（机械电子工程专业论文）面向ic封装的两自由度高速精密定位系统研究.pdf

天津大学博士学位论文 中文摘要 本文以开发面向i c 封装的高速、高精度定位系统为目标，以有限元方法、 动态设计方法、机械动力学等理论为手段，系统深入地研究了两自由度笛卡尔 坐标型高速、高精度定位平台的创新结构设计、动力学建模以及控制算法等关 键技术，并建造出x y 精密定位平台样机一台。取得如下创造性成果： 口将有限元分析方法和机械系统动态仿真相结合，提出一种具有我国自主知识 产权的，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。 口提出了x y 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，在此基础上实现了对x y 定位平台的结构动态设计。 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。利用拉普拉斯变换及其反变换方法，得到了两 轴向定位平台在阶跃控制信号和脉冲控制信号下的位移动态响应函数，以及 阶跃控制信号和脉冲控制信号下的速度动态响应函数。研究了它们在不同控 制信号电压下的响应变化规律。 口建立了直线音圈电机的动态方程，提出了基于速度p i d 控制的直线音圈电机 传递函数，设计了控制器参数。在此基础上，构造了基于直线音圈电机的x 轴向定位平台机电耦合控制系统模型，深入分析了基于位置p i d 控制器的定 位平台机电耦合系统闭环控制算法。 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j 1 ( 8 6 3 计划) 专家组的验收。 关键词：x y 定位平台，i c 封装，动力学建模，机电耦合控制，直线音圈电机 摘要 a b s t r a ct i no r d e rt od e v e l o pah i 曲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 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 ek e yi s s u e sr e l e v a n tt om e c h a n i c a ld e s i g n ， d y n a m i cm o d e l i n ga n dc o n t r o la l g o r i t h mb ym e a n so fd y n a m i cd e s i g nt h e o r y ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o da n dm e c h a n i c a ld y n a m i c s 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 nd e v e l o p e d t h ef o l l o w i n gc 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 uc o m b i n i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o dw i t ht h em e c h a n i c a l s y s t e md y n a m i c s i m u l a t i o nm e t h o d ，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 h s p e e da n dh i g h p r e c i s i o nx yt a b l ep a t e n t e dh a sb e e nd e v e l o p e d an e wf l e x i b l ed e c o u p l i n g m e c h a n i s mi sp r o p o s e dt ou s ei nt h et a b l e s ot h ed r i v i n ge l e m e n tc a nb e m o u n t e do nt h eb a s ea n dt h em 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 e t a b l ei so f c 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t h ef m i t ee 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 yt a b l e t h ep e r f o r m a n c eo f 血ex yt a b l e s u b j e c t e dt od 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 l s h a p e so ft h ex yt 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 n a m i c s t r u c t u r a ld