（机械电子工程专业论文）基于ic封装的并联焊头机构的轨迹规划及其运动控制.pdf

摘要 摘要 作为i c 芯片粘片机的关键部件 焊头运动机构的作用是将晶圆 w a f e r 上已切 割分离成一片片的i c 芯片逐个吸起 传送并放置到引线框架上 使得芯片在引线 框架上被粘焊固定 焊头机构需要精确 快速 平稳地往返于拾片 p i c k 和粘 片 b o n d 两个位置 实现拾取 传送和粘焊芯片等动作 本文以双滑块平面并联机构二自由度粘片机焊头机构为研究对象 为了实现 对焊头机构的运动进行精确 快速 平稳的控制 本文根据焊头运动机构的工作 要求 开展对双滑块平面并联机构的研究 主要包括对双滑块平面并联机构的运 动学 轨迹规划 及其运动控制系统的深入研究 首先 本文对粘片机在国内外的发展现状作了介绍 对轨迹规划的研究现状 轨迹规划的一般方法进行了论述 接着 通过j a c o b i a n 矩阵分析了双滑块平面并 联焊头机构的奇异性 得出了焊头机构的奇异形位 结合图解法分析了双滑块平 面并联焊头机构的工作空间 建立双滑块平面并联焊头机构几何约束的数学模型 得出了双滑块平面并联焊头机构的逆运动学方程 为轨迹规划提供了理论指导 然后 本文在研究了时间最优轨迹规划的基本原理及b 样条曲线的计算方法 的基础上 根据双滑块平面并联焊头机构的工作路径 伺服电机的速度及加速度 约束条件 采用b 样条曲线构造双滑块平面并联焊头机构的轨迹 并利用b 样 条曲线的分段处理性特点 得出焊头机构时间最优的运动轨迹曲线方程 最后 采用p c 机 运动控制卡 驱动器 伺服电机等建立双滑块平面并联 机构的运动控制系统实验平台 并根据实验要求设置系统参数 运用v c 应用 软件开发平台以及运动控制卡的库函数 编写了实验平台的运动控制程序 实现 了对并联焊头机构的在线控制 关键词 i c 粘片机 并联机构 b 样条 轨迹规划 运动控制 广东工业大学顾士学位论文 a b s t r a c t a st h ek e yc o m p o n e n to ft h ei cd i e sb o n d e r t h er o l eo fb o n d i n gh e a dm a c h i n ei s t op i c ku pt h ei cc h i p sw h i c hh a v e b e e nc u td o w ni n t op i e c e so nt h ew a f e r d e l i v e ra n d p l a c et h e mi n t ot h el e a df r a m e s oi tc a nm a k es u r ec h i p sa r ef i x e df i r m l y t h eb o n d i n g h e a dm a c h i n en e e d st of e t c hb e t w e e n p i c k i n ga n dw e l d e rp o i n ta c c u r a t e l y q u i c k l ya n d s t a b l y r e a l i z i n gp i c k i n g d e l i v e r i n ga n db o n d i n ga c t i o n s t h i sp a p e ro b j e c t si nt h eb o n d i n gm a c h i n eo fd o u b l es l i p p e rb l o c k sp a r a l l e lp l a n e m e c h a n i s mo f2 d o fi cd i e sb o n d e r i no r d e rt or e a l i z et h eq u i c k p r e c i s ea n ds t e a d y c o n t r o lo ft h eb o n d i n gm e c h a n i s m a c c o r d i n gi t sw o r k i n gr e q u i r e m e n t s t h i sp a p e r c a r r i e so nt h er e s e a r c ho fd o u b l es l i d e rb l o c k s p a r a l l e lp l a n em e c h a n i s mw h i c h i n c l u d e sd e t a i l e dr e s e a r c ho fi t sk i n e m a t i c s t r a j e c t o r yp l a n n i n ga n dm o t i o nc o n t r o l s y s t e m f i r s t l y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fo v e r s e aa n dd o m e s t i co f d i eb o n d e r a n dd i s c u s s e st h er e s e a r c hs t a t u sa n dt h