（机械制造及其自动化专业论文）面向芯片封装的高速精密定位平台控制系统设计.pdf

摘要 本文以开发面向i c 封装的高速、高精度定位系统为目标，以两自由度笛卡 尔坐标型高速、高精度定位平台为对象，研究了提高其速度与精度的控制策略 和方法，并建造出x y 精密定位平台样机一台。取得如下成果： 口采用直线音圈电机直接驱动的两自由度笛卡尔坐标型高速、高精度定位平 台，并采用新型弹性解耦机构，从而将驱动部件置于底座上，减轻了运动部 件的重量，降低了惯量，同时具有传统x y 精密定位平台运动学解耦的特点 口将x 轴向和y 轴向定位平台等效为集中质量系统，分别建立了x 轴向和y 轴向定位机构的动力学模型，并建立了直线音圈电机的动态方程。最终，结 合系统特点，建立了系统的机电耦合模型。 口在系统机电耦合模型基础上，应用最小节拍响应控制策略进行控制，该方法 以最小的超调量快速达到稳态响应的允许波动范围，并能持续保持在该波动 范围内的时间响应为前提，对控制参数进行优化调整，最终得到理想的控制 结果。理论分析和实验证明，能够满足封装设备的精度、速度需求。 口针对上述理论分析，采用激光干涉仪对平台进行实验分析，最终得出运动平 台系统的性能指标。 口基于上述研究成果，建造出基于直线音圈电机直接驱动采用新型弹性解耦机 构的x y 精密定位平台样机一台。样机具有很高的运动速度和极高的运动加 速度和定位精度，单轴机构稳定时间很短。目前，该样机已经通过国家高技 术研究发展计划( 8 6 3 计划) 专家组的验收。 以上工作对于推动高速高精密芯片封装设备控制方法研究，拓展其工程应 用具有重要的意义。 关键词：定位平台，封装，动力学建模，最小节拍响应，直线音圈电机 a b s t r a c t a i m e da tat w od o fh i g hs p e e da n dh i g hp r e c i s i o np o s i t i o n i n gt a b l ef o ri c p a c k a g i n g ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e a l sw i t ht h ec o n t r o ls t r a t e g i e st oe i l l l a n c ei t ss p e e da n d p r e c i s ea l ep r e s e n t e d a sar e s u l t , ap r o t o t y p em a c h i n eo fx y t a b l eh a sb e e n d e v e l o p e d t h ef o l l o w i n g c r e a t i v ew o r k sh a v eb e e nc o m p l e t e d 口av o i c ec o i la c t u a t o rd i r e c t - d r i v eh i g hs p e e da n dh i g hp r e c i s i o nx yt a b l e p a t e n t e dh a sb e e nd e v e l o p e d an e w f l e x i b l ed e c o u p l i n gm e c h a n i s mi sp r o p o s e d t ou i nt h et a b l e s ot h ed r i v i n ge l e m e n tc a l lb em o u n t e do nt h eb a s ea n dt h e m o v i n gi n e r t i ah a sb e e nr e d u c e d m e a n w h i l e ，t h et a b l ei so fc o n v e n t i o n a lx y p r e c i s i o nt a b l ek i n e m a t i c sd e c o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c 口c o n s i d e r i n gt h ep r e c i s i o np o s i t i o n i n gt a b l e 弱l u m p e dm a s ss p r i n gs y s t e m ，t h e d y n 锄i cm o d e lo fxa x i a l t a b l ea n dya x i a l t a b l eh a sb e e nd e v e l o p e d r e s p e c t i v e l y t h ea n a l y t i c s o l u t i o no fd i s p l a c e m e n t s t e pr e s p o n s e s a n d d i s p l a c e m e n ti m p u l s er e s p o n s e so f t h ex a x i a lt a b l ea n