一种中低功率激光切割设备的高精度运动控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及运动控制技术领域，具体为一种中低功率激光切割设备的高精度运动控制系统及其控制方法。

背景技术：

随着激光技术的不断发展以及激光技术深入半导体行业，激光已经在半导体领域多道工序取得成功应用。广为熟知的激光打标，使得精细的半导体芯片标识不再是个难题。激光切割半导体晶圆，一改传统接触式刀轮切割弊端，解决了诸如刀轮切割易崩边、切割慢、易破坏表面结构等诸多问题。运动控制起源于早期的伺服控制。简单地说，运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。早期的运动控制技术主要是伴随着数控技术、机器人技术和工厂自动化技术的发展而发展的。早期的运动控制器实际上是可以独立运行的专用的控制器，往往无需另外的处理器和操作系统支持，可以独立完成运动控制功能、工艺技术要求的其他功能和人机交互功能。这类控制器可以成为独立运行的运动控制器。这类控制器主要针对专门的数控机械和其他自动化设备而设计，往往已根据应用行业的工艺要求设计了相关的功能，用户只需要按照其协议要求编写应用加工代码文件，利用rs232或者dnc方式传输到控制器，控制器即可完成相关的动作。这类控制器往往不能离开其特定的工艺要求而跨行业应用，控制器的开放性仅仅依赖于控制器的加工代码协议，用户不能根据应用要求而重组自己的运动控制系统。近年来光电产业的快速发展，高集成度和高性能的半导体晶圆需求不断增长，硅、碳化硅、蓝宝石、玻璃以及磷化铟等材料作为衬底材料被广泛应用于半导体晶圆领域。随着晶圆集成度大幅提高，晶圆趋向于轻薄化及晶粒密集度的显著增加，对激光加工设备的精度性能提出了更高的要求。

现有的激光切割设备相较于现有的工艺需求控制精度较低，执行机构在运行过程中容易产生偏差导致切割效果较差，实际生产中良品率较低。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种中低功率激光切割设备的高精度运动控制系统及其控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种中低功率激光切割设备的高精度运动控制系统，所述高精度运动控制系统包括有上位机、通讯模块、执行机构和动态检测装置，所述上位机依据所需要的切割工况对工况进行数字化建模并生成相应的控制执行指令，所述执行机构用于对上位机所发送的控制执行指令进行执行，所述动态检测装置用于对执行机构进行监测和位置识别，所述通讯模块用于接收上位机以及动态检测装置的相应指令和信号，并发送传递相应信号至执行机构。

优选的，所述执行机构具体为驱动电机带动激光切割设备，所述驱动电机为伺服电机或步进电机，且所述驱动电机至少设有一组。

优选的，所述通讯模块具体采用tcp/ip或can总线通讯协议。

优选的，所述上位机具体采用arm+fpga架构，所述上位机中设有arm板和fpga板。

优选的，所述arm板包括交互界面、编译模块、控制模块以及文件管理，所述交互界面用于显示和输入相应信息，编译模块用于对信号进行编译处理，所述控制模块基于切割工况进行数字化建模生成相应控制指令，所述文件管理用于管理备份相应数据资料。

优选的，所述fpfa板包括信号处理模块、执行模块、仿真模块和通讯，所述信号处理模块接收相应信号并处理后发送至执行和仿真模块，所述执行模块依据相应的控制指令发送控制信号至通讯模块，所述仿真模块接收相应的控制指令对控制指令进行仿真分析，所述接收模块接收相应信息。

优选的，所述arm板和fpga板之间采用总线通讯协议。

优选的，所述控制模块还设有自适应逆控制算法，所述自适应你控制算法在执行机构运行时由依据当前时间的控制模块生成的控制指令提取设定值，并通过动态检测模块捕获执行结构当前状态值，对比状态值和设定值得出调控差值，调控差值经过神经网络bp算法得出下一指令周期的设定值。