eg e n e r a lm e t h o d so ft r a j e c t o r y p l a n n i n g t h e n b yu s i n gt h ej a c o b i a nm a t r i x t h i sp a p e ra n a l y z e st h es i n g u l a r i t yo ft h e b o n d i n gh e a dm a c h i n eo fd o u b l es l i p p e rb l o c k sp a r a l l e lp l a n em e c h a n i s m o b t a i n st h e s i n g u l a r i t i e s d e s c r i b e s t h e w o r k i n gs p a c e e s t a b l i s h e s t h e g e o m e t r i c c o n s t r a i n t m a t h e m a t i cm o d e la n di n d u c e st h ei n v e r s em o t i o ne q u a t i o n w h i c hm a k e st h e t h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt r a je c t o r yp l a n n i n g s e c o n d l y b a s e do nb a s i cp r i n c i p l eo ft h et i m e o p t i m a lt r a j e c t o r yp l a n n i n ga n d c a l c u l a t i o nm e t h o do ft h eb s p l i n ec u r v e a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gp a t h s s p e e da n d a c c e l e r a t i o nc o n s t r a i n tc o n d i t i o no fs e r v om o t o r c o n s t r u c t i n gt h em o t i o nt r a j e c t o r yb y u s i n gb s p l i n ec u r v ea n dm a k i n gu s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c so fs e c t i o n a lt r e a t m e n t t h i s p a p e rf i n a l l yi n d u c e st h et i m e o p t i m a lc u r v ee q u a t i o no fm o t i o nt r a j e c t o r yo fb o n d i n g h e a dm a c h i n e f i n a l l y t h ep a p e ru s e st h em o t i o nc o n t r o le x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw h i c hi ss e t u p b yt h em o t i o nc o n t r o lc a r da n ds e r v om o t o r s c o n f i g u r e st h es y s t e mp a r a m e t e r s i i a b s t r a c t a c c o r d i n gt h ee x p e r i m e n tr e q u i r e m e n t d e v e l o p st h em o t i o nc o n t r o ls y s t e mp r o g r a mb y u s i n gt h ev c s o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n dm o t i o nc o n t r o lc a r dl i b r a r y a n d r e a l i z e st h eo n l i n ec o n t r o l l i n go ft h ep a r a l l e lb o n d i n gh e a dm e c h a n i s m k e y w o r d s i cb o n d e r p a r a l l e lm e c h a n i s m b s p l i n e t r a j e c t o r yp l a n n i n g m o t i o n c o n t r o l i i i 独创性声明 独创性声明 秉承学校的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 