dya x i a lt a b l eh a v e b e e n g i v e nb yu s eo fl a p l a c et r a n s f o r mm e t h o d t h ed y n a m i cm o d e lo ft h el i n e a l v o i c ec o i la c t u a t o ri sf o r m u l a t e d t o o 1 1 1 ea b o v eo u t c o m e st h ee l e c t r om e c h a n i c a l c o u p l i n gc o n t r o ls y s t e mo f t h ep o s i t i o n i n g t a b l e 口b a s e do nt h ee l e c t r om e c h a n i c a lc o u p l i n gc o n t r o ls y s t e mo f t h ep o s i t i o n i n gt a b l e ， t h em i n i m u md e a d b e a tr e s p o n s ec o n t r o l l i n ga l g o r i t h mi si n t r o d u c e dt ot h ec o n t r o l s y s t e mt or e d u c et h em e c h a n i c a lr e s o n a n c ea th i 【g ha c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o n r a t e s f r o mt h er e s u l to ft h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t , t h ep o s i t i o n i n gs y s t e m u s e dt h ea b o v ec o n t r o la l g o r i t h mh a saf a v o r a b l ed y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c a n dr o b u s t 口t h el a s e rc a l i b r a t i o ns y s t e mi sp u tu pt of i n i s ht h ee x p e r i m e n tt og e tt h ec a p a b i l i t y p a r a m e t e ro f t h e t a b l e 口t h ea b o v eo u t c o m e sh a v eb e e nu s e df o rt h ed e v e l o p m e n to fap r o t o t y p em a c h i n e o fx yt a b l e t h ex yt a b l ew i t hh i g hp o s i t i o n i n ga c c u r a c ya n dh i g l ld y n a m i c p e r f o r m a n c ea l s oc a nr e a c hv e r yh i g hs p e e da n da c c e l e r a t i o n t h ep r o t o t y p e m a c h i n eh a sb e e nc h e c k e da n da c c e p t e db yt h ee x p e r tc o m m i r e eo f t h en a t i o n a l h i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o g r a mo f c h i n a ( 8 6 3p r o g r a m ) t h ew o r ka c c o m p l i s h e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni sv e r ym e a n i n g f u lf o rp r o m o t i n gt h e c o n t r o ls t r a t e g yr e s e a r c ho nh i g hs p e e da n dh i 曲p r e c i s i o ni cp a c k a g i n gm a c h i n ea n d e x p a n d i n gi t sa p p l i c a t i o ni na u t o m a t i ci n d u s t r i e s k e y w o r d s ：p o s i t i o n i n gt a b l e ，p a c k a g i n g ，d y n a m i cm o d e l i n