（机械电子工程专业论文）面向微电子封装的两自由度高速精密定位系统研究.pdf

摘要 摘要 随着我国微电子封装工业的发展，微电子封装设备的发展也越来越快。本文 正是以开发面向微电子封装设备一自动超声波引线键合机的高速、高精度定位系 统为目标，以有限元法、动态设计方法、运动控制和模式匹配等理论作为手段， 系统地研究了高速、高精度x y 定位平台的结构设计、加减速控制算法和插补算法 以及视觉定位的关键技术，并建造出了x y 精密定位平台样机一台，制作了运动控 制卡各模块，开发了基于模式匹配的视觉系统。论文主要内容有以下三个方面： 设计了一台采用步进电机一滚珠丝杠螺母副驱动的x y 高速、高精度定位平台。 提出了x y 高速精密定位平台静、动态特性的有限元分析方法，探讨了x y 定位平 台在不同载荷情况下的力学行为，分析了x y 定位平台的固有频率和模态振型。在 此基础上实现对x y 高速精密平台的结构动态设计。 设计了基于u s b 通用串行总线和数字信号处理器( d s p ) 的运动控制卡的各个 模块。在硬件方面，采用t i 公司的高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为步进电机 的主控制器，辅以外围电路实现电机控制，并采用u s b 通用串行总线接口芯片 c y 7 c 6 8 0 1 3 a 完成了d s p 与p c 机之间的高速通信；在软件方面，实现了步进电机 的t 形加减速控制算法和s 形加减速控制算法，选择最小偏差法实现了两轴直线 插补，采用c 语言编写了步进电机各种运动方式的程序，在使用c y p r e s s 公司 e z - u s b f x 2 通用驱动程序的基础上，调用其提供的两种控制函数库中的接口控制 函数，开发了p c 机上的运动控制函数，并做成动态链接库，方便用户调用。 建立了一套视觉定位系统进行测试。在硬件方面，先分析了c c d 摄像头、图 像采集卡和镜头等图像采集硬件对采集芯片图像影响并按检测要求，选用了n i 公司的1 4 0 5 型图像采集卡和威视公司的v c - 5 1 3 d 工业用c c d 摄像机，搭建了视觉 定位的硬件系统；在软件方面，使用v s n e t 平台进行开发图像处理、模式匹配软 件，图像处理和模式匹配是整套视觉定位系统的核心，采用n i 公司的i m a q v i s i o n 8 2 软件包，利用其提供的图像处理算法库，通过图像获取、图像标定和 图像增强等方法预处理，并采用基于模式匹配的定位方法来获取目标点位置。 关键词：微电子封装；x y 定位平台；运动控制；视觉定位 广东工业大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c sp a c k a g i n gi n d u s t r yi nc h i n a ， t h et e c h n o l o g yo fm i c r o e l e c t r o n i c sp a c k a g i n ge q u i p m e n t sd e v e l o p sm o r ea n dm o r ef a s t i no r d e rt od e v e l o pah i g h s 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 gs y s t e m f o r i c - e n c a p s u l a t i o ne q u i p m e n t - a u t o m a t i cu l t r a s o n i cw i r eb o n d i n g ，t h i sp a p e rd e a l sw i t h t h ek e yi s s u er e l e v a n tt om e c h a n i c a ld e s i g n , a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nc o n t r o l a l g o r i t h m , i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h ma n dv i s i o np o s i t i o n i n gb ym e a n so ff m i t ee l e m e n t m e t h o d ，d y n a m i cd e s i g n , m o t i o nc o n t r o la n dp a t t e r nm a t c h i n gt h e o r y a sar e s u l t ，a p r o t o t y p em a c h i n eo fx yt a b l e ，am o t i o nc o n t r o lc a r da n dav i s i o np o s i t i o ns y s t e m h a v eb e e nd e v e l o p e d t h ep a p e