CN101224576B

CN101224576B - 磁控溅射喷涂机器人示教轨迹优化控制方法

Info

Publication number: CN101224576B
Application number: CN2008100069213A
Authority: CN
Inventors: 邓中亮; 刘爱斌
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2008-01-25
Filing date: 2008-01-25
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2028-01-25
Also published as: CN101224576A

Abstract

本发明提供了一种磁控溅射喷涂机器人示教轨迹优化控制方法，其特征在于，通过计算机将获得的示教轨迹反解成机器人各轴运动的数据，将该数据传输给控制系统，并通过控制系统控制机器人的运行，使得被机器人抓着的溅射靶按照示教轨迹行走。实验表明利用本发明可以对多种复杂的基片进行镀膜，并取得了良好的镀膜效果。

Description

磁控溅射喷涂机器人示教轨迹优化控制方法

技术领域

本发明涉及磁控溅射喷涂技术，具体地说，是一种磁控溅射喷涂机器人示教轨迹优化控制方法。

背景技术

磁控溅射法又叫高速低温溅射法，是一种十分有效的薄膜沉积方法，与蒸发法相比，具有镀膜层与基材的结合力强，镀膜层致密、均匀。成份容易控制等优点。在微子、光学薄膜、材料等方面用于薄膜的沉积、表面处理等。溅射是一个在离子与物质表面原子碰撞过程中发生能量与动量转移、最终将物质表面原子激发出来的复杂过程。溅射过程中Ar+以几十电子伏以上的能量直接轰击材料表面，使其表面原子获得足够的能量以克服表面束缚能，同时以一定的能量进入真空中并沉积到基片表面。目前国内的真空磁控镀膜机的真空室还不够大，不能加工结构复杂的基片。并且加工的基片形状基本上是固定的几种样式，不能进行各种基片的加工，难以满足需求。

机器人示教的主要功能在控制系统原有软件上已实现，但是机器人位于不透明的真空仓内，在控制系统上进行示教操作时无法实时观察机器人的实际运动状态，因而每次示教都需要两个人相互配合，一人在控制系统旁操作，一人在机器人旁观察，十分不便，影响了机器人示教的效果，也存在安全隐患。

发明内容

本发明针对上述不足，提供一种磁控溅射喷涂机器人示教轨迹优化控制方法。

本发明通过一个计算机(最好便携式电脑，例如笔记本电脑)，与控制系统相连，通过控制系统来控制机器人的运行。

具体地说，通过计算机将获得的示教轨迹反解成机器人各轴运动的数据，将该数据传输给控制系统，并通过控制系统控制机器人的运行，使得被机器人抓着的溅射靶按照示教轨迹行走。

为了保证数据的安全性，控制系统接收到由计算机传输的数据后将该数据反馈给计算机，计算机将该数据进行复核。并且，可以在计算机相关软件操作窗口中显示出来。

计算机每次传输的数据包括数据起始标记、传输数据长度、事件编号、结束标记等等，并且对于事件编号，在传输的消息中增加冗余信息，以备校验。

由于串口传输的速率较低，不适于传输过长的数据，否则影响示教操作的实时性，而且每次从接受缓冲区读取的数据长度不等，为此对每次传输数据的总长度限制为256个字节以内，并可规定数据的起始标志(0xFF)和结束标志(0x00)；

此外，对于数据内的附加信息增加长度校验

在数据传输过程中，数据接收最为关键，也是难点之所在。数据接收端接受缓冲区清零，并将接收到的数据存入临时缓冲区。判断接收数据缓冲区的数据格式是否正确，首先判断的起始位是否正确，然后判断数据结束标志位是否正确，判断收到的数据长度是否正确，最后验证事件编号是否正确(定义的事件编号与数据所在的字位相适应，例如可以将事件编号所在的位置＝事件编号+1，这样有利于校验)，其中如果有一个判断不满足条件，程序跳出，报错。如果收到数据缓冲区的数据正确则将数据传送给控制系统执行。

对于示教轨迹，可以是曲面三维轨迹，其可参照如下方法获得：1)读取用三角形数据表示的曲面文件；2)用一个或多个平面切割曲面，求得平面与三角形两边的交点；3)将获得的交点按照顺序排列，即得到曲面三维轨迹。