g ，m i n i m u md e a d b e a t r e s p o n s e , l i n e a rv o i c ec o i la c t u a t o r i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：缸f ，磅 签字日期：，卯，年j 月) 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：求f # 跨 导师签名：刀右z 签字日期：埘年1 月石日签字日期：泖年二月z 厂日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究意义和来源 芯片( i c 叱t e 鲥i t e dc i r c u i t ) 产业是信息产业的核心，芯片是所有整机 设备的心脏。随着技术的发展，系统芯片本身已成为一部高技术的整机，它几 乎存在于所有工业部门，甚至决定一个国家的装备水平和竞争实力。美国半导 体咨询委员会在给布什总统的国情咨文中称其为“生死攸关的工业”，韩国称其为 “工业粮食”。正因为如此，芯片产业成为当今世界发展最为迅速和竞争最为激 烈的产业。国家信息产业“十五”计划纲要也明确提出，软件、集成电路、新 型元器件是电子信息产品制造业竞争力的核心。纲要还指出：美国、日本在 电子信息产品制造业的霸主地位是由于他们掌握并垄断着核心软件、集成电路 和关键元器件设计与生产。加强核心软件、集成电路和关键元器件设计与生产 是“十五”我国信息产业发展的重中之重。目前，随着我国“中国芯”产业化进程 的加快，我国i c 产业正面临着难得的发展机遇和挑战。主要表现在：一方面， 我国芯片需求越来越大，商务部统计，预计到2 0 1 0 年，中国芯片的需求量将达 到7 0 0 亿块。另一方面，我国芯片制造的核心技术、关键设备、i p 核、关键原 材料等长期依靠进口，由于西方国家的出口限制，我国在芯片技术、设备上受 制于人的局面尚未扭转。国内芯片设计公司规模偏小、技术落后，缺乏自主知 识产权。因此，中国作为设计、生产芯片的弱国和消费芯片的强国这一矛盾将 日趋激化，新的芯片扶持政策成了摆在政府面前的重大命题。一个完整的芯片 产业链应该包括芯片设计业、芯片制造业、封装测试业、支撑业和金融及相关 的服务行业。而国内的封装技术明显落后于芯片的研究，封装关键设备依赖国 外进口的局面尚未改变，作为芯片产业的重要环节芯片封装制约着产业主 题的良性发展1 1 4 。 封装是指安装半导体继承电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密 封、保护芯片的作用，而且是沟通芯片内部与外部电路的桥梁1 3 1 1 5 - 8 1 。所谓i c 封 装加工是将芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印 制板上的导线与其他器件连接。因此，封装对集成电路起着重要的作用1 9 1 1 0 1 。现 在正在生产线中广泛使用的封装设备为引线键合机( w i r e b o n d i n g ) ( 图1 1 ) ， 第一章绪论 图1 1 金丝球焊及芯片封装图 图1 - 3 球形焊接形式 图1 2 焊接循环图 图l - 4 楔形焊接形式 通过引线，把集成电路管芯上的压焊点与外壳或引线框架上的外引线引出端通 过键合连接起来。一个金属丝连接包括两个焊点和一个焊环( 图1 - 2 ) 。根据焊 点的不同形状，有球焊( b a l lb o n d i n g ) ( 图1 3 ) 和楔焊( w e d g eb o n d i n g ) ( 图 1 - 4 ) 。芯片上电极的焊接常用球焊法，而外引线部位则用楔形热压焊【1 1 。1 7 1 。 近年来，随着微电子技术、计算机技术和通信技术迅速发展，电子产品正 迅速朝着便携式、小型化方向发展，i c 芯片的集成度不断提高【2 】【8 洲，对i c 封 装也提出了更高的要求：单位体积信息的提高( 高密度化) ；单位时间处理速度 的提高( 高速化) 。因此i c 封装技术也向着高集成化、高性能化、多引线和细 间距化发展，高速、高精度的需求日益紧迫【2 ”8 1 。为进一步提高质量和生产效 率，对该类设备的运动精度和运动速度、加速度等性能提出了更高的要求，也 体现了该类作业设备向高速、高精度方向发展的趋势1 1 1 1 2 9 1 。这就要求集成电路的 封装技术不断发展和改良，需要发展新的封装机械和设备来促进封装技术的发 展d 0 - 3 5 。 第一章绪论 现有的引线键合机，多采用串联型的直线定位工作台( 电机丝杠螺母) 机 构形式，存在着运动间隙、惯量大等不足，限制了精度、速度和加速度的进一 步提高。芯片焊接加工的高速、高加速度特点使平台在高速、高频起停运动过 程中不可避免的产生振荡，影响定位精度。 因此，发展具有我国自主知识产权的封装制造设备核心技术，开展基于新 的驱动方式、控制方法的新型高速、高精度定位系统的关键技术研究，是i c 制 造装备中的重要研究内容之一，对促进i c 制造技术的发展进而加快我国的i c 产业化进程具有重要的意义，是加快我国i c 产业国际竞争力的前提保证。 