rm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： ax yt a b l ed r i v e nb ys t e p p i n gm o t o r - b a l ls c r e wa n dn u ta s s e m b l yh a sb e e n d e s i g n e d t h ef m 沁e l e m e n tm e t h o di su s e di na n a l y z i n gt h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ex y t a b l e t h ep e r f o r m a n c eo ft h ex yt a b l es u b j e c t e dt o d i f f e r e n tl o a dh a sb e e ns t u d i e da n dt h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dm o d a ls h a p e so ft h ex y t a b l eh a v eb e e no b t a i n e d b a s e do nt h er e s u l t s ，t h ed y m r n j cs t r u c t u r a ld e s i g nh a sb e e n i m p l e m e n t e d am o t i o nc o n t r o lc a r db a s e do nu s bb u sa n dd s ph a sb e e nd e s i g n e d i nt h e h a r d w a r e p a r t ，t h e m o t i o n c o n t r o lc a r dt a k e st h e h i g h f i m c t i o n d s p c h i p t m s l f 2 4 0 7 aa st h em a i ns t e p p i n gm o t o r sc o n t r o l l e r ，w i t hp e r i p h e r a lc i r c u i t s ， t oc o n t r o ls t e pm o t o r s t h ec a r da l s ou s e sau s bb u si n t e r f a c ec h i pc y t c 6 8 0 13 at o a c c o m p l i s ht h eh i g h - s p e e dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec a r da n dp e r s o n a lc o m p u t e r i nt h es o f t w a r ep a r t ，t h ea l g o r i t h mo ft r a p e z o i d a la d ( a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o n ) c o n t r o la n ds - c u r v ea dc o n t r o lh a sb e e ni m p l e m e n t e d ，t h em i n i m u md e v i a t i o nm e t h o d h a sb e e ns e l e c t e dt oi m p l e m e n tt h ea l g o r i t h mo f2 一a x i sl i n e a ri n t e r p o l a t i o na n dc i r c u l a r i n t e r p o l a t i o n , cl a n g u a g eh a sb e e na d o p t e dt ow r i t et h ep r o g r a m so fa l lm o t i o nm o d e s o fs t e p p 吨m o t o r s b a s e do nu s i n gt h eg e n e r i cd r i v e rp r o g r a mo fe z u s b f x 2o f c y p r e s sc o m p a n y , c a l l e dt h ei n t e r f a c ec o n t r o lf u n c t i o nf r o mt w ok i n d so fc o n t r o l 摘要 l i b r a r yg i v e nb yc y p r e s s ，d e v e m p e dt h em o t i o nc o n t r o lf u n c t i o nu s i n go nt h ep c ，a n d c r e a t e dad y n a m i cl i n kl i b