论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己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 指导老师签名 左q 惠 日 夕 1 j 氰 月 磐 石 者 u l 雠 年 文 吣 论 加 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景 第一章绪论 微电子半导体制造是当今世界竞争最激烈发展最迅速的领域 其产业规模和 技术水平己成为衡量一个国家综合国力的重要标志之一 微电子制造的核心在于 芯片元件的制造 芯片是信息时代最重要的基础产品之一 如果把石油比作传统 工业的血液的话 那么芯片则是信息时代i t 产业的心脏和大脑 随着微电子技 术的快速发展 电子集成度的提高 市场竞争的加剧 对芯片制造技术提出了愈 来愈高的要求 特别是对相关制造设备的高速高精要求 i c 芯片封装设备由精密机械结构 电气控制和图像识别及光电检测部件等组 成 包括感知和控制外界信息的传感器 如 位置 速度 力 光 磁 热 气 等 和执行器 充分表现出多学科前沿的高度综合和渗透 l i c 芯片粘片机是微 电子封装后工序中的重要设备之一 它是一个将晶圆 w a f e r 上己切割分离成一片 片的i c 芯片逐个吸起 传送并放置到引线框架上的设备 随着i c 封装技术的发 展 i c 芯片粘片机的粘片速度越来越快 定位精度也越来越高 目前国外最先进 的i c 芯片粘片机的运行速度已达2 0 0 0 0 次 d 时 定位精度为微米级 i c 封装技术发源于美国 现在欧美 日本 亚洲等国家和地区从事i c 封装 研究开发的大学 研究所 工厂很多 并且i c 封装的水平也处于世界领先地位 封装的产品主要是一些高端产品 如 b g a c s p m c m s i p 等 2 3 j 其封装 设备也处于世界领先水平 而且各国对封装设备的研究也大力支持 美国在 n s f 美国国家科学基金会 的资助下 于1 9 9 4 年在乔治亚理工学院 g e o r g i a i n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y 建立了国际开放中心 该中心与各专业机构 工业组织有 密切的联系与合作 综合实力强大 日本依靠其强大的产业基础 在通产省的支 持下 以骨干企业为中心 联合大学 科研机构正鼎力进行电子封装及其设备的 研究开发 仅日本封装学会 j i e p 下就有会员2 5 0 0 余人 台湾义守大学 香港 科技大学 新加坡国立研究所等都建立了i c 封装中心 广东工业大学硕士学位论文 1 1 1ic 粘片机的国内外发展现状 由于欧美 日本 亚洲等国家和地区基础工业发达 并且从事i c 封装的时间 很长 再加上政府的支持 i c 工业的投入资金远大于其他制造业 据估计在九十 年代 发达国家用于i c 工业的资金约为其他制造业的五倍左右 远非其他发展 中国家可比 因此目前先进的i c 封装设备基本上被这些国家和地区的大公司所垄 断 如美国的k s 瑞士的e s e c 日本的t o s o k n e c 荷兰 香港 的a s m 韩国的t s m 等 i c 封装设备已达到的有关技术参数是 定位精度5 1 0pm 运 动精度3 0 4 0l am 加速度6 1 0 9 焊头往返速度达到1 5 0 0 0 一2 0 0 0 0 次川 时 下表为部分外国粘片机的技术指标 表1 1 外国粘片机的技术指标 t a b l e l 1t e c h n i ci n d e xo ff o r e i g ni cc h i pd i e 公司工作周期焊头往返粘焊精旋转引线框 产品名称备注 名称 s e c p c s速度u p h 度t am精度 架形式 a d 8 2 8a s m0 2 51 4 0 0 2 5 4 3 段式荷兰 香港 a d 8 9 3 0a s m0 21 8 0 0 0 3 8 3 段式荷兰 香港 i s d 1 0 0 0 i t m o 2 41 5 0 0 0 3 0 3 o 段式南韩 2 0 0 8 h se s e c0 4 51 0 0 0 0 3 7 5 3 段式 瑞士 2 0 0 8 x s ce s e c0 4 58 0 0 0 3 5 3 段式瑞士 a d 8 9 3 0 ua s m0 1 82 0 0 0 0 3 8 3 卷带式荷兰 香港 c p s 5 0 0 n xn e c 0 1 8 2 0 0 0 0 3 8 3 卷带式 日本 我国i c 封装设备制造业起步较晚 再加上加工 设计能力差 并且相关的基 础理论缺乏 因此i c 芯片粘片机与其他发达国家相比 总体水平与国外先进水平 相差2 4 代 为此国家对i c 封装设备的研究给予了大力的支持 目前 国内从事i c 芯片粘片机的研究机构和制造企业也很多 中电集团4 5 所 清 华大学 复旦大学 上海交通大学 广东工业大学 深圳翠涛自动化设备有限公 司 大连佳峰电子有限公司等 下表为部分企业粘片机的技术指标 第一章绪论 表i 2 国内粘片机的技术指标 t a b l e l 2t e c h n i ci n d e xo fd o m e s t i ci cc