e s i g nh a sb e e ni m p l e m e n t e d uc 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 ea sh u n p e dm a s ss p r i n gs y s t e m t h e d y n a m i cm o d e lo fxa x i a l t a b l ea n dya x i a lt 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 ft 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 百y 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 a n dt h ea n a l y t i cs o l u t i o no fv e l o c i t y s t e pr e s p o n s e sa n dv e l o c i t yi m p u l s er e s p o n s e so ft h exa x i a lt a b l ea n dy a x i a l t a b l eh a v ea l s ob e e ng i v e n 口t h ed y n a m i cm o d e lo ft h el i n e a rv 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 h et r a n s f e r f u n c t i o nb a s e do nv e l o c i t yp i dc o n t r o l l e ro ft h ev o i c ec o i la c t u a t o rh a sb e e n p r e s e n t e d a n dt h ep a r a m e t e r so ft h ec o n t r o l l e rh a v eb e e nd e s i g n e d t h ev o i c e c o i la c t u a t o rm o d e lt o g e t h e rw i t ht h ed y n a m i cm o d e lo ft h em e c h a n i c a ls y s t e m a l l o w st h et r a n s f e rf u n c t i o no ft h es y s t e ma saw h o l et ob ed e v e l o p e d t h e t r a n s f e rf u n c t i o nb a s e do nd i s p l a c e m e n tp i dc o n t r o l l e ro ft h ee l e c t r o m 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 mh a sb e e np r o p o s e d i i 天津大学博士学位论文 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 曲d y n a m i c p e r f o r m a n c ea l s o c a nr e a c hv e r yh i 曲s 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 t t e eo ft h en a t i o n “ 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 tp r o g r a mo f c h i n a ( 8 6 3p r o g r a m ) k e y w o r d s ：x yt a b l e ，i cp a c k a g i n g ，d y n a m i cm o d e l i n g ，e l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n g c o n t r o ls y s t e m ，l i n e a rv o i c ec o i la c t u a t o r i i 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，也不包含为获得盘凄盘堂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：碣晒 签字日期： 釉时年g 月艿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅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：玛彩乙黪导师签名 孑专矢2 签字日期：驴d f 年月廖日签字日期：历町1 年多月矿f i 天津大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究意义及来源 i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) i 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，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，一方面是近年来设计业起 步的势头较大，另一方面，i c 产业链断裂现象己开始显现。