本研究课题得到国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) ( 2 0 0 3 a a 4 0 4 0 6 0 ) 基 金资助。 1 2 国内外研究状况 现有典型的封装设备如引线键合机实质上都是由三自由度的往复运动机构 和辅助部件构成【3 6 1 ，其中主要的定位机构多为两自由度x y 定位平台 3 7 1 。由于 高速和高精度的要求是相互矛盾的，为解决此矛盾，国内外的研究工作者主要 集中在新的驱动形式、运动机构形式、系统的动态设计方法以及动力学建模和 有效的控制方法等方面开展研究。这也正是芯片封装设备中的关键基础设备。 结合本论文的运动控制研究方向，下面将主要对动力学建模与有效的控制方法 国内外研究状况进行叙述。 1 2 1 动力学建模 动力学建模是进行精密定位平台动态特性分析和进行有效的控制器设计的 基础。几乎所有可以利用的力学原理，如牛顿一欧拉法、拉格朗日法、虚功原 理法等，以及参数辨识法都可以应用来建立精密定位平台动力学模型。在精密 定位平台动力学建模中比较常采用的方法是牛顿一欧拉法【3 8 1 1 3 1 1 ，牛顿一欧拉 法的特点是物理意义明确。 y u n g t i e nl i u a 2 】【4 3 】等运用牛顿一欧拉法建立了由安装在弹簧上的压电激励 器的冲击力驱动的新型精密定位平台的动力学模型，对其动态特性进行了相关 的研究，通过将数字仿真结果与试验结果进行对比分析认为，其分析方法可以 作为此类结构形式的精密定位平台的有效设计方法。s h i g e r uf u t a m i l 4 4 1 等则利用 第一章绪论 动力学行为的计算机仿真与牛顿一欧拉法对系统建模相结合的方法，研究交流 直线电机驱动采用滚珠导轨的精密定位平台的微动力学，并根据其微动力学特 性，分别在平台粗定位和精定位时实施有效地控制。m j o u 锄e h 【4 5 j 等利用参数辨 识法，建立了x y 平台的动力学模型。利用频率响应试验数据所描述的动力学特 性来建立数学模型，并在此基础上设计了带有p i d 闭环控制器和切比雪夫低通滤 波器的控制器，所设计的闭环控制系统的稳定时间是开环系统的三分之一。 1 2 2 运动控制 i c 技术的迅速发展( 如在上个世纪九十年代初最好的封装设备定位系统的 用户可编程分辨率为0 4 “m ，至t j l 9 9 6 年已发展n o 1 9 m ) ，不仅使得封装的极限 尺寸越来越小，封装密度越来越高，相应的速度和加速度要求也越来越耐蜘。 具体至i j l c 封装设备中的精密定位平台，则对更好的位置控制的需求也越来越迫 切。 直线电机直接驱动x y 定位平台在高加速度运动时需要承受巨大振动，为解 决此问题，z z l i u 4 7 1 等利用基于定量反馈理论( q f t ) 的跟踪控制策略。其内环 是速度控制器，外环是位置控制器，另有一自动调节的反馈补偿器，并专门设 计了高阶速度控制器来抑制共振。基于上述控制策略的x y 定位平台最大加速度 可达到6 8 9 。s e n d o t 4 8 】等人针对高速跟踪问题中，由于闭环动态补偿、机械反 馈控制器补偿和扰动的非线性性，对反馈控制器和鲁棒反馈控制器相结合的控 制器的要求，提出将扰动观测器和p d 补偿用作鲁棒反馈控制器，将零阶误差跟 踪控制器用作反馈控制器。并用于x y 平台，试验证明该控制方法具有很好的跟 踪特性和鲁棒性。m h s m i t h 4 l 】等则研究采用包含p i d 控制器和超前补偿器的自 适应控制器，对精密机械机构进行控制，达到了预期的速度和精度。b i n i o 【4 9 】 等基于间断映射法构造了a r c 控制器，对直线电机驱动的精密机构实施高性能 适应性鲁棒运动控制策略，该方法可以有效地克服直线电机本身的一些不足， 如对扰动和参数变化的较敏感等。ev a nd e nb r a e m b u s s c h e 5 0 l 等设计了鲁棒控制 器和离散时变滑模控制器来控制直线电机驱动的精密定位机构，试验表明该控 制器有效的提高了点到点运动的位置跟踪精度。精密系统中，为抑制振动，h w p a r k 5 1 l 等对音圈电机实旌鲁捧控制策略，为保证在高阶模态振动时控制系统 的鲁棒性，研究了采用模糊逻辑控制器用于位置和振动控制。试验结果表明， 模糊逻辑和鲁棒控制器相结合的混合控制策略实现了有效定位和振动抑制性 第一章绪论 能。h i r o s h it a k a h a s h i l 5 2 等为降低跟踪控制中的轮廓误差，研究采用扰动观测器 来匹配x y 定位平台中x 轴向和y 轴向的动态特性，与简单的p d 控制器相结合提 高了轮廓跟踪性能。j i a nw a n g 5 3 1 等设计了解耦离散时变滑模跟踪控制器对直线 电机直接驱动的x y 平台进行控制，并添加了反馈控制器以获得高带宽的跟踪性 能，尽管x y 平台运行中存在摩擦，而通过这样的控制设计不必加入摩擦补偿。 总的来说，虽然在精密定位平台控制中，各种智能控制方法已有人作了相 关的研究，有一些经验可借鉴，但在实际中尚有些问题没有很好地解决，应用 上受到限制。