其中，步骤1)所述的用三角形数据表示的曲面文件为Stl文件。

其中，步骤3所述的排序方法通过如下步骤实现：假定用某一平面S切割曲面，将与平面S相交的三角形数据建立单链表，每个三角形数据用链表中的每一个结点表示，设链表指针为S_n，n＝1，2，3，...，Max，设S_n所指向的结点中平面与三角形的交点为A_n和B_n，取任一结点中的两个交点，假设为A_i和B_i，以A_i为头结点，B_i作为尾结点，建立新的链表，用A_i的值遍历链表，找到具有相同交点的结点，假定为S_j，则下一个点为B_j，以此类推，从而得到以A_i作为头结点的链表，同样可以得到以B_i为尾结点的链表，将这两个链表连接成一个链表，即得到平面S切割形成的连续排列的曲面三维轨迹。

用多个平面切割曲面时，将得到多个轨迹，将相邻两平面a、b切割得到的顺序排列的链表的首结点或尾结点相连，将平面b以及与平面b相邻的另一平面c的尾结点或首结点相连，依次类推，将多个平面切割得到的轨迹拟合成一个。为防止两结点间的具体超出真空电机的运动极限而导致电机抱死，因而相在邻两平面两首结点或两尾结点之间的直线上增加结点。

将上面获得的三维轨迹用距离均匀的点来表示，这样有助于溅射靶匀速行走，从而形成均匀的镀膜。例如可按照下述方法获得距离均匀的点表示的三维轨迹：假定需要将三维轨迹用固定距离为S的点表示，假定用A1，A2，....，An来表示三维轨迹中的各点，当A1与A2之间的距离小于S时，舍弃A2点，再将A1与A3之间的距离与S比较；当A1与A2两点间的距离大于S时，则在A1与A2之间插入点B1，A1与B1之间的距离为S，再将B1与A2之间的距离与S比较，以此类推。

进一步，还可将轨迹末端沿着轨迹切线方向延长，由于可以使得轨迹末端也能够均匀镀膜。

通过控制溅射靶的行走轨迹可以使得磁控溅射镀膜机能够加工复杂基片，并且具有良好的精度和均匀性。

附图说明

图1、笔记本电脑、控制系统以及机器人的连接关系；

图2、数据接受端(控制系统)的数据接收；

图3、用某一平面α切割坐标系中三角形示意图；

图4、用平面A切割曲面B(平面)示意图；

图5、Stl文件中三角形数据储存格式；

图6、链表中各结点以及保存的交点示意图；

图7、多条切割轨迹示意图；

图8、轨迹末端延伸示意图；

图9、多条轨迹拟合示意图；

图10、用平面S切割曲面R示意图；

图11、链表中各结点以及保存的交点示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明，但是一下实施例不应理解为对本发明的限制，在不背离本发明精神和实质的情况下，对一下实施方式所作的修改或替换均属于本发明的范围。

实施例1

本例中，计算机采用目前常用的笔记本电脑，采用RS-232串行接口将工控机和笔记本电脑相连，实现二者的交互。控制系统控制机器人的运行，溅射靶安装在机器人的机械臂上。

计算机将获得的轨迹数据反解成机器人各轴运动的数据，其数据格式如下；

第0个字节：0xFF 起始标志

第1个字节：n 传输数据的长度(不包含结束标志)，n＜256

第2个字节：ID 事件编号

第3个字节：ID1 事件编号，ID1＝ID

…………… 附加信息

第n个字节：0x00 结束标志

为便于事件的识别和处理，对所有相关的事件作了如下编号：

事件编号事件意义

1 X向后

2 X向前

3 Y向右

4 Y向左

5 Z向下

6 Z向上

7 V松开

8 V夹紧

9 A逆时针

10 A顺时针

11 B逆时针

12 B顺时针

13 C向下

14 C向上

15 开始

16 存储

17 导出

18 机器人各轴实时位置坐标显示

25 设定/显示位置步长

26 设定/显示姿态步长

28 定/显示靶号

29 设定/显示取/放靶

30 显示示教记录

31 显示提示信息

32 机器人停止

33 机器人返回

34 启动各轴坐标数据传输

35 禁止各轴坐标数据传输

41 设定/显示X轴速度

42 设定/显示Y轴速度

43 设定/显示Z轴速度

44 设定/显示V轴速度

45 设定/显示A轴速度

46 设定/显示B轴速度

47 设定/显示C轴速度

253 3串口已打开

254 4串口已关闭

为了保证关键数据通过串口传输的准确性和完整性，做了以下处理：

1.对于笔记本电脑的设定信息(见笔记本电脑示教界面右侧第二列编辑栏)，例如速度、步长、靶号等，工控机收到后将它在相应的位置显示出来并将它返回给笔记本电脑，笔记本电脑收到后则将它在旁边的编辑栏内显示出来，比较设定和返回数据的就不难判断工控机收到的数据正确与否；