对于i c 本身而言， 其产业链主要包括芯片设计、芯片制造和芯片封装等环节。而国内封装技术明 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【1 “。 封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密 封、保护芯片使之不受外界环境干扰和腐蚀破坏的作用，而且是沟通芯片内部 世界与外部电路的桥梁【3 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它器件连接。因此， 封装对集成电路起着重要的作用 9 】【旧1 。而引线键合( w i r eb o n d i n g ) ( 1 - 1 ) 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f 图1 - 2 ) 。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 l b o n d i n g ) 年1 楔焊( w e d g e b o n d i n g ) ( 图1 - 3 和图1 4 ) 。 芯片上电极的焊接常用球焊法，而外引线部位则用楔型热压焊 1 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口1 1 1 8 - 2 4 1 ，对i c 封装 技术也提出了更高的要求：( 1 ) 单位体积信息的提高( 高密度化) ；( 2 ) 单位时间处 理速度的提高( 高速化) 。因# l i c 封装技术也向着高度集成化、高性能化、多引线 和细间距化方向发展，高速、高精度的需求日益紧迫 2 5 - 2 8 1 。为进一步提高质量 和生产效率，对该类装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，也体现了该类作业装备向高速、高精度方向发展的趋势 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 技术发展【j “”1 。 第一章缍论 图1 - 3 球形焊接形式 图1 - 4 楔形焊接形式 在实际波雳中，多蠢出度操作嚣、精密徽位移工作台及装卡工兵等，怒瓣 装设备研究中的关键技术3 6 】。而现有的此类装备如引线键合机( w i r e b o n d e r ) 牟 1 芯 片焊接机( d i eb o n d e r ) ，多数采用串联型的直线定位工作台( 电机丝杠螺母) 机构 形式，存在运动藏豫、谈量大等不是，疆鞠了糖发、速度秘热速度瓣送一步提 高。 因此，发展具有我图自主知识产权的封装制造设备核心技术，开展基于新 鳇驱动方式、规擒形式秘整裁方法黪耨型毫速、离精度定位系统的关键技术蹬 究，是i c 带造装备中的重要研究内容之一，对键进i c 毒造技术的发展避褥稚 快我国的i c 产业化进程具有重要的懑义。 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 魏。 1 2 国内外研究状况 从结构上看，现有照鳖的封装设备如引线键合桃和芯片焊接税实质上都楚 2 天津大学博士学位论文 三自由度的往复运动机构【” ，其中的主要定位机构多为两维驱动的两自由度平 台( x y 定位平台) 1 3 8 】。由于高速和高精度的要求常常是互相矛盾的，为解决这个 矛盾，国内外的研究工作者主要集中在新的驱动方式、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精密定位平台的研 究。这也难是电子封装装备中的关键基础技术，以下将对上述几方面的国内外 发展现状进行叙述。 1 2 1 驱动方式 图1 - 5 电机丝杠式x y 定位平台 图1 - 6 电机丝杠式x y 定位平台 现有的封装类装备中很多都是采用传统的电机一滚珠丝杠式的驱动方式( 图 1 5 和图1 6 ) ，伺服电机的旋转运动是通过丝杠转为定位平台的直线运动p p ”“。 其极限加速度约为l g ，由于中间存在丝杠( 或齿轮、齿条) 这样的传动环节，无论 速度还是加速度都很有限，最大不足还体现在传动中不可避免地存在运动间隙、 惯量大、机械建立时间较长等，限制了精度、速度和加速度的进一步提高。而 机构是保证末端执行器高速精确运动的首要因素，因此研究人员不断寻找新的 机构形式来提高其性能。 采用快速、精密、高速度的直线电机，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，实现直接驱动获得高精度、高速度位移 运动，且在高速位移运动中达到极高的定位精度和重复定位精度，并可获得良 第一章绪论 图1 7 直线电磁电机驱动x y 定位平台 图1 - 8 直线电机驱动气浮轴承支撑x y 平台 图1 - 9 直线电机驱动x y 定位平台图1 1 0 压电激励器驱动精密定位平台 好的稳定性 4 2 - 4 8 。