CN103268073A - 一种基于虚拟现实技术的双工件台半物理仿真系统 - Google Patents

一种基于虚拟现实技术的双工件台半物理仿真系统 Download PDF

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刘杨
吴勇超
陈兴林
王公峰
杨将
毕延帅
史新妍
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Abstract

一种基于虚拟现实技术的双工件台半物理仿真系统，涉及一种双工件台半物理仿真系统。是为了适应对双工件台半物理仿真的需求。它包括上位机、基于VME总线工控机和三维仿真模型三个部分，上位机与工控机之间通过以太网进行数据和指令的传输，与三维仿真模块通过动态链接库进行数据和指令的交互。VME工控机内插有运动控制卡，所述运动控制卡嵌入有指令解算模型、控制模型、电机模型和工件台数学模型以实现对控制指令的解算、控制算法、电机以及工件台模型的建立和整定后控制量的输出。本发明适用于双工件台半物理仿真。

Description

一种基于虚拟现实技术的双工件台半物理仿真系统
技术领域
本发明涉及一种双工件台半物理仿真系统。
背景技术
在光刻机的制造过程中，双工件台的研制起着举足轻重的作用。目前，在工件台运动控制系统研制过程中，工控机直接与实际台体相连，人机交互界面发送指令或者参数直接到工控机，工控机通过指令解耦、控制算法整定后输出控制量送给电机驱动台体运动，但是在调试过程中可能会由于人机交互端指令输入不正确或者是控制算法整定错误等意外因素造成撞台等严重后果，造成不可估量的损失。
虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作和交互的一种全新控制方式，与传统的人机界面相比，更直观逼真更能让用户全身心投入到三维虚拟环境中。
发明内容
本发明是为了适应对双工件台半物理仿真的需求，从而提供一种基于虚拟现实技术的双工件台半物理仿真系统。
一种基于虚拟现实技术的双工件台半物理仿真系统，它包括上位机和VME工控机；上位机和VME工控机均接入以太网；
上位机中嵌入上位机操作系统和三维仿真模型；所述上位机操作系统与三维仿真模型通过动态链接库进行数据交互；
上位机操作系统还用于给定位置指令；
三维仿真模型用于模拟双工件台的实时运行状态并显示，它是六自由度双工件台模型，台体中央设置有一个公转电机，该公转电机分别通过两个抓卡装置与两个工件台挂接，以公转电机的中心为原点，以水平方向为X轴，以竖直方向为Y轴建立直角坐标系；沿Y轴将台体分为测量区和曝光区；测量区和曝光区均包括一个宏动台和一个微动台，所述宏动台包括两个Y向导轨和一个X向导轨；每个Y向导轨上设置有一个Y向电机；X向导轨上设置有一个X向电机和一个线缆台；
VME工控机内插有运动控制卡，所述运动控制卡嵌入有指令解算模型、控制模型、电机模型和工件台数学模型；
所述指令解算模型用于对输入的指令进行解算，并将解算后的指令发送给控制模块；
控制模型用于对解算模型发出的指令进行整定，生成电机控制量和工件台控制量，并分别发送给电机模型和工件台数学模型；
电机模型用于根据电机控制量驱动实际台体中的电机工作；
工件台数学模型用于根据工作台控制量驱动实际台体中的工作台运动。
上位机操作系统内嵌有人机交互界面。
VME工控机内插的运动控制卡为多个，解算模型、控制模型、电机模型和工件台数学模型分别嵌入在不同的运动控制卡中。
在于三维仿真模型还用于以对话框形式发出提示，提示开发者超量程或者撞台。
本发明根据实际工件台的工作原理、过程和组成部件，以虚拟环境中创建的三维仿真模型代替实际台体在运动控制指令下运动，是一种的基于虚拟现实技术的半物理仿真系统。它以虚拟三维仿真模型代替具体的工件台运动，直观逼真的将工件台的具体运动过程在计算机上显现出来，避免了在调试过程中可能遇到的撞台跑飞等意外状况的发生，大大提高了工件台的可靠性，减少了开发成本，缩短了开发周期。本发明充分适应了对双工件台半物理仿真的需求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是虚拟仿真模块与实际工件台的控制原理对比示意图；其中：标记21为本发明的虚拟半物理仿真系统；标记22为实际台体；
图3是三维仿真模型的结构示意图；其中：标记A为测量区；标记B为曝光区；标记31为测量区的一号Y向电机；标记32为测量区X向电机；标记33为测量区线缆台；标记34为一号工作台；标记35为换片单元；标记36为测量区的二号Y向电机；标记37为测量区的换台区；标记38为曝光区的换台区；标记39为曝光单元；标记40为曝光区的X向电机；标记41为曝光区的一号Y向电机；标记42为曝光区的二号Y向电机；标记43为曝光区的线缆台；标记44为二号工作台；
图4是本发明的仿真控制原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至4说明本具体实施方式，一种基于虚拟现实技术的双工件台半物理仿真系统，本发明主要包括三个部分：上位机，基于VME总线工控机和虚拟仿真模块。
所述的基于VME总线工控机内插有多块运动控制卡，主要实现控制指令的解算、控制算法的实现、电机以及工件台模型的建立和整定后控制量的输出等功能，其与上述的上位机通过网络实现数据通信；
所述的三维仿真模型是根据实际的工件台设计的六自由度双工件台模型，包括测量区和曝光区两个区域，每个区域都由一个宏动台和一个微动台组成，宏动台包括两个Y向导轨和一个X向导轨组成；台体中央有一个公转电机可通过抓卡装置与两个硅片台挂接，每个X向导轨上安装线缆台以免发生线管缠绕。其与上位机在同一台计算机上实现，通过动态链接库与上位机实现数据交互；
由于使用SolidWorks绘制的完整的双工件台模型较为复杂，为保证较高的实时性，对不能直接被观察到的零件模型进行了简化以减少渲染所需的运算，简化后转换为inventor文件格式导入到Open Inventor中，可直观显现现实双工件台上片、移动到曝光区、换台、下片等工作过程，并根据实际突发状况发出报警；
所述的上位机即为友好的人机交互界面，可向工控机发送控制指令和接收来自工控机的最终控制量，也可与三维仿真模块进行数据交互并可实时显示实际控制输出；
所述的工控机为基于VME总线的工业控制计算机，内插有多个运动控制板卡，与上位机通过网络通信；
整个半物理仿真系统可以更直观更逼真的模拟双工件台运动过程：
实际的工件台包括测量区、换台区和曝光区三部分：测量区负责上片、调平调焦、校准等前期准备工作，换台区负责两个硅片台的换向，曝光区负责硅片曝光和下片。测量区和曝光区是由宏动台和微动台构成，宏动台包括两个Y导轨和一个X向导轨，由直线电机驱动实现工件台的长行程大范围运动；而工件台最重要的六自由度高精度运动则依靠微动台实现，其工作原理是依靠其中三个音圈电机相互组合实现微动台的X、Y、Rz三个自由度运动，另外的三个音圈电机相互组合实现工件台Rx、Ry、Z三个自由度运动，因此控制指令给定以后要进行解耦解算，换算成为每个电机的实际控制量，驱动工件台实现高精度运动。换台区中央安装有公转电机，当完成曝光后实现两个硅片台的换台从而进行下一次的曝光。而一种基于虚拟现实技术的双工件台半物理仿真系统基于上述双工件台及电机工作原理和组成结构设计虚拟环境中的三维仿真模块代替上述的实际电机以及双工件台，工作过程与上述实际台体完全相同。
双工件台现实与虚拟的对比控制框图如图一所示，实际控制过程为：上位机给定每个自由度的期望控制值后，在运动控制卡中对期望控制值解耦换算成为每个电机驱动工件台运动的期望位移量，对期望位移量进行相应控制算法(PID算法等其他先进控制算法)整定后输出期望控制量，经过数模转换和功率放大器，最后变为电机的输入电流经进一步转化为力矩驱动电机运转，从而实现双工件台完成一系列操作。
而在本发明公开的虚拟环境半物理仿真中，在运动控制卡中除完成指令解耦、控制算法整定以外，为保证最大可能模拟实际台体的工作过程，需要根据宏动台和微动台的不同分别建立不同的模型，根据电机类型的不同分别建立不同的模型，经过控制算法整定后输出的控制量传给已经建立好的电机以及工件台模型，最后输出位移量通过网络通信传递给上位机，上位机通过动态链接库将位移量传给三维仿真模型。
具体实施方式二、本具体实施方式结合具体的参数说明本发明；控制过程如图4所示：
上位机给定位置指令，例如，X：1mm Y：15mm Z：0mmRx：5mrad Ry：6mrad Rz：0mrad，通过网络通信发送到工控机，工控机的运动控制卡对控制指令解耦换算成为每个电机的期望运动位移，然后经过控制算法的整定和电机模型以及工件台模型的建立，得出实际运动控制量，通过网络发送给上位机，上位机将实际的位移量通过动态链接库传给三维仿真模型，这样工件台的运动过程就可以直观的呈现在研究人员面前。
本发明以虚拟三维仿真模型代替具体的工件台运动，直观逼真的将工件台的具体运动过程在计算机上显现出来，避免了在调试过程中可能遇到的撞台跑飞等意外状况的发生，大大提高了工件台的可靠性，减少了开发成本，缩短了开发周期。