2.对于事件编号，在传输的消息中增加冗余信息，以备校验；

3.由于串口传输的速率较低，不适于传输过长的数据，否则影响示教操作的实时性，而且每次从接受缓冲区读取的数据长度不等，为此对每次传输数据的总长度限制为256个字节以内，并规定数据的起始标志(0xFF)和结束标志(0x00)；

4.对于数据内的附加信息增加长度校验

在数据传输过程中，数据接收最为关键，也是难点之所在。如图2所示，数据接收端启动程序，接受缓冲区清零(接受数据的长度k＝0)，串口收到数据发生后延迟50毫秒，这样可以将接收到的数据收齐，将接收到的数据存入临时缓冲区tmp，将收到数据长度存入临时变量n。判断接收数据缓冲区的数据格式是否正确，例如：

数据起始	数据长度
数据起始	数据长度					FF	n	ID	ID1	.....	00

首先判断的起始位是否为FF，然后判断是否为数据结束标志位00，判断收到的数据长度是否正确，最后验证事件编号ID是否等于ID1，其中如果有一个判断不满足条件，程序跳出，报错。如果收到数据缓冲区的数据正确则将数据传送给工控机执行。

实施例2

本例以Stl文件为源文件，来说明曲面三维轨迹的获得过程。

读取Stl文件

Stl文件实际上是许多三角形的集合，它给出了每一个三角形的三个顶点的坐标和三角形的法向量。其数据存储格式如下所示：

facet normal 9.763660e-001-3.565955e-002 2.131615e-001

outer loop

vertex-3.640531e+002 4.261792e+003 4.675909e+002

vertex-3.656961e+002 4.195778e+003 4.640729e+002

vertex-3.651771e+002 4.207171e+003 4.636015e+002

endloop

endfacet

可以将stl文件中的数据读到设计好的单链表中去，单链表结点的可用如下格式表示：

Struct Triangle

{

CPOINT N；/*法向量*/

CPOINT A；/*顶点1*/

CPOINT B；/*顶点2*/

CPOINT C；/*顶点3*/

float f_MaxX，f_MinX；/*最大和最小X坐标*/

float f_MaxY，f_MinY；/*最大和最小Y坐标*/

float f_MaxZ，f_MinZ；/*最大和最小Z坐标*/

struct Triangle*next；

}；

读取的程序的编码可采用的是由C++标准委员会提供的输入输出接口函数。读取在stl文件中的所有三角形的值，直到把所有的值都写入到设计的单链表中去。

切割曲面

实际中的曲面是不规则的空间曲面，为了把空间中的曲面转化为计算机能够识别和认识的数据，我们把空间中的曲面用很小的三角形进行拼凑，使得用许多平面三角形拼凑的空间曲面近似于实际的曲面。这些三角的顶点和法向量数据都保存到了stl文件中。现在所有的三角形的数据都已经写入到了单链表中了。

用空间中的平面去切割实际中的不规则曲面，对于计算机来说就是用平面切割那个近似曲面。实际上是求空间三角形和空间平面的交点。如图3所示。空间平面的y坐标是已知的，三角形的两条边的空间直线方程根据公式可以求出。

公式如下：

[(x-x1)/(x1-x2)]＝[(y-y1)/(y1-y2)]＝[(z-z1)/(z1-z2)]＝t

由于知道空间平面坐标的y值，故交点的Y坐标值是已知的，根据直线方程可以求出直线参数方程中的未知数t，交点的x和z坐标就可以求出。由于默认三角形为平面，所以三角形上的点的法向量和三角形的法向量保持一致。所求的点的数据可保存到如下的结构体中：

struct CROSS

{

CPOINT norm[2]； //法向量

CPOINT P[2]； //只能有两个交点

int NoOfTriangle；//三角形的索引号

CROSS*next；

}；

排序

当空间的平面和三角形相交得到交点所构成的链表是一个无序链表，也就是说链表中的任意一点，它的左右邻居点并不是它在数模中的左右邻居点。举例说明如下：

假设有一个空间曲面A(为简单起见，以空间平面举例)。它由8个三角形表示，用一平面B截A即得到c到k九个点。由于得到的Stl文件中的三角形并不是如图4所示那样排序的，而是任意排序的，如图5所示。