h i pd i e 单位 产品型号 焊头速度u p h粘焊精度u m 旋转精度 引线框架形式 名称 d b 8 0 0 2 中电4 5 所 7 0 0 0 7 0 5 段式 t 0 9 2 广东工业大学 8 0 0 0 3 5 3 段式 s s d t 0 l 大连佳峰电子 4 8 0 0 5 0 3 段式 h s d c 0 1 大连佳峰电子 9 0 0 0 5 0 3 段式 骚一1 0 2 q j 大连佳峰电子 9 0 0 0 3 0 3 段式 1 1 2 广东工业大学全自动ic 芯片粘片机 全自动i c 芯片粘片机由晶匾供送 引线框架供送 芯片吸拾 芯片传递 芯 片粘焊 引线框架装盒和辅助拾片的顶针等精密结构部件组成 由多个微型电动 机完成精密的动力驱动 通过开放式计算机系统和相关的硬件和软件实现运动控 制 系统控制和协调 使用位置和光学传感元器件检测各方面动作 采用c c d 图像识别技术来实现芯片的全自动识别和筛选等 全自动i c 芯片粘片机是广东工业大学课题组研究开发出来的 该项目研 究主要集中于机构学 运动学 动力学 控制策略 图像识别 计算机控制等几 个领域 针对i c 芯片粘片这一制约半导体元器件生产企业发展的关键问题 综合 应用现代信息技术 并联机构技术 人工智能技术 现代设计理论 快速结构设 计技术 虚拟原型的数字化仿真技术等 研究成果己应用于广州半导体器件有限公 司 1 2 轨迹规划概述 轨迹规划是机构学研究中的一个重要方面 一般说来 一种机构要完成所规 定的任务要进行轨迹规划 特别对于多自由度机构来说 传统的轨迹规划分为两 种 一种是关节空间的规划 另一种是在笛卡尔空间的规划 这两种方式各有其 优缺点 关节空间的轨迹规划相对要简单 而且一般不会出现奇异位形 但是其 末端的运动轨迹不直观 笛卡尔空间的轨迹规划则比较直观 但在规划过程中容 广东工业大学硕士学位论文 易进入机器人的奇异位形 同时其运动学反解也相对复杂 目前工业机器人常用 的方法是一种示教法 也就是在机器人的运动轨迹上取一些关键点 记住这些点 所对应的关节坐标 然后在每两个关键点之间进行插补 显然 要想使末端执行 器严格的按照所要求的轨迹运动 则必须取得足够多的点 在实际应用中往往需 要操作机器人沿着大量的 复杂的空间轨迹进行运动 如果每一轨迹都要进行示 教 可想而知工作量是巨大的 机器人的运动轨迹一般都是圆弧或直线 而对复 杂的运动往往用样条函数进行拟合 已有许多学者在这方面做了大量的研究工作 较常用的样条函数为三次样条函数和非均匀有理b 样条函数 n u r b s 后者因 为其对所有的样条曲线都有统一的表达形式 正在取代其它样条函数成为主流 但是其表达式相对较为复杂 1 2 1 轨迹规划的研究现状 在轨迹方面 国内外的学者做了大量的研究 主要表现在轨迹规划方法的研究 上 y o u c e ft o u m i 5 1 提出了机器人高速轨迹控制方法 l u h 和l i n 6 提出三次样 条函数法来描述手的运动 任敬轶 7 j 通过对螺旋理论和空间样条曲线生成原理的 有机结合 给出了一种新颖的笛卡尔空间的机器人轨迹规划方法 还有就是轨迹 规划时间最优的问题 k a h n 和r o t h 8 研究机器人p t p 移动轨迹时间最优规划问 题 但作了不少假设和近似 k i n 和s h i n 9 提出了关节空间的最优时间路径规划 钱东海 l o 对沿着特定路径运动的机器人的时间最优轨迹规划问题作深入研究 近 年来 主张采用样条函数法来进行机器人运动轨迹规划的学者比较多 c h a n g y h 和 l i n c s 等人提出了轨迹规划的三次样条函数法 但此法需要解一个 n 一2 n 一2 的三对角方程组 n 为轨迹中间点数目 当n 较大时 此法所需计算量也较大 p a u l l l 和l e e 等人分别在文献中提了4 3 4 和3 3 3 3 3 轨迹规划法 这两种 方法的优点是 简单 直观 当对中间段轨迹点无特殊运动要求时 使用这两种 方法效果较好 但其主要缺点是 由于轨迹中间段是采用三次样条函数来拟合 故其中间点的速度是由边界条件所决定 因而无法对中间点的运动实验控制 1 2 2 轨迹规划的一般方法 轨迹规划既可在关节变量空间中进行 也可在笛卡尔空间中进行 但是所规 划的轨迹函数都必须连续和平滑 这就需要考虑运动学约束 运动学约束包括速 度 加速度等约束 来源于机器人的物理性能或作业要求 此外 机器人的运动 4 第一章绪论 应该平稳 不平稳的运动将使机械部件的磨损加剧 并导致操作臂的振动和冲击 这就需要考虑控制约束 即要求产生的轨迹一次或二次可导 控制约束对于机器 人平滑无振动地运行而且保证精度是重要的 在关节空间进行规划时 是将关节 变量表示成时间的函数 并规划它的一阶和二阶时间导数 在笛卡儿空间进行规 划是指将手部位姿 速度和加速度表示为时间的函数 而相应的关节位移 速度 和加速度由手部的信息导出 通常通过运动学反解得出关节位移 用逆雅克比求 出关节速度 用逆雅克比及其导数求出关节加速度 在关节空间进行轨迹规划是 由于轨迹规划直接对应于控制变量 所以运动学约束常在关节空间描述 因此具 有计算快容易实现等优点 所以 常规的机器人点对点运动时一般在关节空间进 行轨迹规划 而笛卡儿空间轨迹规划法有与环境模型直接对应及轨迹运行精度易 