相对来说，p i d 控制器简单、易行且便于实施，目前仍是工业中广 泛应用的有效控制方法，但其实时性和参数调节烦琐。因此针对实际情况，寻 找合适的控制策略，是研究x y 定位平台机电耦合控制系统控制方法的关键。而 以p i d 控制策略为基础，加以扩展和开发的相关控制方法，就具有了相对较高的 现实研究意义。 1 3 本文主要研究内容 本文密切结合国家高新技术研究发展计划基金资助项目面向m e m s 加 工的精密定位技术的研究，以x y 定位平台为研究对象，机械动力学和现代控制 理论为工具，探讨和研究提高两自由度定位平台运动速度与精度的控制方法， 并通过试验进行验证。全文编排如下： 第一章阐述课题的研究背景和意义，综述国内外相关领域研究概况，并提 出主要研究内容。 第二章运动平台的总体设计。提出了基于直线音圈电机直接驱动，采用新 型弹性解耦机构的两自由度高速、高精度定位运动平台，并以p a r k e r 公司的 a c r l 5 0 5 控制卡为中心组成系统的控制部分。 第三章运动平台数学建模。建立x y 定位平台的动力学模型、音圈电机的 数学模型，以及整个运动控制伺服系统机电耦合数学模型。 第四章定位平台运动控制。结合伺服系统机电耦合数学模型，建立机电系 统传递函数，采用最小节拍响应控制策略对系统进行控制，并进行仿真分析。 第五章平台性能实验。通过定位精度和动态特性试验考察所研n x y 精密 定位平台样机精度和动态特性，通过性能试验研究研制样机的性能指标，并与 设计指标进行对比分析。 第一章绪论 第六章给出全文结论和今后工作展望。 除本章及最后一章外，全文其他章节均以引言开始，简要介绍各章研究内 容和目标，并以小结结束，简要归纳各章所得结论。 第二章定位平台总体设计 2 1 引言 第二章定位平台总体设计 i c 封装设备需要满足高速、高精度运动定位系统性能要求，所以应具有高 刚度的机械结构，简洁的驱动模式以及高性能的驱动电机和适当的控制策略。 基于此，本文提出设计一种基于高性能直线音圈电机直接驱动，采用新型弹性 解耦机构的两自由度定位平台。在此基础上，应用p a r k e r 公司的a c r l 5 0 5 控制卡搭建控制系统，应用合理的控制策略，最终达到高速、高精度的定位要 求。 2 2 总体结构设计 根据i c 封装加工的特点，对x y 精密定位平台的技术要求主要为： ( 1 ) 在高速频繁启停状态下，平台在作业空间内精确达到预定位置，满足 封装形式和封装质量的要求 ( 2 ) 在满足给定末端预定精度的条件下，尽量提高其速度和加速度，缩短 机械建立时间，有效地减少操作时间，满足提高生产率的要求， 随着i c 封装技术的发展，为提高i c 制造质量和生产效率，对该类装备的 性能提出了更高的要求：如重复定位精度小于5 1 u n 、加速度大于5 0 m s 2 、封装 速度1 5 2 5 次s 等。根据上述要求，结合课题所依托项目的具体要求，对所设计 的x y 定位平台提出如下的技术指标： 运动范围：5 0 m m x 5 0 m m 重复定位精度：2 1 t m 最大运动速度：0 5 m s 最大运动加速度： 5 0n l s 2 最大负重质量：l k g 单轴稳定时间：4 0 m s 图2 一l 所示为设计的x y 定位平台方案图。该x y 定位平台主要由基座、直 线音圈电机、x 轴向定位平台、y 轴向定位平台、导向滑板、弹性解耦机构、直 第二章定位平台总体设计 1 y 轴向驱动直线音圈电机，2 后导轮板，3 预紧连杆，4 导向滑板， 5 后导轮轴，6 前导轮轴，7 前导轮板，8 x 轴向驱动直线音圈电机， 9 y 轴向直线光栅尺，1 0 y 轴向交叉滚子导轨，1 1 x 轴向交叉滚子导轨， 1 2 x 轴向直线光栅尺，1 3 y 轴向定位平台，1 4 x 轴向定位平台， 1 5 滑块导轨，1 6 弹性铰链，1 7 预紧弹簧。1 8 基座 图2 1 音圈电机直接驱动x y 定位平台三维造型图 线光栅尺等构成，x 轴向驱动直线音圈电机和y 轴向驱动直线音圈电机均固定 安装在基座上；x 轴向定位平台通过推力板与x 轴向驱动直线音圈电机固接，y 轴向定位平台安装在x 轴向定位平台上部，并通过弹性解耦机构与y 轴向驱动 直线音圈电机连接。y 轴向定位平台也可以随同x 轴向定位平台在x 轴向上 运动。基座上安装的直线光栅用作x 轴向定位平台的末端位置反馈元件，x 轴 向定位平台上安装的直线光栅用作y 轴向定位平台的末端位置反馈元件，从而 较好地保证了系统的高速高精度。 上述x y 平台中具体的弹性解耦机构为：y 轴向驱动直线音圈电机与导向 滑板固接，导向滑板安装在基座上并可沿滑块导轨在y 轴向上运动；预紧连杆 一端安装在导向滑板上，另一端与预紧弹簧一端相连，预紧弹簧的另一端与导 第二章定付平台总体设计 向滑板固连；前、后滚针轴承均安装在导向滑板上并分别与前导轮板和后导轮 板滚动接触。y 轴向直线音圈电机可通过该弹性解耦机构驱动y 轴向定位平台 在y 轴向上的运动。当x 轴向定位平台带动y 轴向定位平台在x 轴向上运动 时，前、后滚针轴承分别沿着前导轮板和后导轮板滚动，从而实现y 轴向和x 轴 向上的运动解耦。 