Claims (4)

1.一种基于虚拟现实技术的双工件台半物理仿真系统，其特征是：它包括上位机和VME工控机；上位机和VME工控机均接入以太网；
上位机中嵌入上位机操作系统和三维仿真模型；所述上位机操作系统与三维仿真模型通过动态链接库进行数据交互；
上位机操作系统还用于给定位置指令；
三维仿真模型用于模拟双工件台的实时运行状态并显示，它是六自由度双工件台模型，台体中央设置有一个公转电机，该公转电机分别通过两个抓卡装置与两个工件台挂接，以公转电机的中心为原点，以水平方向为X轴，以竖直方向为Y轴建立直角坐标系；沿Y轴将台体分为测量区和曝光区；测量区和曝光区均包括一个宏动台和一个微动台，所述宏动台包括两个Y向导轨和一个X向导轨；每个Y向导轨上设置有一个Y向电机；X向导轨上设置有一个X向电机和一个线缆台；
VME工控机内插有运动控制卡，所述运动控制卡嵌入有指令解算模型、控制模型、电机模型和工件台数学模型；
所述指令解算模型用于对输入的指令进行解算，并将解算后的指令发送给控制模块；
控制模型用于对解算模型发出的指令进行整定，生成电机控制量和工件台控制量，并分别发送给电机模型和工件台数学模型；
电机模型用于根据电机控制量驱动实际台体中的电机工作；
工件台数学模型用于根据工作台控制量驱动实际台体中的工作台运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的双工件台半物理仿真系统，其特征在于上位机操作系统内嵌有人机交互界面。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的双工件台半物理仿真系统，其特征在于VME工控机内插的运动控制卡为多个，解算模型、控制模型、电机模型和工件台数学模型分别嵌入在不同的运动控制卡中。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的双工件台半物理仿真系统，其特征在于三维仿真模型还用于以对话框形式发出提示。
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