的功能。

圖2

半導體設備及光電產(chǎn)業(yè)設備常用的功能

1. load/unload system

上下料裝置是最常見的半導體設備功能，使用來取代人工上下加工件的動作，通常需要一個單軸運動指令來實現(xiàn)，若機臺中有多處使用上下料功能，也可以同時呼叫單軸運動指令或是一個全軸同動指令來實現(xiàn)，設計者可以根據(jù)所要的位置及速度下命令，并等待到位訊號即可. 這部分要求的是穩(wěn)定以及簡便。

2. Pick & place system

這是組件取放動作，可以是已封裝完成的芯片或是封裝前的晶粒，一般都是靠真空吸嘴以及一個兩軸機構來完成，分為取-提高-平移-降低-放五個步驟，這過程中間也許會夾雜一些影像檢測的動作，或是輸入點檢查動作，或是位置比較動作，利用 ADLINK SSCNET的功能可以讓這五個步驟間的轉折點更平滑，降低震動，增加穩(wěn)定度，又因為是DSP在處理整個動作，所以更可以讓中間插入的額外動作實時性更好，這部份講求的是周期速度，一般來說越快越好。瓶頸點在于影像檢測快慢跟運動之平順度。