为消除传统电机一丝杠式x y 定位平台中传动环节存在的间隙等不足，这 里设计的x y 平台，采用高性能直线音圈电机直接驱动，省去了传动环节。在 y 轴向驱动直线音圈电机和y 轴向定位平台之间采用新型无间隙弹性解耦机 构，从而将驱动部件置于底座上，降低了机构的运动惯量，改善了系统的动态 特性，使定位平台实现高速、高精度的运动成为可能，同时具有传统x y 定位 平台运动学解耦的特点。 2 2 1 弹性解耦机构设计 为实现x y 定位平台中x 轴向与y 轴向的运动解耦，同时避免在高速和 高加速运动条件下定位系统出现的残余振动，在y 轴向定位平台和y 轴向驱动 电机之间采用了新型弹性解耦机构( 见图2 - 2 ) 。 y ”j 一嚏九翔kx 向f i 线j 1 二礓r 图2 2x y 定位平台结构框图 电艇 第一二章定位平台总体设计 弹性解耦机构主要由导向滑板、导轮轴、滚针轴承、预紧连杆、预紧弹簧、 导轮板和弹性铰链组成。其中预紧弹簧和弹性铰链为两个重要的弹性环节。这 样设计不仅可以消除装配误差引起的变形干涉，而且可以消除高速、高加速运 动中产生的惯性动载荷引起的瞬时干涉现象。 所设置的弹性铰链的作用有两方面：一是，通过弹性铰链可以消除装配误 差引起的变形干涉；二是，由于高速、高加速运动机构在运动中会产生很大的 惯性动载荷，当两轴向定位平台同时运动时，不可避免地会出现瞬时干涉现象， 通过采用弹性铰链，则可以依靠弹性铰链的微小变形消除此类干涉现象。预紧 弹簧的设置可以消除装配间隙，这对于精密定位系统而言是非常重要的。 而弹簧刚度和预载的选择，对平台性能起决定性作用。弹簧有效力太大， 会产生不必要的动态力和过度磨损，且失去弹性环节的优势；弹簧有效力太小， 则在产生最大惯性力时刻滚针轴承和导轮板脱离，导致平台振荡。因此，如何 正确选择预紧弹簧的刚度和预紧力，对实现定位平台的高速、高精度运动的目 标至关重要。 2 2 2 音圈电机 音圈电机( v o i c ec o i la c t u a t o r ) 是一种特殊结构形式的新型直驱电机。由于音 圈电机无需传动机构，所以没有传动机械的磨损，并具有噪声低、机构简单、 体积小、维护方便等优点。其工作原理是洛伦兹力原理，即通电导体放在磁场 中，就会产生力f ，力的大小取决于磁场强度b ，电流l 以及磁场和电流的方向。 若有长度为的根导线放在磁场中，则作用在导线上的力可表示为式2 1 所示的 形式，式中七为常数。基于此原理制造的音圈电机具有高速、高精度、响应快、 无滞后、无限分辨率和线性控制等特性，是直接驱动的理想伺服装置。多应用 在高加速、高频激励以及需要平滑力一位移输出的直线或旋转运动中【纬5 6 1 。 根据音圈电机的工作原理，在确定的磁路内，直线音圈电机产生的力与通 过其线圈中的电流成比例。力与电流之比值称为音圈电机的力常数，k e ： f = k b l i n = k b l n = f i = k 。= f i t 2 1 ) 力常数是电流驱动音圈电机的一个重要参数，是综合反映电机性能的主要 参数，直接影响系统的运动速度和精度1 5 ”1 5 。 第二章定位平台总体设计 图2 3 所示是音圈电机的等效电路图。当给两端施加电压州，在回路内有 电流，。同时，电机产生漏感抗压降【庙。此漏感抗压降与移动线圈的速度成比例， 且与施加电压方向相反。系数为d 明： u 口= v k 口= 1 ，( 1 3 5 6 k f ) ( 2 2 ) 线圈电感工的感应压降沈为： 卟上鲁( 2 - 3 ) 并用，c 表示通过电阻r 的电压， 则根据基尔霍夫电压定律可以得出： u = 踢寸+ 玩( 2 - 4 ) 由峰值力功、平均连续力( f i n t s ) 、 直线速度( v ) 和总行程( d 归个参数 可以选择直线音圈电机。 2 3 定位平台控制系统 u l ( 吐d l d t ) 图2 - 3 音圈电机的等效电路图 u s f v k s ) 根据x y 精密定位平台的控制性能要求，采用基于计算机数字控制器的数控 系统( 见图2 4 ) 。 i f 静舰 a c r l 5 , 0 5 塑拧捌# l a a - 5 铡雾曲嚣i a l 3 0 0 型盘线矗隧也帆 r g i - 1 2 2 z 燃矗牲屯礴 图2 - 4 控制系统硬件配置图 该控制系统的主要组成部分如下： ( 1 ) 主控模块 第二章定位平台总体设计 由于实际采用的控制卡要求必须是a t x 电源和主板方能满足需要，且处理 器最少是p e n t i u m2 0 0m h z ，内存最低6 4m b ，这里采用联想p e n t i u mi v 计算机完 成闭环p i d 控制算法。 ( 2 ) 运动控制单元 采用美国p a r k e r 公司的a c r l 5 0 5 控制卡( 图2 5 ) ，该卡为4 轴伺服或步 进运动控制卡，1 2 0 m f l o p s ，3 2 位浮点d s p ，可通过标准的p c i 总线与p c 机连 接，编码器输入频率为3 0 m h zm a x ，i o 输入输出为4 8 个r r l ；可配标准的o p t o 2 2 光电隔离，可选二个串行口和一个并行口，可选8 个1 2 位或1 6 位模拟输入，且 可通过自身附带的连接卡与多个放大器连接，具有伺服更新、轨迹计算和插补 功能。 