还包括一种中低功率激光切割设备的高精度运动控制系统的控制方法，将执行设备的运行轨迹进行公式化分析，分析结果输入控制模块生成相应的控制指令，控制指令由执行模块发送到通讯模块，并由通讯模块传递至相应的执行机构执行，在执行时动态检测装置实时检测执行机构结果状态，并在周期时间内进行自适应逆控制算法进行校验，使得执行机构安装指定轨迹运行。

(三)有益效果

本发明提供了一种中低功率激光切割设备的高精度运动控制系统及其控制方法，具备以下有益效果：采用基于逆反馈的自适应高精度控制技术，以及充分发挥技术效应的arm+fpga硬件架构。在架构中设有交互模块便于数据的输入和展示，同时在控制模块中设有基于神经网络bp算法的自适应逆控制算法，使得该控制模块的控制结果兼备最优性和鲁棒性，由于设有动态检测装置进行实时动态检测和反馈，并基于反馈信号给出状态值结合自适应逆控制算法进行反馈闭环控制，使得控制系统具有学习能力和逼近任意非线性映射的能力，进而能够有效地减少运动过程中的间隙、摩擦、振动等非线性因素的干扰，将运动控制精度从市场主流的100-200微米提高到了50微米。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明arm+fpga硬件架构示意图；

图3为本发明自适应逆控制流程示意图；

图4为本发明控制方法流程示意图；

图5为本发明实时闭环控制原理示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

本发明实施例提供一种中低功率激光切割设备的高精度运动控制系统，高精度运动控制系统包括有上位机、通讯模块、执行机构和动态检测装置，上位机依据所需要的切割工况对工况进行数字化建模并生成相应的控制执行指令，执行机构用于对上位机所发送的控制执行指令进行执行，动态检测装置用于对执行机构进行监测和位置识别，通讯模块用于接收上位机以及动态检测装置的相应指令和信号，并发送传递相应信号至执行机构。

执行机构具体为驱动电机带动激光切割设备，驱动电机为伺服电机或步进电机，且驱动电机至少设有一组，通讯模块具体采用tcp/ip或can总线通讯协议，上位机具体采用arm+fpga架构，上位机中设有arm板和fpga板，arm板包括交互界面、编译模块、控制模块以及文件管理，交互界面用于显示和输入相应信息，编译模块用于对信号进行编译处理，控制模块基于切割工况进行数字化建模生成相应控制指令，文件管理用于管理备份相应数据资料，fpfa板包括信号处理模块、执行模块、仿真模块和通讯，信号处理模块接收相应信号并处理后发送至执行和仿真模块，执行模块依据相应的控制指令发送控制信号至通讯模块，仿真模块接收相应的控制指令对控制指令进行仿真分析，接收模块接收相应信息，arm板和fpga板之间采用总线通讯协议，控制模块还设有自适应逆控制算法，自适应你控制算法在执行机构运行时由依据当前时间的控制模块生成的控制指令提取设定值，并通过动态检测模块捕获执行结构当前状态值，对比状态值和设定值得出调控差值，调控差值经过神经网络bp算法得出下一指令周期的设定值。

还包括一种中低功率激光切割设备的高精度运动控制系统的控制方法，将执行设备的运行轨迹进行公式化分析，分析结果输入控制模块生成相应的控制指令，控制指令由执行模块发送到通讯模块，并由通讯模块传递至相应的执行机构执行，在执行时动态检测装置实时检测执行机构结果状态，并在周期时间内进行自适应逆控制算法进行校验，使得执行机构安装指定轨迹运行。

综上，采用基于逆反馈的自适应高精度控制技术，以及充分发挥技术效应的arm+fpga硬件架构。在架构中设有交互模块便于数据的输入和展示，同时在控制模块中设有基于神经网络bp算法的自适应逆控制结构，使得该控制模块的控制结果兼备最优性和鲁棒性，由于设有动态检测装置进行实时动态检测和反馈，并基于反馈信号给出状态值结合自适应逆控制结构进行反馈闭环控制，使得控制系统具有学习能力和逼近任意非线性映射的能力，进而能够有效地减少运动过程中的间隙、摩擦、振动等非线性因素的干扰，将运动控制精度从市场主流的100-200微米提高到了50微米。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。