5.8. Адаптивные роботы для прецизионной микросварки

Ультразвуковая микросварка является одним из основных способов сборки микропроцессорных приборов. Высокие требования, предъявляемые к качеству сборки, вызывают необходимость полной автоматизации процесса микросварки. До последнего времени этот процесс осуществлялся вручную. Оператору приходилось совмещать под микроскопом прецизионные свариваемые элементы с точностью до нескольких микрометров, причем эта операция повторялась в течение смены десятки тысяч раз. Качество микросварки и объемы выпуска зависели от квалификации оператора и существенно снижались по мере его утомления.

Эффективным средством автоматизации микросварки, обеспечивающим высокую производительность при заданном качестве изделий, являются манипуляционные роботы, снабженные системой технического зрения. Качество роботизированной микросварки и надежность микроэлектронных изделий практически не зависят от субъективных (человеческих) факторов. При такой автоматизации оказывается возможной сверхпрецизионная сборка, которую нельзя осуществить вручную. Благодаря гибкости роботов допустима частая смена номенклатуры и объема партий собираемых изделий.

Адаптивный робот для микросварки способен полностью заменить оператора. Однако при этом все-таки необходим один квалифицированный наладчик на 6-10 роботов, который эпизодически изменяет программу сборки и заменяет магазин с приборами. На адаптивную систему управления робота возлагаются следующие основные функции [129]: 1) управление прецизионными шаговыми приводами; 2) адаптация к изменению технологических параметров; 3) адаптация к неточности посадки кристаллов в корпусе и фиксации корпуса. Для реализации этих функций в системе управления используется микроЭВМ "Электроника-60". Она управляет четырьмя шаговыми приводами, осуществляющими вертикальное перемещение ультразвуковой сварочной головки, горизонтальное перемещение плиты и вращение рабочего столика, закрепленного на плите.

Процесс управления начинается с определения абсолютных координат кристалла и корпуса, после чего рабочий столик с обрабатываемым изделием автоматически ориентируется и позиционируется точно под сварочной головкой. Затем включается привод вертикального перемещения, и сварочная головка опускается до тех пор, пока не сработает сигнал запуска сварочной головки, что свидетельствует о контакте инструмента и проволоки со свариваемым изделием. После сварки в двух заранее выбранных точках и обрыва проволоки сварочная головка отводится в исходное положение и цикл повторяется.

Особенность цифровой системы управления приводами заключается в том, что в ней не используются реверсивные счетчики и коммутаторы. Управляющие сигналы от микроЭВМ через мультиплексор и регистр выходных сигналов подаются на силовые ключи, которые подключают или отключают обмотки шаговых двигателей. Для адаптивного управления шаговыми приводами от микроЭВМ можно использовать принципы и алгоритмы, описанные в п. 5.4.

Помимо управления шаговыми двигателями робота система управления должна обеспечить адаптацию (самонастройку) процесса микросварки к дрейфу технологических параметров, влияющих на качество изделий. Подсистема технологической адаптации обеспечивает регулирование частоты ультразвукового генератора и скорости ее изменения, стабилизацию тока ультразвукового преобразователя и величины деформации проводника. Для обеспечения самонастройки в контурах регулирования используются необходимые датчики (датчики тока и напряжения ультразвукового преобразователя, датчики частоты и т. д.).

Технологическая адаптация тесно связана с подсистемой оперативного неразрушающего контроля качества сварного соединения. Программное обеспечение этой системы включает модуль контроля качества и модуль диагностики. Модуль контроля следит за качеством каждого сварного соединения и отключает сварочную головку в случае появления брака. Модуль диагностики накапливает информацию о технологических параметрах в процессе сварки изделий, вычисляет систематические погрешности и прогнозирует возможность появления брака.

Для увеличения точности позиционирования сварочной головки в адаптивной системе управления используется обратная связь через систему технического зрения на базе приборов с зарядовой связью (ПЗС). Эти приборы, работающие по принципу самосканирования, обладают рядом достоинств: высокой разрешающей способностью (2-5 мкм), большой контрастной чувствительностью и малыми габаритными размерами. Информация о видимом изображении в зоне сварки подается со среднеформатного ПЗС с количеством рецепторов 144*230 в микроЭВМ. Здесь она обрабатывается с помощью методов распознавания изображений, в результате чего выделяются кристаллы, подлежащие микро-сварке, и определятся их истинные координаты. Далее вычисляются отклонения этих координат от их ожидаемых (эталонных)значений, и эта информация используется для соответствующей коррекции управляющих сигналов, подаваемых на шаговые приводы координатного стола (плиты). Тем самым осуществляется адаптивное позиционирование стола вместе с закрепленным на нем изделием с требуемой точностью (около 2-5 мкм).

Программное обеспечение адаптивных систем управления прицизионных роботов для микросварки включает в себя следующие программные модули [99]:

1. организации вычислительных процессов адаптивного управления;
2. расчета программных траекторий;
3. управления шаговыми двигателями;
4. распознавания и определения координат обрабатываемых кристаллов;
5. диагностики и контроля качества микросварки.