得到保证等优点 因此连续轨迹规划一般在笛卡儿空间进行 在给出各个路径结 点后 轨迹规划的任务包含解变换方程 进行运动学反解和插值运算等 在关节 空间进行规划时 大量的工作是对关节变量的插值运算 1 2 3 轨迹插值的简介 搬运机器人的工作是要把物体从a 点移动到b 点 至于移动过程中多经过 的路径可不加限制 而焊接机器人的工作是要对a 点到b 点之间的接缝进行焊 接 为了提高焊接精度 对机械手的移动轨迹加以限制 必须在a b 两件之间 沿接缝进行 搬运机器人从a 点向b 点移动的重复进行的控制称为p t p 控制 p o i mt op o i n tc o n t r 0 1 这种控制只限于从一点到另一点 至于途中所经过的路 径是不重要的 焊接过程中对机器人手臂从一点到另一点的移动轨迹做出严格控 制的称为c p c o n t i n u o u sp a t hc o n t r 0 1 控制 实现c p 控制时 必须进行位置控 制 并且时对目标坐标的连续控制 但是 要指定全部路径需要存储非常大量的 目标坐标 这是如果采用传统的模拟式位置随动系统 精度将变差 这是c p 控 制的不足之处 于是不直接进行连续轨迹 c p 的控制 而是在a 点和b 点 之间设置了c d e 等多个目标点 就像踩着几个石头过一条小溪一样按顺序 进行p t p 控制 可以认为这是一种近似的c p 控制 确定a b 两点之间的c d e 各点的坐标的过程称为插值或插补 1 2 4 机器关节插值轨迹 为了控制机械手 在规划运动轨迹之前 需要给定机器人在初始点和终止点的手 广东工业大学硕十学位论文 臂形态 p u a l 指出 在规划机器人关节插值运动轨迹时 需要注意下述几点 1 2 1 抓住一个物体时 手的运动方向应该指向离开支持表面的方向 否则 手可 能与支持面相碰 2 若沿支持面的法线方向从初始点向外给定一个离开位置 提升点 并要求手 即手坐标系的原点 经过此位置 这种离开运动就是允许的 如果还给定由初 始点运动到离开位置的时间 我们就可以控制提起物体的速度 3 对于手臂运动提升点的要求同样也适用于终止位置运动的下放点 即必须先 运动到支持表面外法线方向上的某点 再慢慢下移到终止点 这样 可获得和控 制正确的接近方向 4 综合起来 对手臂的每一次运动 我们都是四个点 初始点 提升点 下放 点和终止点 见图1 4 图1 4 关节轨迹的位置条件 f i g 1 4p o s i t i o nc o n d i t i o n so f j o i n tt r a j e c t o r y 5 位置约束 初始点 给定速度和加速度 一般为零 提升点 中间点运动的连 续 下放点 同提升点 终止点 给定速度和加速度 一般为零 6 除上述约束外 所有关节轨迹的极值必须不超出每个关节变量的物理和几何 极限 7 时间的考虑 轨迹的初始段和终止段 时间由手接近和离开支持表面的速率 决定 也是由关节电机特性决定的某个常数 轨迹的中间点或中间段 时间由各 关节的最大速度和加速度决定 将使用这些时间中的一个最长时间 即用最低速 关节确定的最长时间来归一化 6 第一章绪论 表1 3 规划关节轨迹的约束条件 t a b l e l 3l i m i t i n gc o n d i t i o n so fp l a n n i n gt r a j e c t o r y 1 位置 初始位置2 速度 给定 通常为零 3 加速度 给定 通常为零 4 提升点位置 给定 5 提升点位置 与前一段轨迹连续 6 速度 与前一段轨迹连续 7 加速度 与前一段轨迹连续 中间位置 8 下放点位置 给定 9 下放点位置 与前一段轨迹连 1 0 速度 与前一段轨迹连续 1 1 加速度 与前一段轨迹连续 1 2 位置 给定 终止位置1 3 速度 给定 通常为零 1 4 加速度 给定 通常为零 关节轨迹的典型约束条件列于上表1 3 中 在这些约束之下 我们所要研究 的是选择一种n 次 或小于n 次 上满足对位置 速度和加速度的要求 并使关 节位置 速度和加速度在整个时间间隔 t f 中保持连续 一种方法是为每个关 节规定一个七次多项式函数 q i t a 7 t 7 a 6 t 6 a 5 t 5 a 4 t 4 a 3 t 3 a 2 t 2 a 1 什a o r 11 式中 未知系数a j 可由已知的位置和连续条件确定 可是 用这种高次多项 式内插定的结点也许不能令人满意 它的极值难求 而且容易产生额外的运动 另外一种办法是将整个关节空间轨迹分割成几段 在每段轨迹中用不同的低次多 项式来插值 文献1 3 4 j 给出的方法4 3 4 关节轨迹 3 5 3 关节轨迹和五段三 次关节轨迹 在关节空间中进行轨迹规划 需要给定机器人在起始点和终止点手 臂的位形 对关节进行插值时 应满足一系列的约束 例如抓取物体时 手部运 广东工业大学硕上学位论文 动方向 初始点 提升物体离开的方向 提升点 放下物体 放下点 和停止 点等结点上的位姿 速度和加速度的要求 与此相应的各个关节位移 速度 和 加速度在整个时间间隔内连续性要求 其极值必须在各个关节变量的容许范围之 内等 在满足所要求的约束条件下 可以选取不同类型的关节插值函数 生成不 同的轨迹 1 3 本课题研究的主要工作 课题来源 i c 封装机焊头部件设计理论与方法研究 