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(dòng)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(dòng)軌跡規劃及控制理論，但由于近年來(lái)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。 傳統的生產(chǎn)設備大多歸類(lèi)在工廠(chǎng)自動(dòng)化(FA)的范圍，大多使用PLC控制器來(lái)控制生產(chǎn)的流程，然而這些應用多半不符合現今要求高產(chǎn)能且高復雜度的半導體設備及光電產(chǎn)業(yè)設備，因為軸數的增加以及控制方式日益復雜化，設備所要求的動(dòng)作不再是簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制或是過(guò)程控制，通常用到數據庫、網(wǎng)絡(luò )連結以及影像檢測系統，而且每次的動(dòng)作都是根據外在變量來(lái)規劃，又必須做精確的定位及高速的動(dòng)作，這些復雜的功能還必須架構在多執行緒的程序中執行，以往的PLC 的控制器不夠使用。 因此機器自動(dòng)化(MA)領(lǐng)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系統也漸漸被軟硬件越來(lái)越成熟的PC based 所取代。本文將通過(guò)SSCNET系統來(lái)討論幾個(gè)半導體設備及光電設備業(yè)常用的功能，期望通過(guò)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(gè)專(zhuān)為運動(dòng)控制所制定的網(wǎng)絡(luò )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(dòng)控制架構，最新的一代(SSCNET III)采用光纖系統，并配合更高性能的伺服驅動(dòng)器(J3B)。光是一二代在市場(chǎng)上應用已超過(guò)兩百萬(wàn)軸，所以是一個(gè)很成功的串行運動(dòng)控制技術(shù)。它的原理并不復雜，要使用它必須分成四層來(lái)說(shuō)明，如圖1：以SSCNET的規格來(lái)說(shuō)，每個(gè)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(gè)時(shí)鐘周期上，也就是說(shuō)可以做12軸同動(dòng)。

圖1

1. 馬達控制層

建構在三菱的B-type伺服驅動(dòng)器中，保留原本三菱的伺服控制技術(shù)并外加了通訊接口，固定時(shí)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(xiàn)順序影響。

2. 網(wǎng)絡(luò )通訊層

主要的技術(shù)是在同一條網(wǎng)絡(luò )上的所有軸都依循一個(gè)固定的控制周期來(lái)運作，也就是控制上具有多軸等時(shí)性的特性。因此能達到運動(dòng)控制上的多軸絕對同步，通信上則是以Master/Slave的架構來(lái)進(jìn)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(dòng)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(lái)的信息，其同步時(shí)鐘為0.888ms。

3. 運動(dòng)控制層

必須有一個(gè)同步于SSCNET的運動(dòng)控制系統，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(gè)控制系統在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(shí)間內將該周期的運動(dòng)命令計算出來(lái)并送給Master IC。當然同時(shí)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(huì )設計在外圍控制卡上，以凌華的 PCI-8372而言，是采用TI的浮點(diǎn)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(shí)間內將該周期的運動(dòng)命令計算出來(lái)并送給Master IC，以工研院機械所開(kāi)發(fā)的SSCNET-N601而言，是采用VenturCom的RTX開(kāi)發(fā)環(huán)境，前者的好處是穩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(wèn)題。

4. 使用者接口層

這一層是純軟件，通常會(huì )與運動(dòng)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(guò)運動(dòng)控制卡所附的接口函式或是圖控組件來(lái)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(kāi)發(fā)者都希望有個(gè)友善的使用者接口，少部分的使用者則喜歡由運動(dòng)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(dòng)控制層做起的使用者多半具有學(xué)術(shù)理論背景，或本來(lái)就具有這樣的技術(shù)，所以會(huì )希望由控制層作起，如此一來(lái)運動(dòng)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(shù)，只要利用廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)出之泛用或專(zhuān)用函式，就可以輕易的將設備的功能設計出來(lái)，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(dòng)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(kāi)發(fā)者的困擾。本文接下來(lái)要通過(guò)凌華科技(ADLINK) 所開(kāi)發(fā)的 PCI-8372 SSCNET 12軸運動(dòng)控制卡(如圖2) 來(lái)介紹現今半導體業(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(jiàn)的半導體設備功能，使用來(lái)取代人工上下加工件的動(dòng)作，通常需要一個(gè)單軸運動(dòng)指令來(lái)實(shí)現，若機臺中有多處使用上下料功能，也可以同時(shí)呼叫單軸運動(dòng)指令或是一個(gè)全軸同動(dòng)指令來(lái)實(shí)現，設計者可以根據所要的位置及速度下命令，并等待到位訊號即可. 這部分要求的是穩定以及簡(jiǎn)便。

2. Pick & place system

這是組件取放動(dòng)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(gè)兩軸機構來(lái)完成，分為取-提高-平移-降低-放五個(gè)步驟，這過(guò)程中間也許會(huì )夾雜一些影像檢測的動(dòng)作，或是輸入點(diǎn)檢查動(dòng)作，或是位置比較動(dòng)作，利用 ADLINK SSCNET的功能可以讓這五個(gè)步驟間的轉折點(diǎn)更平滑，降低震動(dòng)，增加穩定度，又因為是DSP在處理整個(gè)動(dòng)作，所以更可以讓中間插入的額外動(dòng)作實(shí)時(shí)性更好，這部份講求的是周期速度，一般來(lái)說(shuō)越快越好。瓶頸點(diǎn)在于影像檢測快慢跟運動(dòng)之平順度。