先進制造場景迫切呼喚一種能夠模擬人類手工細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，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、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行加工與操作時，傳統(tǒng)剛性自動化設(shè)備的局限性日益凸顯。這些先進制造場景迫切呼喚一種能夠模擬人類手工細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，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)時間約為150ms以內(nèi)，但其長期運行的穩(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)高效運行，壓力響應(yīng)時間縮短至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)動器、電機及機械結(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，評價位置控制的核心性能是位置精度以及位置響應(yīng)，評價速度控制的核心性能是速度波動以及速度響應(yīng)，評價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)計算如下：

　　"Tmotor=Iq * Kt "To=Tmotor-Tf"

　　注：

　　l Tmotor是伺服電機扭矩，單位為牛米(N-m);

　　l Iq是伺服電機的解耦后的Q軸電流，單位為安培(A);

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

　　l Tf是機械系統(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是伺服電機的解耦后的Q軸電流，這個電流的精度是開環(huán)力控的起點，是開環(huán)力控的核心指標，該電流精度影響因素主要是電機相電流的采樣精度和解耦運算。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)動器的精度也有很大差距(圖2)。

圖2 不同驅(qū)動器品牌精度之比較

　　Kt 是伺服電機的扭矩常數(shù)，這個參數(shù)是電機的核心性能指標，對于普通伺服電機，一般在規(guī)格書標稱的10~20%的范圍波動，并且受到溫度和長期壽命的顯著影響，對于直驅(qū)電機該參數(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，這個是衡量電機的最重要的性能指標之一。Kt常數(shù)一般通過maxwell電磁仿真和實際測量后獲得。

　　Tf是機械系統(tǒng)的摩擦力，目前機械系統(tǒng)有伺服電機+凸輪結(jié)構(gòu)和直驅(qū)系統(tǒng)兩種方案。對于伺服電機+凸輪結(jié)構(gòu)的機械系統(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：D品牌ZR電機)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)