国家基金 5 0 2 7 5 0 2 9 高速 高精度芯片粘片机关键技术研究 省基金 0 4 3 0 0 15 5 本文以双滑块平面并联机构二自由度粘片机焊头机构为研究对象 为了把该 焊头机构更好地应用到粘片机 实现对粘片机的运动控制 因此有必要对焊头机 构进行运动学分析 然后在机构的运动学分析的基础上 对焊头的工作运动轨迹 进行规划 为完成上述研究 本文主要做了以下工作 1 对双滑块平面并联机构进行运动学分析 包括机构的奇异位形分析 工 作空间分析 建立双滑块平面并联机构的运动学反解方程 为后面的轨迹规划提 供了理论指导 2 利用时间最优轨迹规划的方法 采用三次b 样曲线对焊头运动轨迹进行 规划 在满足速度 加速度连续性和速度 加速度的极值在伺服电机动态特性所 限制的范围内 求解焊头时间最优运动轨迹曲线 3 建立双滑块平面并联机构控制系统 对控制系统参数进行合理设置 运 动用v c 和运动控制卡的库函数编写运动控制软件 对焊头的运动轨迹进行在 线控制 第二章双滑块平面并联焊头机构运动学 第二章双滑块平面并联焊头机构运动学 机构的运动学研究主要包括 运动学正逆解 工作空间 特殊形位分析 主 要参数为焊头的位置 速度 加速度等 其中运动学的正解是指已知各个驱动电 机的转角 速度 求焊头的位置 速度 加速度 运动学逆解则恰恰相剧3 4 1 并 联机构的运动学逆解较为容易而运动学正解比较困难 这一点与串联机构不同 本章将分析双滑块平面并联焊头机构的奇异性 工作空间 并建立其运动学 方程逆解 为双滑块平面并联焊头机构的轨迹规划提供重要的理论依据 2 1 双滑块平面并联焊头机构简介 作为i c 芯片粘片机的关键部件 焊头运动机构的作用是将晶园 w a f e r 上己 切割分离成一片片的i c 芯片逐个吸起 传送并放置到引线框架上 使得芯片在引 线框架上被粘焊固赳1 3 焊头机构需要精确 快速 平稳地往返于拾片 p i c k 和粘片 b o n d 两个位置 实现拾取 传送和粘焊芯片等动作 l 训 随着i c 封装技术的发展 要求i c 芯片粘片机的粘片速度越来越快 定位精 度越来越高 传统上i c 芯片粘片机是采用串联机构 定位误差具有迭加性 定位 精度不耐1 5 同时 由于焊头在垂直平面内两自由度运动的要求 通常采用两个 电机分别驱动 必然有一个电机安装在另一个电机驱动的运动机构上跟随运动 导致运动部件的质量大 焊头的运动惯量也相应增大 不利于粘焊速度的提高 为了克服这些缺点 提高i c 芯片粘片机的运行速度和定位精度 广东工业大学课 题组研究设计了双滑块平面并联焊头机构 双滑块平面并联焊头机构是一种新型的并联粘片机焊头机构 它将并联机构 引入i c 芯片粘片机的焊头结构设计中 它的两个驱动电机都安装在固定不运动的 机架上 能实现平面双自由度运动 具有负载能力强 高速度 高精度 刚度大 运动惯量低等并联机构的优点 9 广东工业大学硕士学位论文 图2 i 两自由度并联平面机构 f i g 2 1p a r a ll e lp l a n em e c h a n i s mw i t hd o u b l ed e g r e eo ff r e e d o m 图2 1 为课题组设计的两自由度并联平面机构 为了使结构紧凑 将两个驱 动电机上下并排放在左侧面 通过连轴结与两个滚珠丝杠相连接 左右两个挡板 上都开有轴承孔 用来支撑两个滚珠丝杠 两个滚珠丝杠的螺母通过螺钉与两个 滑板固定连接在一起 滑板又与直线导轨的滑块固定连接 电机起动后会带动丝 杠一起转动 然后转化为丝杠螺母的直线运动 滑板 滑块就和丝杠螺母一起沿 着直线导轨做直线运动 为了满足吸嘴座始终作平行于导轨的平动要求 需要一个支链中含有平行四 边形机构 为了解决这个问题 设计了如图2 2 2 3 所示的机构 左连接块 销轴 图2 2 平行四边形结构 f i g 2 2s t r u c t u r eo fp a r a l l e l o g r a m 1 0 连杆 第二章双滑块平面并联焊头机构运动学 如图2 2 所示 其中左边的支链包括两个连杆 连接件固定在两个滑板的下 面 左右连接件上都开有轴承孔 其中左连接件上开有相互平行的两排轴承孔且 与右连接件上的的轴承孔平行 连杆上端通过销轴与左 右两支链相连接 这样 可以保证连杆围绕销轴在平面内转动 图2 3 吸嘴座 f i g 2 3p e d e s t a lo fn o z z l e 吸嘴座的结构如图2 3 所示 由三个部件组合而成 上面开有三排相互平行 的轴承孔 并且使左边两个平行孔之间的距离与左连接件上两个平行轴承孔之间 距离相等 以保证左支链为平行四边形 连杆的另一端也是通过销轴与吸嘴座相 连接 由于该设计在结构上保证了左边的支链为平行四边形机构 所以可以实现 吸嘴座始终与导轨平行 广东t j k 大学硕士学位论文 2 2 双滑块平面并联焊头机构的奇异性分析 双滑块平面并联焊头机构是一种双滑块形式的两自由度机构 它的机构简图 如图2 4 所示 o y 图2 4 双滑块平面并联焊头机构简图 f i g 2 4t h ed o u b l e s li d e rp a r a ll e lp l a n em e c h a n is m 双滑块平面并联焊头机构的奇异性可以通过j a c o b i a