甓兹然y ”“。 ：；鬈：裟怒黑嬲；” 图2 - 5a c r l 5 0 5 控制卡 第一二章定侍平台总体设计 ( 3 ) 驱动器 为与直线音圈电机相配套使用，采用美国s m a c 公司的l a a 5 型放大 器( 如图2 6 ) 。其操作电源：2 4v d c 3a m p s 或4 8v d c 3a m p s ，输入控 制讯号：+ - 1 0v o l t s ，输出控制致动器电流：+ - 3a m p s ，操作温度：0 c 一 5 0 c ，调变频率：5 5 k h z 。 匹碉 s _ 口螗埔酬m e r 埘f i 、月* 椭一- t - t o v o b 辆p 嚏静 d i 啉, o - 3 r | p e 侧q 斌 图2 - 6 u 姨5 型放大器 ( 4 ) 执行元件 采用美国s m a c 公司的l a l 3 0 0 0 5 0 8 5 b 型直线音圈电机( 图2 7 ) 作为执行 元件。其特点是，响应快、速度高、加速度大、分辨率高、体积小，非常适合 该系统的需要。 图2 - 7l a l 3 0 0 型直线音圈电机 第二章定位平台总体设计 ( 5 ) 反馈单元 结合系统性能特点和实际的技术要求，采用r e n i s h a w 公司的r g h 2 2 z 型直线光栅作为位置反馈元件，其分辨率是0 5 9 m 。 2 4 样机开发 为保证质量，提高所研制开发系统的可靠性，在机构零部件选配上，尽量 选用成熟产品，关键零部件选用了进口件。直线音圈电机是选用美国s m a c 公 司的l a l 3 0 0 0 5 0 - 8 5 b 型直线音圈电机。其基本参数为：最大驱动力2 0 2 n ，最 大行程为5 0 m m ，力常数为8 6 ，移动质量为0 8 k g ，驱动电压为4 8 v 。x 轴向和y 轴 向音圈电机选择相同型号电机。导轨选用日本邢c 公司的直线运动导轨，分别 为v r 3 1 2 5 p x l 7 z 型交叉滚子导轨和r s h 9 k m 型滑块直线运动导轨。轴承是 选用德国i n a 公司的滚针轴承，前滚针轴承型号为n k - 9 1 2 t n ，后滚针轴承型 号为n k - 8 1 2 t n 。对重要部件，如x 轴向定位平台、y 轴向定位平台、导向滑 板、支撑板、推力板支撑柱以及基座等均采用进口硬铝材料；弹性铰链、导轮 板和推力板采用6 5 m n 的合金钢材料。对所有构件加工工艺、制造质量和整机装 配质量严格把关，并制定了相应的制造和装配工艺以有效地保证制造和装配精 度。 图2 8x y 定位平台样机照片 第二章定位平台总体设计 图2 - 9x y 定位平台样机及弹性解耦机 为保证机构控制的灵活方便，并与适当的控制策略相结合有效地对系统实 施控制。在机构控制系统方面，控制器采用美国p a r k e r 公司的a c r l 5 0 5 型4 轴控制卡。驱动器选用美国s m a c 公司的u 诅5 型放大器。考虑到本系统精度 和速度的要求，位置反馈元件采用英国r e n i s h a w 公司的r g h 2 2 z 型直线光 栅作为位置反馈装置，其分辨率是0 5 1 a m 。 在前述设计选型的基础上，通过制定合理的加工工艺以保证制造质量，采 用有效的装配工艺来对整机装配质量严格把关，有效地保证了制造和装配精度。 加工生产出高速、高精度x y 定位平台样机一套( 见图2 8 和图2 9 所示) 。 2 5 本章小结 本章紧密结合i c 封装设备中x y 精密定位平台的技术要求，开发出一种基 于直线音圈电机直接驱动，采用新型弹性解耦机构的两自由度笛卡尔坐标型高 速、高精度定位平台。得出如下结论： 1 采用直线音圈电机直接驱动x y 定位平台，有效地提高x y 精密定位平台的 性能，特别是可以有效地提高定位系统的响应特性，实现定位系统的高速、 高精度定位特性。 2 在y 轴向驱动直线音圈电机和定位平台之间采用新型无间隙弹性解耦机构， 从而将驱动部件置于底座上，降低了机构的运动惯量，改善了系统的动态特 第一二章定伊平台总体设计 性，使定位平台实现高速、高精度运动成为可能，并且具有传统x y 定位平 台运动学解耦的特点，同时也避免了在高速、高加速度运动条件下定位系统 出现的残余振动。 3 采用a c r l 5 0 5 控制卡控制核心，高性能直线光栅作为系统末端位置反馈元 件，形成闭环控制回路，实时检测定位平台的位置，通过闭环控制算法消除 位置误差，保证了系统的高速、高精度运动。 第二章定侍平台数学模犁 3 1 引言 第三章定位平台数学模型 本章依据x y 定位平台的结构和运动形式以及直线音圈电机原理建立定位 平台的数学模型。由于在x y 定位平台机构中，x 轴向机构和y 轴向机构结构 配置形式不同，因此，将分别建立其动力学模型。联系平台动力学模型和音圈 电机数学模型，可建立定位平台机电耦合数学模型，结合实际x y 运动平台，经 过测量与计算，得到数学模型中各参数的实际意义与数值，为后续控制系统设 计提供理论基础。 3 2 定位平台机电耦合建模 定位平台的动力学模型不仅是动力学特性分析的基础，也是定位平台闭环 控制算法仿真的必要环节。