r a r yt ot ow h ow a n t st od e v e m ph i so w ns o f t w a r e as e to fv i s i o np o s i t i o ns y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e dt od e t e c t es y s t e m i nt h e h a r d w a r ep a r t ，t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e si nd e t a i l st h ei n f l u e n c e so ft h ei m a g ea c q u i r i n g h a r d w a r ei n c l u d i n gc c dc a m e r a ，i m a g ea c q u i s i t i o nb o a r d , l i g h ts o u r c ea n dl e n s ，n i c o r p o r a t i o n s14 0 5i m a g eg a t h e r i n gc a r da n dv i e w s ec o r p o r a t i o n sv c 一5 13 dc c d h a v eb e e ns e l e c t e dt ob u i l dv i s i o np o s i t i o nh a r d w a r es y s t e m i nt h es o f t w a r ep a r t ，b y u s i n gv s n e tp l a t f o r m , i m a g ep r o c e s s i n ga n dp a r e mm a t c h i n gs o f t w a r eh a sb e e n d e v e l o p e d t h ei m a g ep r o c e s s i n ga n dp a t t e r nm a t c h i n g s o t l w a r ei st h ec o r eo ft h e w h o l ev i s i o np o s i t i o ns y s t e m , n ic o r p o r a t i o n si m a qv i s i o n 8 2s o f t w a r ep a c k a g eh a s b e e na d o p t e d ，w h i c hh a sp r o v i d e dt h eg e n e r a li m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h ml i b r a r y t h r o u g hi m a g ea c q u i r i n ga n di m a g ep r e t r e a t m e n ts u c ha si m a g ec a l i b r a t i o n , e n h a n c e ， s m o o t ha n ds oo n , t h e nu s i n gt h eo b j e c t - l o c a l i z a t i o nm e t h o d sb a s e do nt h ep a r e m m a t c h i n gt oa c q u i r et h ep o s i t i o no f t h ea i mp o i n ta n dt h ed i s t a n c e k e y w o r d s ：m i c r o e l e c t r o n i c sp a c k a g i n ge q u i p m e n t ，x yt a b l e ，m o t i o nc o n t r o l ，v i s i o n p o s i t i o n i n g i i i 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字：教r、 论文作者签字：；1 7 疲 2 口9 矿年月5 日 第一章绪论 1 1 课题研究意义及来源 第一章绪论 i c 工业是当前全球经济发展的高速增长点，也是我国国民经济中最具活力的 行业。目前，国内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i c 产业的重要环节一芯片封装制约着产业主体的良性发展 i - - 4 o 芯片封装是指将芯片安装、固定、密封于封装基板中，并将其上的i o 点用 导线连接到封装外壳引脚上( 采用引线键合或倒装芯片等技术) 的过程口3 。引线 键合( w i r eb o n d i n g ) 技术仍是i c 封装连接技术中广泛应用的灵活形式，金丝引线 球焊机是用金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。