n 矩阵分析 这里将给出 出现奇异性的条件 并得出双滑块平面并联焊头机构的奇异性 图2 4 中c 点的 位置为 p 吃 置c o s 0 1 2 1 y r 1s i n 0 一 7 其中x a x b 满足以下约束方程 上式中q 0 2 为r l r 2 与x 轴正方向的夹角 将 2 1 式对时间求导数 并且将 2 2 式对x a x b 求偏微分联立 2 1 2 2 得到 1 2 22 包 oc r 棚 虬 易恐 吣 即崛 吼 r 第二章双滑块平面并联焊头机构运动学 阡 1 sin 0 2c o s 0 1s i n 0 2c o s 0 1 s i n 0 2 0 s i n o z 一0 c o s 0 2c o s o ls i n 0 2c o s 0 1 s i n o z 0 1 s i n 0 z 一0 1 2 3 ja c obian 矩阵的行列式值为 d e t j c o s0 2 c o s 0 1 2 4 s i n 0 一a 由 2 4 式可知 当c o s 0 1 0 或c o s 0 2 0 时 连杆与导轨垂直 d e t j o 此 时j a c o b i a n 矩阵非满秩 矩阵为奇异矩阵 机构出现第一种奇异位形 如图2 5 a 所示 a r b j 7 r r o y 图2 5 双滑块两自由度机构的奇异位形 f i g 2 5t h es i n g u l a rc o n f i g u r a t i o no ft h ed o u b l e s l i d e rp a r a l l e lp l a n e m e c h a n i s m 这种奇异位形也即是输入奇异其条件为 q 乏或q 丝2 0 2 三或吼 孚 当s i n 0 2 一q o 时 d e t j o o 机构出现第二种奇异位形 如图2 5 b 所示 这种奇异位形也即是构形奇异其条件为 0 1 0 2 或q 0 2 7 r 出现第一种奇异位形也就是r l r 2 与导轨垂直的情况 如果不考虑机构的 干涉问题 这种奇异不会影响双滑块平面并联焊头机构的运动性能 只是在运动 学逆解的过程中输入奇异的存在会导致运动学参数的解不确定的情况 然而 出 广东工业大学硕士学位论文 现第一种奇异位形时 滑块a b 重叠在一起 这时双滑块平面并联焊头机构发 生干涉现象 所以 必须避免这种奇异的出现 出现第二种奇异位形也就是r l r 2 拉直或重叠的情况 这种奇异也就是机构处于死点位置 机构不可控的情况 因此 必须避免这种奇异的出现 综合上面对奇异位形的讨论结果 双滑块平面并联焊头机构的奇异位形出现 在两种情况 一是r l r 2 与导轨垂直的情况 二是r l r 2 拉直或重叠的情况 这两种情况都是必须避免出现的 2 3 双滑块平面并联焊头机构运动的限制条件分析 为避免出现这两种奇异位形 滑块必须满足一定的运动条件 双滑块平面并 联焊头机构如图2 4 所示 为了避免出现第一种奇异位形而发生干涉现象 滑块 a 与滑块b 在同一水平面上的导轨上滑动时 滑块a 只能在滑块b 的左边滑动 滑块b 也只能在滑块a 的右边滑动 也就是说两个滑块在运动过程中 不能交叉 运动或在导轨的某一位置重叠 否则两滑块将发性碰撞 在双滑块平面并联焊头机构中 滑块实际运行的导轨是有长度限制 假定导轨 的长度为l 根据双滑块平面并联焊头机构的设计 连杆r 1 r 2 之和小于导轨长 度 即r l r 2 l 因此 两滑块在导轨上运动时 完全有可能出现第二种奇异位 形 使得r l r 2 拉直 为了避免第二种奇异位形出现 滑块a 与滑块b 在导轨 行程范围内运动时 两滑块的相对位移不能大于两连杆r l r 2 之和 否则会对机 构造成破坏 综上所述 在双滑块平面并联焊头机构中 左右滑块不能交叉运动或重叠 并且左右滑块相对运动时 两者间的距离不对大于连杆r l r 2 的长度之和 所 以 在双滑块平面并联焊头机构中 滑块的运动是有条件限制的 滑块a 与滑块 c 在导轨的行程范围内没有任意的相对位置关系 否则将可能出现r l r 2 拉直 或重叠的情况 滑块的运动限制条件可以用关系式表示为 誓弛 2 5 五一x o r 1 r 2 2 2 r 1 4 第二章双滑块平面并联焊头机构运动学 2 4 双滑块平面并联焊头机构的工作空间分析 双滑块平面并联焊头机构的工作空间可结合图解法和轨迹方程来确定 如图 2 4 所示c 点轨迹方程 x x a 2 y 2 r 1 2 r 2 x c x b 2 y 2 r 2 2 r 2 其中x x b 是两个由伺服电机独立的输入变量 x x b 工作空间应是两 杆所能同时够及的区域 相对于每一个特定的输入变量x x b c 点轨迹是圆心 0 半径r 的圆与圆心 x b 0 半径r 的圆交点 而x x b 又在一定的范围内变 动 因此 可以根据导轨l 以及两连杆r l r 2 的尺寸关系得到双滑块平面并联 焊头机构的工作空间 连杆r l r 2 的尺寸相同 长度值为r 导轨长度为l 如图2 6 所示 双滑 块平面并联焊头机构的工作空间的边界是由直线和圆弧所围成 左边的一段圆弧 的圆一l i o 0 半径r 右边的一段圆弧的圆心 l 0 半径r 上边界线的纵 坐标为0 下边界线的纵坐标为r 结合本章前面的讨论结果可知 工作空间的上 