作为高速度、高精度的精密定位系统，机构的柔性 对动态性能和工作精度的影响不容忽视。而且，从机械系统动力学观点看，要 实现高速、高精度的目标就必须保证系统具备优良的动态品质。为此，需要研 究高速、高加速度条件下的刚柔耦合系统动态特性。 3 2 1y 轴向动力学建模 根据定位平台在y 轴向的结构特点和实际工作情况，将定位平台等效成图 3 - 1 所示的集中质量系统。 图3 一】y 轴向定位平台的动力学模型 第二章定仿平台数学模犁 系统总体上等效为刚一弹系统。该刚一弹系统中，把弹性铰链、前导轮板 和前滚针轴承之间的赫兹接触、预紧机构等效为刚度为k y 2 的弹簧。y 轴向驱动 音圈电机的电磁刚度等效成刚度为白l 的弹簧。c y 2 为y 轴向定位平台y 轴向等 效阻尼系数，o j 为导向滑板的y 轴向等效阻尼系数。y 轴向定位平台和导向滑 板可以视为刚体，y 轴向定位平台及其附属构件的等效质量为m y 2 ，导向滑板及 其附属构件的等效质量为r l 。f 为y 轴向驱动直线音圈电机的驱动力。根据牛 顿第二定律，可得y 轴向定位平台的运动微分方程为： m ，爹+ 口j ，+ c y = f ( 3 1 ) 即： 同与t 挚峋誓吗t y t + 舄：扩吲等- 誓) ( 3 - 2 ) k y 2 ( y ，- y 9 + c 鲁警等，+ 蓄。吾等 3 2 1x 轴向动力学建模 ( 3 - 3 ) 根据定位平台在y 轴向的结构特点和实际工作情况，将定位平台等效成图 3 1 所示的集中质量系统。 图3 - 2x 轴向定位平台的动力学模 系统总体上为刚一弹系统。在该刚一弹系统中，由于推力板、x 轴向驱动 音圈电机的电磁刚度等效成刚度为奴的弹簧。c x 为x 轴向定位平台x 轴向等效阻 尼系数。x 轴向定位平台连同y 轴向定位平台及其附属构件的等效质量为| l 矗。 f 为x 轴向驱动直线音圈电机的驱动力。根据牛顿第二定律，可得x 轴向定位 平台的运动微分方程为： 荫 第三章定位平台数学模型 f m x 等+ q 芸懈f 搬紊+ q 面+ k x x 3 2 3 音圈电机动态数学方程 ( 3 - 4 ) 直线音圈电机的原理如图3 3 所示。电机工作时，当输入电压u 时，输出 是速度v m ( 位移枷) 。该输出又是机械系统的输入速度位移砌。根据音圈电机工 作原理，当输入电压u 时，在回路中产生相应的电流，电流与磁场相互作用就 产生力，m ，力的大小与磁场的磁通和电流，成正比。 ， 瓴( _ k d l d t ) 图3 - 3 直线音圈电机原理图 根据第二章的直线音圈电机等效电路模型和基尔霍夫电压定律，可得出直 线音圈电机的电压控制方程为： 式中：u 为驱动电机的控制电压， 沈为控制回路的电阻压降，且，u c = ir u l 为控制回路的线圈电感的感应压降，且，【7 p l 粤 m u a 为反电势，且，u b = v k b ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 第= 章定付平台数学模型 k b = 1 3 5 6k f ( 3 - 9 ) 其中，r 为驱动电路的等效电阻，伪驱动电路电流，工为驱动电路线圈电 感，v 为电机移动线圈的运动速度，缸为电机的力常数，k b 为漏感抗压降与线 圈移动速度的比例系数。 将式( 3 - 6 ) 、式( 3 7 ) 和式( 3 8 ) 代入式( 3 5 ) 得： u ：，置+ l 丝+ v k 口 ( 3 1 0 ) 出 另外，根据直线音圈电机的工作原理有： f = k f i( 3 - 1 1 ) 3 2 4 机电耦合数学模型 由上两小节x y 运动平台的数学模型以及音圈电机动态数学方程，把电机的 输出力与运动平台的输入力结合，考虑运动部分的位移、速度与加速度关系， 可以得到运动平台的机电耦合模型。 由式( 3 - 4 ) 、( 3 - 1 0 ) 和( 3 - 1 1 ) 可得到x 轴向的机电耦合数学模型： f _ k r i = m x 等+ c x 警懈 ( 3 - 1 2 ) 由式( 3 - 2 ) 、( 3 3 ) 、( 3 1 0 ) 和( 3 - 1 1 ) 可得到x 轴向的机电耦合数学模型： f - 坼m t 孥峋鲁吗- y - + 砀( y 1 - y ：卜( 百d v l - 百d y 2 ) ( 3 - 1 3 ) k y ：( y t - y 2 ) + c y 2c 鲁一等同勘争 t + 寻。寻同勘斧 ( 3 1 4 ) 如进行控制系统分析，可对上面几式进行拉氏变换，进可以得到系统的传 递函数模型。 第二章定俯平台数学模型 3 3 数学模型各参数数值 上一节，经过理论分析与数学计算，得出了运动平台的机电耦合模型，本 节将对上述模型中，出现的主要变量进行分析，并针对实际运动平台，经过运 算和查表得出实际数值，为进一步分析数学模型以对后边的控制系统的理论分 析打下基础。 1 可以直接查表和测量的参数。由音圈电机手册自带手册可查得：驱动电 路的等效电阻r = 1 4 5 1 2 ，音圈电机力常数k f = 8 8 n a ；由弹簧秤或者天平， 可以直接进行实际称量可得：x 轴向运动部分等效质量m x = 4 0 0 6 k g ，y