根据焊点的不 同形状，有两种基本的焊接形式，即球焊( b a l lb o n d i n g ) 和楔焊( w e d g eb o n d i n g ) 。 芯片上电极的焊接常用球焊法，而外引线部位则用楔型热压焊 e - 1 2 。 由于i c 芯片向微小型发展，而芯片i o 密度越来越高、芯片尺寸、芯片引线 间距和焊盘直径持续减小；另一方面，市场对微小芯片需求的急速增长和产品问 的残酷竞争，促使厂商为降低成本，努力提高生产效率。因此，对芯片封装设备 的运动精度、速度和加速度提出了极高的要求，也就是对封装设备关键部位一运动 平台的动态性能提出了挑战。 而现有的封装设备如引线键合机多数采用串联型的直线定位工作台，存在运 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。研究开发基 于新机构形式、运动控制器、视觉检测的高速、高精度定位系统，对促进i c 封装 的发展进而加快我国i c 产业发展具有重要的意义。 本研究课题得到广东省科技计划项目( 2 0 0 6 a 1 0 4 0 1 0 0 3 、2 0 0 7 a 0 1 0 3 0 1 0 0 2 ) 和广 州市科技计划项目( 2 0 0 6 2 3 - d 9 0 7 1 ) 基金资助。 广东工业大学硕十学位论文 1 2 精密定位技术及研究现状 精密定位一词最早于2 0 世纪6 0 年代初出现于美国。六十年代，随着集成电路 制造技术的大力发展，激光光栅定位技术得到了广泛的应用。近年来，随着精密 定位技术研究的进一步深入，定位技术不断提高，精密定位的精度也由亚微米级 提高到了纳米级甚至亚纳米级，精密定位已进入了纳米定位阶段。 国内精密定位技术的研究是从上世纪8 0 年代开始的，目前已取得了一定的进 展。重要成果有：浙江大学现代光学仪器国家重点实验室利用衍射干涉光栅测长 技术，采用伺服电机粗动控制与压电陶瓷精动控制相结合的方法实现精密定位， 其直线定位精度o 11 tm 1 1 3 1o 清华大学精密测量技术与仪器国家重点实验室设计 了种具有较大传动比的柔性铰链精密定位工作台，采用压电陶瓷驱动，利用双 频激光干涉仪对工作台特性进行了测量，该工作台具有纳米级的分辨率和直线定 位精度n 劓。上海交通大学设计了一种微装配系统的精密定位装置，该装置利用图 像采集系统进行位置测量反馈，通过微型电机的粗控与压电晶体的细控实现微工 作台的精密定位，定位精度为3 l - tm n 射。下面分别从定位系统的机构形式、导轨形 式、驱动方式、运动控制器和实时检测方式进行详细介绍。 1 2 1 机构形式 串联机构是将两个独立的一维运动机构，一个安装另一个之上，完成平面二 维运动。理论上串联机构具有工作范围大，灵活性好等优点，但由于其中一维运 动机构的全部零件都由另一维机构承担，静态重量和动态惯性都较大，影响运动 性能。同时运动误差有积累，精度只能达到微米级。并联机构是由多个运动链的 一端同时与一个具有多个自由度的终端操作器相连而构成。与串联机构相比，具 有刚度大、结构稳定、承载能力大、响应速度快及运动精度高等优点。 1 2 2 导轨形式 普通直线v 形导轨为常用导轨，但存在着很大的弊病，不仅产生摩擦、磨损、 金属粉尘，影响微电子产品质量，而且驱动件的质量惯性和连接间隙降低了设备 2 第一章绪论 的定位精度和响应频率。上海交大李运堂n 6 1 设计的面向芯片封装的高加速度高精 度气浮定位平台，做相对运动的工作平台与中间平台之间，中间平台与下平台之 间以及工作平台与驱动其沿y 方向运动的y 方向驱动连杆之间用气浮导轨相连，因 此整个结构无摩擦( 或极低摩擦) 。虽然消除了摩擦，但结构庞大复杂，支撑刚度 小，承载能力和抗冲击能力降低，亦限制定位精度的提高。中科院长春光学精密 机械与物理研究所n 7 1 将磁悬浮技术和直线驱动技术相结合，设计研究了一种新型 磁悬浮精密定位工作台，利用磁悬浮技术将工件台悬浮在x 、y 导轨上，消除了导轨 的摩擦和磨损，直线定位精度2 um 。 1 2 3 驱动方式 现有的封装类装备中很多都是采用传统的电机一滚珠丝杆的驱动方式，伺服电 机的旋转运动通过丝杆转为定位平台的直线运动n 引。这种方式结构简单、安装维 护方便。据统计，有三分之一的各类超精密机床采用了c 0 级滚珠丝杠作为伺服进 给机构。丝杆螺母传动的缺点是需消除丝杆螺母副的反向间隙和螺杆的螺距误差， 故定位精度一般只能达到微米级。 采用高速度、精密和高可靠性的直线电机驱动方式，可以避免滚珠丝杠传动 中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点，实现无接触直接驱动，可获得 高速度和较高重复定位精度，并可获得良好的稳定性口9 1 。缺点是成本较高、控制 系统复杂、需考虑隔磁和防磁问题。 利用超声波振动进行驱动，借助压电晶体和弹性体，通过逆压电效应将电能 转换为超声波振动能；利用构件的共振条件，通过定、转子之间的接触和摩察力， 将交变的振动转变成转子单方向的直线运动，实现机械振动能到转子动能的转换。 由于这种电机所用交流电的频率在超声波频段，因此被称为超声波电机啪1 。 