下边界为奇异位置 根据滑 块的运动限制条件 工作空间由边界内区域与左右边界组成 但不包括上下边界 如图2 6 阴影部分所示 l o y 图2 6 双滑块平面并联机构的工作空间 f i g 2 6w o r k p l a c eo ft h ed o u b l e s l i d e rp a r a l l e lp l a n em e c h a n i s m 综合上面对工作空间的讨论结果 双滑块平面并联焊头机构的工作空间有规 则的形状 没有空洞 并且边界曲线有具体的函数表达式 并且工作空间内没有 广东t 业大学硕士学位论文 奇异点 这些优点对于轨迹规划是非常好的性能 2 5 双滑块平面并联机构的运动学逆解方程 如图2 4 所示 在笛卡尔空间坐标系中将双滑块平面并联机构抽象成几何约 束关系的数学模型 需要确定3 个参数l r 1 r 2 滑块a 与滑块b 在导轨上左 右滑动 由伺服电机驱动滚珠丝杠输入 点c 为末端输出点其直角坐标 x y 建 立的坐标系x o y 原点为0 用封闭矢量等式关系可得如下数学方程式 lx a r 1 c o s 0 1 x 6 r 2 c o s 0 2 j r ls i n0 l r 2s i n 吼 2 6 x x 口 r 1c o s0 l y r ls i n0 1 上式中 q 0 2 为r l r 2 与x 轴正方向的夹角 从上面的等式中可以解出滑 块位移 速度 加速度 这样就实现了根据末端输出点的工作任务要求来确定滑 块的输入函数 从等式 2 6 可以得到他们的数学关系 10 a r c s i n 百y 恤一s i n y 足 汜7 lx a x 一墨c o s 0 1 x b x 一是c o s 0 2 1 6 第二章双滑块平面并联焊头机构运动学 s i n 0 2c o s o l s i n 0 2 0 茏 哥s i n 0 2 c o s 0 s i n 0 2 一q 2 8 将 2 7 式对时间求二阶导数 可以得到它们的加速度关系表达式 a f i r f i i s i n o 1 冠c o s 鼠 反 翌 鱼皇i 呈竺 r c o s 0 艺 j c r i o is i n o l r o i c o s o x b 5 r 2 0 2s i n 0 2 r 2 百ic o s 0 2 2 9 以上推导出的就是双滑块平面并联机构系统的逆运动学方程 我们只要知道 了其结构尺寸和装配关系 给定轨迹点的运动学函数表达式 就可以反解出两滑 块所要求的输入函数表达式这只是从数学的角度得出的理想状况即只要给定了输 出就一定可以反解出所要求的输入 2 6 本章小结 本章介绍了双滑块并联机构结构与特点 通过j a c o b i a n 矩阵对其的奇异性进 行分析 得到了它的奇异位形 当连杆与导轨垂直时 并联机构为输入奇异 表 现为两滑块重叠在一起 当连杆与导轨平行时 并联机构为构形奇异 表现为两 连杆被拉成直线 为了避免并联机构在运动中发生构形奇异 避免给机构造成破坏 经过对机 构运动的分析 得出了两滑块的相对运动约束条件为 在双滑块平面并联焊头机 构中 左右滑块不能交叉运动或重叠 并且左右滑块相对运动时 两者间的距离 广东工业大学顾士学位论文 不对大于连杆r l r 2 的长度之和 结合图解法和轨迹方程来确定了双滑块并联机构的工作空间 给出了工作空 间的示意简图 由分析得出在机构工作空间内没有奇异点 最后对双滑块并联机 构进行运动学进行分析 建立双滑块平面并联焊头机构几何约束的数学模型 得 出了滑块的位移 速度 加速度反解方程 为机构的运动轨迹规划提供了理论指 导 第三章双滑块平面并联焊头机构时间最优轨迹规划 第三章双滑块平面并联焊头机构时间最优轨迹规划 轨迹规划是机构学研究中的一个重要方面 一般说来 机构要完成所规定的 任务要进行轨迹规划 特别是多自由度机构 为了提高粘片机的粘片速度 实现 粘片机的高速高精度性能 有必要对焊头的运动进行时间最优轨迹规划 双滑块 平面并联焊头机构的时间最优轨迹规划 就是在满足工作路径要求 同时保证焊 头和伺服电机速度 加速度曲线的连续性和速度 加速度的极值在其动态特性所 限制的范围内的条件下 求出焊头运动轨迹的位移曲线 速度曲线以及加速度曲 线 然后再对轨迹曲线进行时间最小优化 提高焊头机构的工作效率 本章通过对时间最优轨迹规划方法分析比较 采用b 样条曲线对双滑块平面 并联焊头机构作轨迹规划 根据焊头的工作路径约束 速度约束 加速度约束 运用并联机构的运动学反解方程求出其运动轨迹曲线 对运动轨迹曲线进行时间 最小优化 并得出焊头时间最优的运动轨迹曲线 3 1 时间最优轨迹规划方案分析 轨迹规划方法有很多 为了选取一种合适的轨迹规划方法对本文研究的双滑 块并联机构进行时间最优规划 本节将总结以往最优轨迹规划方法 比较各种规 划方法的优劣 以此来确定本文的规划方案 为了提高机器人的生产效率和跟踪精度 机器人轨迹规划技术也在不断地发 展中 16 机器人轨迹规划算法的性能优化指标有很多 如时间最优和系统能量最 优等 其中对最优时间下机器人轨迹规划算法研究得较多 现有的大部分工作可 以被广泛地分为两类 沿着一条预设路径的最优时间动作轨迹算法 针对最优时 间下点到点 p t p 动作的优化处理算法l l 机器人的时间最优轨迹规划是指以时间最短作为性能指标并在满足各种