采用直线电 机直接驱动后加速度可以达 到2 5 9 以上。 如日本发明采用直线电 磁电机驱动的x y 定位平台 ( 见图1 7 ) ，可以有效地提高 定位系统的速度和可靠性阳】。 图1 8 和图1 - 9 分别为日本发 图1 - 1 1 超声波直线电机驱动x y 定位平台 明的采用不同形式的直线电机直接驱动的x y 定位平台雌o 】【5 1 1 ，省去了旋转电机 d 天津大学搏士学位论文 驱动中的传动环节，从而都不同程度地提高了x y 定位平台的性能。图l 一1 0 中 所示则为1 9 8 3 年日本精密工程界科学会议上提出的采用直流电机和压电激励器 相结合驱动的x y 定位平台 5 2 1 。图1 1 1 所示为采用超声波直线电机驱动的x y 定位平台，超声波直线电机是利用超声波振动进行驱动的电机，借助压电晶体 和弹性体( 定子) ，通过逆压电效应将电能转换为超声波振动能( 机械振动频率 ， 2 0 k i - i z ) ；利用构件的共振条件，通过定、转子之间的接触和摩擦力，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【5 3 】 5 “。采 用超声波直线电机直接驱动有效的提高了平台的速度和定位精度p “。 图1 1 2 单向采用音圈电机驱动的x y 平台图1 1 3 音阉电机驱动x y 平台 但目前存在的问题是，无论采用上述那种直线电机驱动形式，都不同程度 存在滞后、有限响应、有限加速度及速度等问题，且不同程度限制了定位精度 的进一步提高。音圈电机( v o i c ec o i l a c t u a t o r ) 是另一种可用于直接驱动的驱动元 件。它是基于安培力原理制造的，除了和直线电机一样避免了传动环节存在间 隙等不足外，在理论上具有无限分辨率，还有无滞后、高响应、高加速度、高 速度、体积小、力特性好、控制方便等优点。使音圈电机更适用于要求高加速 度，高频激励，快速和高精度定位的控制系统中【5 6 - 7 5 1 。将其用于高频启动和转 向的引线键合没备定位机构中，无疑是理想的选择。 图1 1 2 所示即为音圈电机应用在半导体加工设备中的x y 定位平台上的实 例，在该x y 定位平台单方向，即x 向采用了传统结构的音圈电机驱动，y 向 第一章绪论 则用平面直线电机驱动_ 。图1 1 3 所示为 新加坡发明的双向都采用音圈电机来驱动 的x y 精密定位平台，即在该安装有焊头 的x y 定位平台中，其x 向和y 向均采用 音圈电机进行驱动来实现焊头在水平面上 的两自由度运动【7 ”。又比如美国b e i t e c h n o l o - g i e s 公司的音圈电机也有用在x y 定位平台上的成功范例f 见图l 1 4 ，”。图1 - 1 4 b e i 公司音圈电机用于x y 平台 1 2 2 机构形式 现有的半导体封装设备中，两自由度定位平台( x y 平台) 大多数沿用的是电 机一丝杠结构形式( 见图1 - 5 和图1 - 6 ) 。在此类机构形式中，x 向驱动伺服电机 的旋转运动通过x 向丝杠转换为定位平台x 轴向的直线运动，使定位平台沿x 向导杆或导轨在x 轴向上运动；y 向驱动伺服电机的旋转运动通过y 向丝杠转 换为定位平台y 轴向的直线运动，使定位平台沿y 向导杆或导轨在y 轴向上运 动，从而实现定位平台在平面上两自由度方向上的运动【3 ”“。 为克服电机一丝杠结构形式中由于存在传动环节而带来的定位平台性能上 的不足，许多研究工作者提出采用直线电机来代替旋转电机作为驱动元件。如 t a k u ok o n d o 49 】等人发明用直线电磁电机直接为x y 定位平台提供电磁驱动力 ( 见图1 7 ) 。在该机构中，相对运动元件配置在平台外部两侧，中间运动元件配 置在上述相对运动元件之间，并且配有导向装置来使相对运动元件和中间运动 元件实现相对运动。采用这样的机构形式，不仅通过替代丝杠机构提高了操作 速度、提高了寿命、避免了灰尘的产生，而且减小了尺寸，使结构更加紧凑。 而m a n a b uo k a d a i ”】发明的直线电机直接驱动x y 定位平台机构中( 见图1 8 1 ，x 轴向直线电机驱动定位平台沿着x 轴向滑块导轨在x 轴向上运动，y 轴向直线 电机驱动定位平台沿着y 轴向滑块导轨在y 轴向上运动。在x 轴向和y 轴向滑 块导轨中，滑块分别通过气浮轴承与导轨配合。这样的机构形式降低了摩擦， 避免了灰尘的产生，提高了寿命，提高了定位精度。t a k e os u z u k i ”1 等人发明的 x y 平台( 见图1 9 ) ，除了用直线电机来代替原来的电机一丝杠一螺母结构来确保 定位精度外，通过把直线电机的电枢直接配属在x 向和y 向的移动工作台的支 撑台上，把移动元件配属在x 向和y 向的移动平台上，不仅提高了平台的定位 筇一章绪论 则用平面直线电机驱动7 ”。图1 1 3 所示为 新加坡发明的双向都采用音圈电机来驱动 的x r 精密定位平台，即在该安装有焊头 的x y 定位半台中，其x 向和y 向均采用 音圈电机进行驱动来实现焊头在水平面上 的两自由度运动7 ”。又比如美国b e i t e c h n o l o g i e s 公司的音圈电机也有用存x y 定位平台上的成功范例r 见图1 - 1 4 ) 7 ”。 