基于安培力原理制造的音圈电机，理论上具有无限分辩率、无滞后、高响应、 高加速度、高速度、体积小、力特性好、控制方便等优点，适用于高加速、高频 激励和高精度定位的控制系统。 自从上世纪八十年代，a s h a r o n 阳提出宏微结合概念以来，国内外学者对宏 微双重驱动技术进行了深入的研究。将系统划分为宏动和微动两个部分，宏动定 位机构实现大范围、高速的粗定位，微动定位机构补偿系统的定位误差实现高精 广东工业大学硕十学位论文 度定位，从而有效提高系统的分辨率和定位精度，提高系统响应速度，宏微双重 驱动技术是实现大行程、高速高精度定位的一种有效手段。 压电式工作台通过压电元件的高分辨率和柔性铰链机构的无摩擦、无间隙的 高精度传动来实现超精密定位。具有工作台结构紧凑，可获得很高的定位精度，在 静态和低频工作时没有热耗散，不受外部电磁场影响的优点，但压电元件的变形有 限，工作范围受限制。 当摩擦轮转动时，通过摩擦轮与摩擦杆之间的静摩擦力带动摩擦杆沿着摩擦 轮的切线方向运动。i c h a o 等瞳2 1 设计了利用气体支撑的摩擦轮驱动工作台。工作 台在5 0 h m 、5 0 0 h m 和l o a l n 的步进运动方式下，定位精度均优于1 5 n m 。m e k i d 1 研制的摩擦驱动工作台重l o o k g ，通过液压支撑，工作台行程为2 2 0 m m 。直线工作台 的定位精度可达1 6 n m ，最大速度l o m m s 。摩擦驱动带负载能力强，有较高的运动精 度和较大的直线运动范围，但结构相对复杂，不易小型化。 1 2 3 运动控制器 运动控制器是通过对以电机驱动的执行机构等设备进行运动控制，以实现预 定运动轨迹目标的装置，其功用是从接收控制指令和位置信息，向功率驱动电路 输出运动指令。一般有四种类型乜4 1 ：( 1 ) 单片机系统，成本较低，但开发难度较大， 周期长，而且无法实时实现复杂的控制算法。适用于产品批量较大、控制功能简 单的系统。( 2 ) 专业运动控$ i j p l c ，一般适用于运动过程比较简单、运动轨迹固定 的设备。( 3 ) p c 机和i o 卡系统，通过输出脉冲和方向信号来控制步进或数字式伺 服电机，但所发的脉冲只能由软件编程来实现，若没有深入w i n d o w s 内核进行底层 编程来发脉冲，几乎不可能保证控制的准确性。( 4 ) p c 机和运动控制卡，用于运动 过程、运动轨迹都比较复杂，而且柔性要求高的设备。可以分为以下几种：a 、以 单片机为主控芯片，加上存储器、编码器信号处理电路以及d a 转换电路等，成本 较低，但由于外围电路较为复杂，元器件较多，体积比较大，因此其可靠性和控 制精度不高，运行速度较慢，只能实时实现一些简单的控制算法，而且控制参数 不易更改，软硬件设计工作量也较大。b 、以专用控制芯片为主控芯片的控制板卡， 集成度高、可靠性高、实时性好，但成本很高，柔性较差。c 、基于d p s 的运动控 制卡，将中央处理单元、控制单元和外围设备集成到一块芯片上，采用了多组总 4 第一章绪论 线技术实现并行运行机制，极大地提高了运算速度，同时提供了非常灵活的指令 系统。随着价格的迅速下降，使得d s p 在控制领域的应用倍受关注。国外有很多公 司开发开放式运动控制器，最著名的有美国d e l t at a u 、g a l i l 、d m c ，日本的m a z a k 、 n o v a 等。美国d e l t a t a u d a t a s y s t e m 公司推出的p m a c 系列伺服运动控制卡代表了国 外运动控制卡的水平。国内清华大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学对以d s p 为微处理器的运动控制卡做了研究。深圳摩信科技、固高科技、雷赛科技等公司 也开发生产了一系列的运动控制卡。 1 2 4 实时检测方式 采用开放式实时动态全闭环控制模式是实现高速高精度控制的技术关键之 一，而检测元件在闭环系统中起着非常重要的作用，决定了整个系统的精度极限。 光栅技术已广泛地应用于闭环位移测量、角度测量。用于超精密加工的高分 辨率光栅系统也已开发出来，在数控加工、微电子等领域大量采用。但是，光栅 式测量也存在如下缺点：( 1 ) 线数较高、长度较大的光栅刻制困难，体现在测长上 就是测量分辨率与量程的矛盾。( 2 ) 测量精度与光栅的制造精度有直接关系，因此 受光栅加工工艺的影响比较大。( 3 ) 分辨率为纳米级、量程为几百毫米的光栅尺价 格达几万甚至十几万元，限制了应用范围乜引。 近年来，基于视觉的闭环控制技术，在理论与应用中均取得了很大进步，然 而，要满足实时控制要求，还需在针对任务适当选择图像特征、利用图像处理和 智能技术成果、多传感器信息融合等方面深入研究乜6 | 。王立成乜7 1 应用传统的图像 处理技术，对定位标志图像进行预处理，包括图像滤波、阈值分割和边缘检测等 等，给出了相应实验结果。 1 3 课题研究的主要内容 本文紧密结合广东省科技计划基金资助项目，以超声波金线引线键合机为对 象，开发面向微电子封装设备的两自由度高速高精度定位系统为目标，以有限元 分析法、插补理论、电机加减速控制方法和图像处理方法为工具，主要研究了以 下三方面内容： 广东丁业大学硕十学位论文 1 x y 精密定位平台的结构动态设计。