这种排序方式不满足我们要求，必须把各点的顺序调整到图4中所示的顺序。

一种可行的方法是采用三角形拓扑排序法，其原理如下：由于一个完整的曲面被一形平面三角形近似的拼成的这三角形除了在边远处的之外，其它三角形的一条边是两个三角形所共有的。

在用平面截三角形求交点的过程中，这些交点(除边缘处之外)都保存了两次。因而利用相关性就可以排序。

如图4所示：平面B与③号三角形所交得到交点e和f，并保存在一个链表结点中，而平面B又与④号三角形所交得到交点f，g，并保存。说明f点被保存二次。如图6所示。

假设④号三角形的交点是这个链表的头接点。我们分别取出f和g并以g为头结点，f为尾结点建立新的链表，通过用f的值束遍历整个链表，找到③号三角形，得到f的下一个点为e。以此类推，我就可以得到c→d→e→f这个链表。同样的方法可以得到g为顶点的链表g→h→i→k。然后合并两个链表就可以得到所需要的链表。

再如：假定用某一平面S切割曲面R，将与平面S相交的三角形数据建立单链表，每个三角形数据用链表中的每一个结点表示，设链表指针为S_n，n＝1，2，3，...，Max，设S_n所指向的结点中平面与三角形的交点为A_n和B_n，取任一结点中的两个交点，假设为A_i和B_i，以A_i为头结点，B_i作为尾结点，建立新的链表(临时链表)，用A_i的值遍历链表，找到具有相同交点的结点，假定为S_j，则下一个点为B_j，以此类推，从而得到以A_i作为头结点的链表，同样可以得到以B_i为尾结点的链表，将这两个链表连接成一个链表，即得到平面S切割形成的连续排列的曲面三维轨迹。

如图10所示，平面S切割曲面R，S将与曲面上的5个三角形相交，这五个三角形分别为S1、S2、S3、S4、S5，在Stl文件中S1～S5并不是顺序排列的，将这些三角形数据建立一个单链表，如图11所示，每个三角形数据用链表中的每一个结点表示，设链表指针为分别为S1、S2、S3、S4、S5，设S_n所指向的结点中平面与三角形的交点为A_n和B_n，取任一结点中的两个交点，假设用A₄和B₄，以A₄为头结点，B₄作为尾结点，建立新的链表(临时链表)，用A₄的值遍历链表，找到与A₄值相同的点B₃，说明A₄与B₃表示的为同一点，在B₃所在的结点中，还存在另外一点即A₃，A₃与B₃为同一三角形与平面相交的点，因此A₃与B₃相邻，因而下一个点为A₃，以此类推，从而得到以A₄作为头结点的链表，同样可以得到以B₄为尾结点的链表，将这两个链表连接成一个链表，即得到平面S切割形成的连续排列的曲面三维轨迹。

按照上述方法即可获得排序的链表，即曲面的三维轨迹。

差补链表中的点

上面所得到的链表上两两相邻两点的距离是不均匀的，由于工艺的要求需要保证点与点的距离是定值。本例采用的差补方式为直线差补。仍用上例来说明问题。假设得到排序链表c→d→e→f→g→h→i→j→k。规定两点之间的距离为S，当c到d的距离大于S时，在c与d之间加入d1点，并计算d1到d的距离与S的关系。如大于继续加点，如小于S抛弃d，d1与e比较，以此类推得到一个两点距离均匀的链表。

轨迹的延伸

为了保证空间曲面边缘的镀膜的均匀性，轨迹路线相对于空间曲面需要有一个延长量。如图7所示，假设用平面截三角形获得二条空间的轨迹路线ab和cd，如果直线从a过渡到c或者从b过渡到d，这都会导致边缘镀膜过厚，所以通过延长cd和ab曲线，在从延长点e到h或f到g，这对边缘的影响较小，延伸的方法可采用按切线方向进行延伸，如图8所示。假设A、B点为链表中的最边缘处所截得的两个点，以A、B点的坐标建立直线方程，根据所要求的外延量求出点C，即当溅射靶移动到C点处时，不会对曲面产生镀膜，在C与A之间等进行直线差补，得到距离均匀的点的集合。