图1 - 1 4 b e i 公司音圈电机用于x y 平台 1 2 2 机构形式 现有的半导体封装设备中，两自由度定位平台( x y 甲台) 大多数沿用的足电 机一丝杠结构形式( 见图1 5 和图1 6 ) 。在此类机构形式中，x 向驱动伺服电机 的旋转运动通过x 向丝杠转换为定位平台x 轴向的直线运动，使定位平台沿x 向导杆或导轨在x 轴向上运动；y 向驱动伺服电机的旋转运动通过y 向矩杠转 换为定位平台y 轴向的直线运动，使定位平台沿y 向导杆或导轨在y 轴向上运 动，从而实现定位平台在平面上两自由度方向上的运动u ”“。 为克服电机丝杠结构形式中由于存在传动环节而带来的定位平台性能上 的不足，许多研究工作者提出采用直线电机来代替旋转电机作为驱动元件。如 t a k u ok o n d o _ 4 ”等人发明用直线电磁电机直接为x y 定位平台提供电磁驱动力 ( 见图1 7 ) 。在该机构中，相对运动元件配置在平台外部两侧，中间运动元件配 置在上述相对运动元件之问，并且配有导向装置来使相对运动元件和中间运动 元件实现相对运动。采用这样的机构形式，不仅通过替代丝杠机构提高了操作 速度、提高了寿命、避免了灰尘的产生，而且减小了尺寸，使结构更加紧凑。 而m a n a b uo k a d a t ”j 发明的直线电机直接驱动x 、r 定位平台机构中( 见陶18 1 ，x 轴向直线电机驱动定位平台沿着x 轴向滑块导轨在x 轴向上运动，y 轴向直线 电机驱动定位平台沿着y 轴向滑块导轨在y 轴向r 运动。存x 轴向和y 轴向滑 块导轨中，滑块分别通过气浮轴承与导轨配合。这样的机构形式降低了摩擦， 避免了灰尘的产生，提高了寿命，提高了定位精度。t a k e os u z u l d ”l 等人发明的 x y 平台( 见图1 9 ) ，除了用直线电机来代替原来的电机一丝杠一螺母结构来确保 定位精度外，通过把直线电机的电根直接配属在x 向和y 向的移动工作台的支 撑台上，把移动元件配属在x 向和y 向的移动平台上，不仅提高了平台的定位 撑台上，把移动元件配属在x 向和y 向的移动平台上，不仅提高了平台的定位 天津大学博士学位论文 精度，而且使平台可以实现高加速和高减速运动。在该定位平台结构中，x 向移 动平台通过x 向导轨安装在x 向平台基座上，y 向移动平台通过y 向导轨安装 在y 向平台基座上，在y 向移动平台顶部装有顶部平台可以和y 向移动平台一 起在x 轴向上移动。x 轴向和y 轴向运动驱动直线电机的电枢分别配属在x 向 和y 向移动平台的基座上，相应的电机移动元件配属在x 向和y 向的移动平台 上。通过这样的结构形式，可以使顶部平台具有很高的定位精度，而且可以在 高加速和高减速下运动。 在1 9 8 3 年的日本精密工程科学会议上提出通过压电激励器来驱动平台进行 精密定位( 见图1 - 1 0 ) 。该机构中，用两个直流电机驱动粗定位平台分别在x 向和 y 向运动实现粗定位，粗定位平台的运动范围为1 2 0 m m 1 2 0 m m ，粗定位精度可 达到5 9 i n ；将精定位平台安装在粗定位上，并由安装在粗定位平台和精定位平 台内部槽里的3 个圆柱型压电激励器来驱动，实现精定位，精定位平台在x 轴 向和y 轴向的最大运动范围都为士8 9 m ，最大转角是土1 6 0 9 r a d 。该机构存在的缺 点是，由于精定位平台安装在粗定位平台上面，所以它的定位精度会受粗定位 平台位置的影响，且由于摩擦的存在会引起滞后。精定位平台由3 个圆柱型的 压电激励器驱动也限制了它的运动范围，且不易实现高速运动【52 1 。k a z u m a s a o h n i s h i 【55 j 等人发明采用超声波直线电机来驱动x y 定位平台( 见图1 - 1 1 ) 。y 向定 位平台置于x 向定位平台上部，x 向定位平台作为y 向定位平台的支撑台，且 两平台分别通过各自的超声波直线电机驱动运动。在该x y 平台中，电机的移动 元件( 振动元件) 在与导轨相垂直的方向上振动，与振动元件相连的主体部分在与 导轨平行的方向上振动。通过施加电压，两部分构件按不同的相位振动驱动平 台运动。该机构形式的定位平台可避免采用丝杠这样的传动机构，使平台结构 更紧凑，提高了运动速度和定位精度，同时有效的扩大了平台的运动范围。 为了进一步提高定位平台的速度和定位精度，高性能直线音圈电机被用来 驱动定位平台进而改进平台机构形式，改善其性能。日本r y u i c h ik y o m a s u 7 6 等 人对此进行了有益的研究( 见图1 - 1 2 ) 。x 轴向运动的驱动电机是音圈电机，音圈 电机通过x 向移动元件驱动x 向平台在x 轴向上运动，y 轴向运动的驱动电机 是平面直线电机，平面直线电机通过y 轴向移动元件驱动y 向平台。x 轴向移 动元件只可以在x 轴向上移动而在y 轴向不可动，y 轴向移动元件既可以在y 轴向上移动也可以在x 轴向上移动，也就是当平台在x 轴向上运动时，y 轴向 移动元件是随其一起在x 轴向上运动。新加坡的w e nc h e r t 和y o uy o n gl i a o 7 7 】 第一耄绪论 发明的在x 轴向和y 轴向均采用直线膏圈电机来驱动平台运渤( 见图1 - 1 3 ) 。y 游平台安装在x 涵平台秘上嚣，簿头等滚萄安装在y 两平台上涟着y 淹平台逡 渤。x 向平台和y 向平台的运动的合成，就确定了焊头或者说平台上的载荷在 x 。y 平瑟上豹位鬣。