以有限元分析法为手段，研究了x y 定 位平台的静态刚度和动态特性，在此基础上实现了对x y 平台的结构动态设计。 2 运动控制卡的设计。研究了最小偏差法直线插补和步进电机的t 形及s 形 加减速控制方法，并以d s p 及外围电路为硬件基础，设计运动控制模块，使用u s b 通用串行接口与p c 机进行通信，实现了定位系统的运动控制。 3 视觉定位系统的设计。以计算图像处理理论为基础，研究了图像预处理方 法和模式匹配物体中心定位的方法，选用合适的硬件，完成了视觉定位系统的设 计。 6 第二章“平台的结构设计及有限元分析 第二章x y 平台的结构设计及有限元分析 2 1 总体结构设计 根据引线键合加工的特点，对x y 精密定位平台的主要技术要求为： ( 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，满足焊 接质量的要求； ( 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。 随着引线键合技术的发展，为提高半导体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：运动加速度5 一- 1 2 9 ，定位精度5 1 0u m ，工作频率 l o - - 1 5 h z ，频带宽度2 0 0 - - - 3 0 0 h z 。根据这个要求，结合课题所依托项目的具体要 求，对所设计的x y 精密定位平台提出如下的技术指标： 运动范围：x 方向5 0 m m ，y 方向5 0 m m 最大负载重量：l o k g 。 定位精度：3i jm 最大运动速度：2 m s 最大运动加速度：5 9 图2 1 所示为设计的x y 定位平台分解图。该平台采用了并联结构形式，x 轴 向驱步进电机和y 轴向驱动步进电机安装在电机支承块上，一并固定在基座上； 电机通过联轴器带动丝杠旋转，驱动螺母做轴向运动；y 向螺母通过螺母连接板 与y 向拉板相连，y 向拉板可在基座的y 向滑轨上滑动，并通过其上的x 向滑轨 带动平台盖板在x 向滑板的y 向滑轨上滑动；而x 向滑板又与x 向螺母通过螺母 连接板连接在一起，当x 向步进电机旋转时，可通过x 向滑板上的y 向滑轨带动 平台盖板做x 向移动。 由于滑轨采用滚珠线性滑轨，将电机旋转运动转化为直线运动的部件采用滚 珠丝杠螺母副，减小了摩擦力，同时将两轴的驱动电机均置于基座上，降低了机 构的运动惯量，改善了系统的动态特性，使平台实现高速、高精度的运动成为可 7 尘些垒兰至圭兰堡篓塞 能。 1 平台盖板，2 、1 8y 向滑轨，3 x 向滑板，4 、2 0 x 向滑轨，5 、1 7 丝杠，6 、 1 5 电机支承块，7 联轴器，8x 向电机，9 轴承，1 0 、1 4 螺母，儿、1 3 螺母连 接板，1 2 基座，1 6 y 向电机，1 9y 向拉板。 图2 - 1x y 平台爆炸图 f i g2 - 1e x p l o d e dv i e wo fx yt a b l e 22 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，关键零部件选用进口件。滚珠丝杆螺母副选用日本t h k 公司的d k 型c 2 级精度滚珠丝杆副，导程为4 册，丝杠外径为1 0 】帅，自定总长度1 6 0 m m 。导 轨也选用日本f h k 公司的r s r l 2 v m a 型l m ( l i n e a rm o t i o n ) 滚动导轨。同时从经 济性角度考虑，满足设计要求的情况下，尽量采用性价比高的部件x 、y 轴向驱 动电机采用雷赛科技公司的m o t e k 5 7 系列的h s 8 1 2 3 型两相混合式步进电机，步距 角为i _ 8 。，静扭矩这09 n m ，额定电流3o a 转子惯量为2 6 0 k g c 一。这样 配相应的细分步进驱动器，在2 0 细分时，可得一个脉冲当量为0 0 0 1 m 。轴承采 用向心球轴承。其他部件，如平台盖板、滑板、连接板和基座均采用铝合金材料， 尽量采用同种零部件和同样的材料，可以使采购和管理更加方便。 将设计好的方案交给专业生产厂家，加工生产出x y 定位平台样机一台见图 2 - 2 所示。 量三耋：童竺篁丝堡些些至呈重坌堑 2 3 有限元分析 图2 - 2x y 平台样机 f i g 2 - 2p r o t o t y p eo fx yt a b l e 使用c o s k l o s w o r k s 进行有限元分析计算时的求解过程主要包括定义分析类 型、赋材料、定义约束和负荷、网格划分、运算和结果显示等步骤。分别利用c o s m o s 有限元分析软件中的静态分析模块和共振频率分析模块研究x y 精密定位平台的 静态刚度和动态特性。在静态分析中，可以求解在电机驱动力作用下，引起的州 定位平台的变形和应力，外载荷主要为x 、y 轴电机的驱动力，因考虑研究在平台 上装有焊头机构，因此在进行静态特性分析时，在所殴计的x y 定位平台模型的表 面设定了用来安装焊头的支撑板；通过模态分析，可以求解x y 定位平台的固有频 率和模态振型，由于固有频率和模态振型是x y 精密定位平台的固有特性，因此在 进行模态分析时，不需要施加任何外载荷，也不考虑平台上的焊头机构，故不需 分析焊头支撑板，旌加完边界条件后，只需对求解的载荷步、子步进行设定。