MOTEC伺服系统在半导体芯片切割上的应用

半导体芯片切割控制精度要求非常高，目前国内基本上用的基本上都是进口设备。该案例中的设备是Motec为某半导体厂家开发设计的。

1、系统选型

X轴负载重量 Mx: 20.2kg

Y轴负载重量 My: 2.9kg

滚轴丝杠螺距P： 5mm

额定转速： 3000(min-1)

摩擦系数： μ=0.2

机械效率： η=0.9

加速时间： t=0.01s

负载速度： VL=15m/min

惯量、扭矩计算

(1)惯量计算

X轴负载惯量：Jx=Mx(P /2π)2

= 20.2×(0.005/2×3.14)

= 0.128×10-4 kgm2

Y轴负载惯量：Jy=My(P/2π)2

=2.9×(0.005/2×3.14)2

= 0.0184×10-4 kgm2

滚珠丝杠： J2 = πρLBDB4/32

= 0.405×10-4 kgm2

X轴电机负载惯量： JLX = Jx+ J2=0.533×10-4 kgm2

Y轴电机负载惯量： JLY= Jy+ J2=0.4234×10-4 kgm2

400w电机惯量：Jm4= 0.26×10-4 kgm2

750w电机惯量：Jm7=0.87×10-4 kgm2

(2)扭矩计算

由于需要的行程速度是100mm/s到150mm/s，这次速度将以250mm/s=15m/min来计算。

电机转速：NL = VL/P=15/0.005 = 3000(min-1)

= 3000 × 2π / 60=314 rad

加速度：a+ = NL/t =3140 rad/s2

X轴负载转矩：TLX=μMgP / 2πη

=0.2×20.2×9.8×0.005/2×3.14×0.9=0.035 Nm

Y轴负载转矩：TLY=μMgP / 2πη

=0.2×2.9×9.8×0.005/2×3.14×0.9=0.00304 Nm

X轴启动转矩：Tpx = (JLX + Jm7)●a+ + TLX

= 0.441 + 0.035 = 0.476 Nm

Y轴启动转矩：Tpy = (JLY + Jm4)●a+ + TLY

= 0.215 + 0.00304 = 0.218 Nm

X轴制动转矩：Tsx = (JLX+ Jm7)●a+ - TL

=0.441-0.035=0.406Nm

Y轴制动转矩：Tsy = (JLY + Jm4)●a+ - TL

= 0.215 - 0.00304 = 0.212 Nm

通过以上的计算选用的是松下MHMD400w和MSMD750w的交流伺服电机，该型号输出惯量适合，运行更平稳。X轴用的是750w的伺服系统，额定扭矩为2.4Nm;而Y轴用400w的伺服系统，额定扭矩为1.3Nm;这两款的额定转速都为3000rps;所选伺服的惯量及扭矩都能使载体平稳的运行。

(3)盘式电机选型

由于在盘式伺服上要放的是一个铝制的圆盘，圆盘规格(R=150mm M=1kg 实心)：

圆盘惯量J=1/2×M×(D/2)²=1/2×1×(150/2)²=0.0028125 kgm2

扭矩T=角加速度a×惯量J

圆盘转π/2需要的时间是4s 平均角速度V=π/2÷4=0.3925rad/s

则 角加速度=角速度V/加速时间t=0.3925×0.01=39.25rad/s²

则 扭矩T=39.25×0.0028125=0.1104Nm

由于惯量要匹配，盘式伺服承受物体的惯量和盘式伺服自身的惯量的比例在1：10之内是最

理想的，所以所选的盘式伺服ND110-50F自身的惯量是0.00034 kgm2、额定扭矩是2.4Nm最大扭矩是7.2Nm、回转速度是5rps、分辨率是720000 ppr。该盘式伺服的定位精度是±90s，重复定位精度是±18s，外加绝对值选项定位精度可达±15s、重复定位精度±1.8s。

360度=1296000s 圆盘周长 L=πR=3.14×150=471000um 则角度1s=0.363um弧长

所以当定位精度为15s时圆盘的弧长精度可达到5.445um。

1.1实现功能

1、原点复归

2、激光功率检测

3、芯片切割

1.2系统设计