这榉静结梭一般存在一个润蘧，藏是当￥羯平台运动露， 裁荷重心的位嚣是变化的，所以x 轴向的驱动力不再与泼荷重心在一条直线上， 避嚣会产生一令与重心戆镳移穗关装转楚。当鼗麓运韵时，哉转踅葶 麓载蕊豹 振动。y 向平台越远离平衡位嚣则引起振动的转矩就越大，进而影响定位精度， 这是我翻联不罨蹩豹。泼顼发礴中，逶过改变x 囊乎台驱动毫撬与x 波平台之 间的机构连接形式来解决此问蹶。x 向平台驱动电机包含两个崴线音圈电机，遮 掰个壹线誊整电飒戆驱动杆惑熬地与x 是平台摇连，涎邀掇囊动力戆会力共鄹 驱动平台在x 轴向上的运动。当y 向平台运动时，通过调整通过线圈的电流比 跛交嚣音罄电极戆驱动力，强 爰这两个鹱动力故台力始终透过移动载稳豹重心。 从而使对该工作台的控制变得简单，保证了较高的定位精度。 1 2 3 系统动态设计 通常精密窀位平台鸹设计凳指在满足设计技术猎标要求的条件下，使平台 结构紧凑、经济合理 7 9 - 8 1 。另外，随着精密定位系统向高精度、高遮度的方向 发展，褫构酶柔往对动态性能釉工作精度的影响已弓| 怒普遍关注。驮橇械系统 动力学观点看，要实现高速高糟度的目的就必须保证系统具备优良的静、动态 鹣质。主要包捂：f l 诤惯量：在高速精确定位中，驱动系统静大部分载蘅都最 惯性的，因此，降低移幼件的质量是设计中需骥考虑的一个重疆问题：f 2 ) 高冈0 爱或者鬻函有频率：来缣证系统蓬好鹩溺态爵经窝藏干虢旌力；( 3 ) 线经费运袭 学和动力学：高速高精度系统中的非线性的影响包括邀行稳定性等问题很难处 理；强) 援椽辘两酌凌态嚣配：为减，l 、运淤误差，瓤禳辍淹动态特性匿瓣显褥j 懵重要。另外还有定位平台的支撑或导轨副之间应无机械摩擦和间隙，满足工 捧譬亍程熬要求，并具有嵩静位移分辨率莘鼙定位耩疫戮及重复定位精度；控翻系 统简单可靠，响应速度快，无趣调现琢等，这悠也是精密机构设计中的重要原 粥瑟2 啦! 。镑对这些运嚣，缀多学者并震了辐关鹚磅究。 h tl + h a u t 9 2 1 等设计了一台三座标数字系统( 3 d c d s ) ，该系统中的x y 定位 乎台豹x 毒囊囊定位糖痰可达到1 4 黼l ，y 轴良患位凑凄可达裂0 4 p m 。j d o n g i ”j 等研制开发了高速磨削用的3 牟由加工机械，机构中的x y 定位平台采用新型并联 天津大学博士学位论文 运动x y 平台，该平台结构基于滑块联轴器。采用并联运动形式配置，降低了惯 量、统一了运动条件，同时实现了轴向的动态匹配，x y 平台的设计使系统特别 适合于x y 平面上的高速运动，具有高速、高精度的特性。x y 平台运动范围为 1 5 0 m m 1 5 0 m m ，加速度可达1 0 9 ，机构的移动质量可为6 k g 。m u s aj o u a r l c h 一驯 则提出常用在平动精密定位平台设计中的一种常规方法，即弹性铰链型杠杆机 构设计法，重点发展了一种可以精确预测平台行为的设计方程。该设计方程是 基于平动、铰链型、压电激励器驱动、多杠杆机构的精密定位平台静力学分析 为基础的。通过这些方程可以有效地预测平台的刚度和位移。另外，由于开放 式系统机构设计的互用性、可移植性、可量测性和互换性，它也经常被用在x y 定位平台的设计中【9 4 j 。 虽然许多学者在这些方面做了大量的研究，然而，这些工作大多仅局限在 于中、低速系统中的工作，大多因未记入运动构件惯性的影响，故不能确保系 统在作高速运动时的性能。如系统质量刚度分布、乃至配合精度对整个系统动 态特性影响等方面的工作还不深入，特别是对于高速、高加速度条件下机构动 态设计理论、方法和相关实验技术的报道还不多见。 所以相应于高速、高加速条件下系统的性能特性方面还有很多问题需要解 决。因此，需要进一步开展高速、高加速运动下精密定位平台的设计研究工作。 1 2 4 动力学建模与控制方法研究 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【8 2 9 5 - 9 7 】，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 9 8 】【9 9 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 1 0 0 等则利用 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 a n e h h 4 等利用参数辨 第一章绪论 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。 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o 4 p m ，到1 9 9 6 年己发展到0 1 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高【1 j 。具 体到i 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 1 0 2 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：l j 6 8 9 。