完 成上述设置后，即可进行求解计算。 利用s o l i d w o r k s 软件中的c o s i o c w o r k s 插件很容易对s o i i d w o r k s 建立的模 型进行网格划分，统一为实体四面体网格类型，尺寸为7 舢，公差为03 5 0 m 。导 轨和滑块的材料选用不锈钢，属性定义为；密度8 0 0 0 k g f f ，弹性模量2 1 0 “n 开， 泊松比02 6 。y 向工作台、x 向工作台、基座、螺母连接板为硬铝合金材料，属 9 ! 尘些至兰竺：兰竺生三 性定义为：密度2 7 0 0 k g 一，弹性模量69 1 0 ”n 皿2 ，泊松比03 3 。划分网格后 的模型见图23 。 图2 - 3 装有支撑板的x y 平台有限元模型 f i g2 - 3b a s ep l a t es e a t l e df i n i t ee l e m e n tm o d e lo fx yt a b l e 232 静态特性分析 x y 精密定位平台的静态特性分析，主要研究在不同的外力或者外载荷作用 下，作为定位工作平面的平台上，顶面的空间位置和姿态变化情况，为误差补偿 提供理论依据。凼为在外载荷作用下定位平台丁作平面的弯曲变形是无法通对- 蜓 动电机实施有效控制来进行控制的，因此需要对定位平台工作平面在外载荷作用 下的弯曲变形量进行控制。静态特性分析的主要研究对象为定位平台的工作表面。 2321 x 轴向电机驱动力作用下的变形 根据所选的电机静转矩和丝杠材料尺寸可由下面的式子计算出电机最大轴向 驱动力： 电机的最小输出扭矩 i 二，。一p m g p o 0 5 x l o x 9 8 x 0 0 0 4 ：3 4 7 x l o3 m “2 n y 2 3 1 4 x 0 9 一 其中，为导轨的摩擦系数( 取为00 5 ) ，为系统负载总质量( 1 0 k g ) ，p 为 宝杠导程( o 0 0 4 m ) ，7 为丝杠正效率( 取09 ) 。 负载换算成电机轴h 的转动惯量： = 去2 川o 虿南x 0 0 0 4 ) 2 x 1 = 4 0 6 1 0 一k gm 2 其中，w 为运动的总质量( 1 0 k g ) ，i 为减速比等于1 。 丝杠的转动惯量： j2=xpxlxd4=4 x 7 9 x 1 0 3x 0 1 6 x 0 0 1 4 = 1 2 4 x 1 0 。6 始m 2 其中，p 为丝杠材料密度( 79 k g m ) ，工为丝杠总长( 0 1 6 m ) ，d 为丝杠外 径( 0 o l m ) 。 则丝杠的最大角加速度为： e = e 一) + ) - ( 等d 4 7 x 1 0 - 3 ) ，( 5 3 1 - 8 4 2 5 1 0 4 耐序 其中，t 为电机静力矩( 0 9 n m ) ， 为效率0 9 ，k 为安全系数( 取18 ) 。 轴向加速度为：口= 芸= 8 a 2 j 5 x i l 0 五4x i 0 0 0 4 = 5 3 7 m ，5 2 可得轴向最大驱动力f 二= r a a 删+ 艰g = 5 3 7 + 4 9 = 5 4 1 9 n 图2 - 4 所示为x 轴向电机5 4 19 n 的最大驱动力作用下，定位平台的整机变形 图。由国可知，在x 轴电机驱动力作用下，滚珠丝杠上的螺母通过x 向螺母连接 扳带动x 向平台产生沿x 轴负向的位移 动平台盖板一起产生沿x 轴负向的位移 进而通过x 平台上的y 向导轨及滑块带 也即工作平台产生x 轴负向的位移。整 机的最大变形为3 53 2 um ，发生在x 向螺母连接板的下端缘处，而平台盖板和焊 头支撑板的变形量小于1um ，其余地方变形量极小，故可忽略不计。 焉焉： i ：竺 图2 4x 轴向力作用下x y 平台总变形 f i g2 - 4t o t a ld i s t o r t i o n o fx yt a b l ed r i v e nb yxm o t o r 广东i 业大学硕士学位论文 图2 - 5 为x 轴向电机最大驱动力作用下，x y 平台整机应力图。由图可知，在 x 轴向电机驱动下，由于x 轴向定位平台直线运动导轨在x 轴向自由度被释放开， y 向拉板上的直线导轨在x 轴向自由度也被释放开定位平台整机产生的静应力 都很小，在螺母连接板与x 向平台螺栓连接处和x 向平台上导轨与滑块连接处应 力值最大为2 6 2 2 m p a ，仍远小于材料的许用应力。 图2 5x 轴向驱动力作用下x y 平台应力图 f i g 2 - 5s t r e s sc h a r to fx yt a b l ed r i v e nb yxm o t o r 2 3 22 y 轴向电机驱动力作用下的变形 图2 - 6 所示为y 轴向电机5 4 1 9 n 的最大驱动力作用下，定位平台的整机变形 图。由例可知，在y 轴电机驱动力作用下，滚珠丝杠上的螺母带动y 向拉板产生 沿y 轴负向的位移，进而通过y 向拉板上的x 向导轨及滑块带动平台盖板一起产 生沿y 轴负向的位移，也即工作平台产生y 轴负向的位移。