按照理论要求，外延的直线应该是曲线在点A处的切线方向，并不是直线AB，在此我们根据实际工程做了近似。由数学定理可知，由AB确定的直线在曲线AB上必有一点，该点的切线与AB确定直线是平行的。由于AB之间距离很小，AB的曲率变化很小，所以在AB上任选一点做切线，与在点A处求得切线是近似平行的。如图8所示。

拟合曲线

用多个平面切割曲面后，得到的是一条条链表，而溅射靶行走轨迹路线应该是一条完整的曲线，所以必须把各条的链表合成一个，如图9所示。两链表相连中，例如在链表1与链表2的表各相连中，由于1到2的距离可能超过真空电机的运动极限而导致电机抱死，产生中途停车的现象，所以在链表1与2相连过程中，有必要在两链表相连的两结点间插入适当的点，以使得两点之间的距离在真空电机的运动极限范围之内。补入的点可以以两个链表头的坐标建立直线方程，按照一定的距离，进行等距的差分。

由于上述方法得到各个点的数据是在直角坐标系下的值，通过反解公式，把坐标数据转化为机器人各个电机的运动数据。下载数据到pmac卡中，由pmac控制电机实际的运动。

基于上述方法，控制溅射靶按照获得的三维轨迹行走，通过实验表明可以对多种复杂的基片进行镀膜，并取得了良好的镀膜效果。

Claims

1.磁控溅射喷涂机器人示教轨迹控制方法，其特征在于，通过计算机将获得的示教轨迹反解成机器人各轴运动的数据，将该数据传输给工控机，并通过工控机控制机器人的运行，使得被机器人抓着的溅射靶按照示教轨迹行走，

所述示教轨迹为曲面三维轨迹，其通过如下方法获得：1)读取用三角形数据表示的曲面文件；2)用一个或多个平面切割曲面3)将平面与三角形两边的交点按照顺序排列，即得到曲面三维轨迹，

其中步骤2)和3)用某一平面S切割曲面，将与平面S相交的三角形数据建立单链表，每个三角形数据用链表中的每一个结点表示，设链表指针为S_n，n＝1，2，3，...，Max，设S_n所指向的结点中平面与三角形的交点为A_n和B_n，取任一结点中的两个交点，假设为A_i和B_i，以A_i为头结点，B_i作为尾结点，建立新的链表，用A_i的值遍历链表，找到具有相同交点的结点，假定为S_j，则下一个点为B_j，以此类推，从而得到以A_i作为头结点的链表，同样可以得到以B_i为尾结点的链表，将这两个链表连接成一个链表，即得到平面S切割形成的连续排列的曲面三维轨迹；

并且，将相邻两平面a、b切割得到的顺序排列的链表的首结点或尾结点相连，将平面b以及与平面b相邻的另一平面c的尾结点或首结点相连，依次类推，将多个平面切割得到的轨迹拟合成一个；

并且，用距离均匀的点来表示获得的三维轨迹，其方法是：假定需要将三维轨迹用固定距离为S的点表示，假定用A1，A2，....，An来表示三维轨迹中的各点，当A1与A2之间的距离小于S时，舍弃A2点，再将A1与A3之间的距离与S比较；当A1与A2两点间的距离大于S时，则在A1与A2之间插入点B1，A1与B1之间的距离为S，再将B1与A2之间的距离与S比较，以此类推；

并且，将轨迹末端沿着轨迹切线方向延长。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，工控机接收到由计算机传输的数据后将该数据反馈给计算机，计算机将该数据进行复核。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，计算机每次传输的数据包括数据起始标记、传输数据长度、事件编号、结束标记。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，工控机接收到数据后，对数据的有效性进行校验，包括验证数据起始标记是否正确、结束标记是否正确、数据长度是否正确以及事件编号是否正确，若判断全部正确，则执行该数据，若其中任一环节错误，则清除该数据，并重新接收数据。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述每次传输的数据的总长度限制小于等于256个字节。