s e n d o 【3 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 9 1 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 ny a o l 5 0 j 等基于间断映射法构造了p d 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。p v a nd e nb r a e m b u s s c h e 1 0 3 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 tw p a r k t l 0 4 等对音圈电机实施鲁棒控制策略，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能。 h i r o s h it a l 【a h a s h i m 5 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 ”6 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 天津大学博士学位论文 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。因此研究x y 定位平台机电耦合控制系统的p i d 控制方 法具有较强的现实意义。 1 3 本文主要研究内容 本文在现有x y 定位平台研究成果的基础上，紧密结合国家高技术研究发展 计划基金资助项目，以开发两自由度笛卡尔坐标型高速、高精度定位系统为目 标，以动态设计理论、有限元分析方法、机械动力学和现代控制理论为工具， 深入研究x y 精密定位平台的动态设计、动力学建模、基于新型直线音圈电机的 机电耦合系统闭环控制方法。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和存在 的问题，并提出主要研究内容。 第二章x y 精密定位平台的结构动态设计。提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。对弹性解耦环节主要构件进行动态优化设计。 第三章x y 精密定位平台特性的有限元分析。以有限元分析方法为手段， 深入研究x y 定位平台的静态刚度和动力学特性，在此基础上实现对x y 定位平 台的结构动态设计。 第四章x y 精密定位平台动力学建模。建立x y 定位平台的的动力学模型， 并研究其动态响应，动力学模型的建立也为后续的控制系统研究奠定基础。 第五章x y 精密定位平台机电耦合系统控制方法研究。建立直线音圈电机 数学模型，导出电流解耦控制的音圈电机速度控制系统传递函数，结合机械系 统传递函数，构造机电耦合系统动力学模型，并对系统进行有效控制研究。 第六章x y 精密定位平台性能试验研究。通过静、动态特性试验考察所研 制x y 精密定位平台样机静、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。 第七章总结全文主要内容，提出今后工作展望。 各章均以引言开始，简要介绍研究内容和目的，并以小结结尾，归纳该章 所得出的主要结论。 第二章x y 定位平台设计 2 1 引言 第二章x y 定位平台设计 i c 封装设备中所需要的高精度运动定位系统要求具有高刚度的机械结构， 简洁的驱动模式。基于此，本章提出设计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高速高精度定位平台，并采用有限元分析与机 械系统动态仿真相结合的方法，对该x y 定位平台的高速动力学行为进行研究。 通过分别对机构的刚体和弹性体动力学分析，基于定位平台的动态响应，来对 弹性解耦机构中的关键部件弹簧进行动态优化设计。深入研究弹性铰链的弹性 对弹簧刚度和预载匹配的影响，以及弹簧刚度和预载对定位平台运动的影响规 律。在此基础上，对弹簧进行了合理的选型。 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 1 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o 0 0 5 m m 、加速度大于5 0 m s 2 、连 接速度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、发 计的x y 精密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：士2 9 m 最大运动速度： o 5 m s 最大运动加速度： 5 0 m s 2 最大负载重量：l k g 单轴机构稳定时间：4 0 m s 。 天津大学博士学位论文 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 0y 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 图2 1 所示为设计的x y 定位平台方案图。该x y 定位平台主要有基座、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 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 轴向定位平台安装在基座上，并通