整机的最大变形为 4 33 4 m ，发生在y 向螺母连接板的下端缘处，而平台盖板和焊头支撑板则几乎 不变形，故变形量可忽略不计。 赢4 ，：= ： 簟蠹i 图2 - 6y 轴向驱动力作用下x y 平台总变形 f i g 2 - 6t o t a ld i s t o r t i o no fx yt a b l ed r i v e nb yym o t o r 1 2 第二章x y 平台的结构设计& 有随e 丹析 图2 7 为y 轴向电机最大驱动力作用下，x y 平台整机应力图。由图可知，在 y 轴向电机驱动下，由于x 平台上的y 向直线运动导轨在y 轴向自由度被释放开， 定位平台整机产生的静应力都很小，在螺母连接板与y 向拉板螺栓连接处和滑块 与平台盖板螺栓连接处应力稍大，其中在螺母连接板与y 向拉板螺栓连接处应力 值最大为2 9 9 9 m p a ，仍远小于材料的许用应力。 l ，：= ： 图2 7y 轴向驱动力作用下) 【y 平台应力图 f i g2 - 7s t r e s sc h a r to fx yt a b l ed r i v e nb yym o t o r 2 3 2 3 x 向和y 向电机驱动力同时作用下的变形 图28 为x 轴向电机最大驱动力和y 轴向电机最大驱动力同时作用下，定位 平台的整机变形图。由图可知，在x 轴向电机驱动下，x 向螺母连接板带动x 向 平台产生x 轴负向的位移，进而通过其上的y 向导轨和滑块带动平台盖板做x 轴 负向位移：同时，在y 轴向电机驱动下，y 向螺母连接板带动y 向拉板，并通过 其上的x 向导轨和滑块带动平台盖板做y 轴负向位移。在上述变形的共同影响下， 工作平面不仅会产生沿x 轴负向的位移，而且会产生y 轴负向的位移。相对来说， y 轴向电驱动力的作用更明显，主要因为y 向拉板尺寸相对x 平台尺寸要小很多， 且下面只与两个滑块固定，故刚度要比x 向平台小。所以整机的最大变形量出现 在y 向螺母连接板的下端缘处，为4 2 5 4um ，在上述变形的共同影响下，定位平 台将产生扭转运动，引起工作平面的位移变化，但都很小，可以忽略不计。 图2 - 8x 轴向和y 轴向驱动力共同作用下x y 平台总变形 f i g 2 - 8t o t a ld i s t o r t i o no fx yt a b l ed r i v e nb yxm o t o ra n dym o t o r 图29 是在x 轴向电机和y 轴向电机共同驱动力作用下，定位平台的整机应 力图。由图可知，在x 轴驱动力下，由于x 平台沿直线运动导轨在x 轴向自由度 被释放开，y 向拉板上的直线导轨和滑块组合让平台盖板x 轴向自由度被释放开， 所以x 轴向电机驱动力对定位平台静应力产生的作用不大相比较而言，y 轴向 电机驱动力的作用要明显一些，在y 向螺母连接扳与y 向拉板螺栓连接处产生最 大麻力，为2 65 9 m p a ，仍远小于材料的许用应力极限值。 曩黑： i t 篡： 图2 - 9x 轴向和y 轴向驱动力共同作用下x y 平台应力图 f i g2 - 9s t r e s sc h a r to f ) 1 t a b l ed r i v e nb yxm o t o ra n dym o t o r 2 32 模态特性分析 系统的模态分析是系统动力学分析的基础，通过进行模态分析可以了解x y 精密定位平台的固有频率和振型。固有频率和振型能够反映系统在平衡位置附近 作微小振动时的固有物理性质，且只与系统的惯量和刚度有关，与其它参数无关。 茗=l!一 塑三塞! ：耋耋墼篁望兰兰墨塞矍垂坌堡 依据x y 定位平台的实际应用情况，利用c o s m o s 频率分析模块进行模态分析，得 到x y 平台的前五阶固有频率和模态振型分别见表2 一l 和图2 一1 0 所示。 表2 - lx y 平台的固有频率 t a b l e2 - 1n s t u r ef r e q u e n c yo fx yt a b l e 模态阶数 l234 5 固有频率( f i z ) 1 0 9 7 41 2 7 7 41 3 1 8 3 1 5 1 4 81 8 4 0 从表2 - l 可以看出，相对于目前焊线机1 52 0 h z 的工作频率以及2 0 0 3 0 0 h z 的频带宽度，此x y 平台不会产生共振。从图2 一1 0 可以看出，由于y 向拉板的尺 寸小，固定点也要少于x 向平台，使得y 轴向刚度要低于x 轴向刚度，从而沿y 轴向的振动幅度要大于沿x 轴向的振动幅度。 图2 - 1 0 x y 平台的模态振型 f i g2 1 0r o d es b a p eo fx vt a b l e 1 5 广东工业大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章紧密结合引线键合机定位的技术要求，设计了x y 平台，并采用有限元法 对x y 平台进行了校验，得出如下结论： 1 ) x y 平台采用并联结构形式和步进电机一滚珠丝杆驱动方式，并通过细分驱 动，平台运行平稳，且成本低。