面向IC封装的精密定位平台误差补偿及主动抑振的研究

摘要

随着 IC技术的发展，IC芯片的引脚密度越来越高，人们对IC封装设备的运动速度和精度的要求越来越高，基于 IC封装的大行程、高速精密定位系统的研究应运而生。
　　我国IC封装设备工业与国外先进水平有较大差距，国内IC封装企业所需的关键设备几乎全部依赖进口，IC封装设备国产化的需求十分迫切。我国工业基础差、资金少，不可能对现有设备进行大量的更新，而误差补偿技术可在无需大量投入资金的情况下提高精度，创造效益。在国家提出加快发展装备制造业，改造传统工业的新形势下，开展基于误差补偿的高速精密定位系统的研究，开发具有市场竞争力和自主知识产权的IC封装设备，有着十分重要的意义。
　　本文针对IC封装等行业对高速高精度作业的实际需求，研制出一种新型的基于误差补偿的宏微精密定位系统。该系统采用宏/微结构，基于误差补偿技术，宏动精密定位平台实现系统的高速、大行程运动，微动误差补偿工作台同时实现平台直线运动偏摆误差实时补偿和定位运动残余振动的主动抑振，提高系统的性能。
　　针对直线滚珠导轨支撑工作台的偏摆振动现象，基于赫兹接触理论，建立导轨滚珠的接触载荷与接触变形的关系模型，经近似线性化处理，导出直线滚珠导轨滑块副的接触刚度模型。利用该刚度模型，对精密定位平台进行简化，建立平台的二自由度偏摆振动模型，并进行仿真研究。
　　基于矢量控制技术理论，建立了永磁同步电机交流伺服系统数学模型；基于赫兹接触理论，建立了滚珠丝杠传动机构模型。综合交流伺服系统和传动机构的数学模型，建立了直线运动系统的数学模型，并进行仿真研究。
　　运用弹性力学理论，建立双层平行板弹性铰链机构的刚度模型，利用有限元分析软件 ANSYS进行仿真分析，根据仿真结果，研制出基于压电陶瓷直接驱动的微动误差补偿工作台。针对压电陶瓷固有的迟滞、蠕变等非线性特性，结合单神经元自学习和PID控制调整简单的特点，设计了单神经元PID自适应控制器，对微动工作台进行实验研究。
　　针对平台运动出现的偏摆误差的特点，设计了非接触、高频响的电容式偏摆误差检测系统。设计了一种改进型的电容运算放大器检测电路，电路的输出电压正比于电容传感器的输入位移，从原理上解决了电容式位移传感器的非线性。对偏摆误差检测系统进行详细的误差分析，并采取相应的措施。
　　最后建立基于误差补偿的宏微精密定位系统，进行系统误差分析，建立系统偏摆误差检测模型，搭建实验系统，进行实验研究和系统测试。实验结果证明：基于误差补偿的宏微精密定位系统能够实现高速、高精度、大行程的运动控制，为今后高速精密定位系统的设计提供借鉴与参考。

目录

面向IC封装的精密定位平台误差补偿及主动抑振的研究

RESEARCH ON ERROR COMPENSATION AND ACTIVE VIBRATION CONTROL OF THE PRECISION POSITIONING TABLE ORIENTED TO IC BONDING

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 高速精密定位系统的研究现状

1.2.1 机构形式的研究现状

1.2.2 驱动方式的研究现状

1.2.3 控制方法的研究现状

1.3 误差补偿技术的研究现状

1.3.1 误差补偿技术的发展历程

1.3.2 误差检定方法的研究现状

1.3.3 误差补偿执行器的研究现状

1.4 IC封装作业综述

1.5 基于误差补偿的精密定位系统方案的提出

1.6 论文主要研究内容

第2章精密定位平台的偏摆振动分析

2.1 引言

2.2 赫兹接触理论

2.3 直线滚珠导轨滑块副的刚度分析

2.3.1 导轨滑块副的接触变形计算

2.3.2 导轨滑块副的刚度讨论

2.4 直线滚珠导轨支撑运动平台的偏摆振动分析

2.4.1 运动平台偏摆振动模型的建立

2.4.2 滚珠丝杠等元件所组成部件的等效刚度计算

2.4.3 运动平台偏摆运动方程的推导

2.4.4 运动平台偏摆运动方程的求解

2.5 精密定位平台的偏摆振动模型

2.5.1 X轴定位平台的偏摆振动模型

2.5.2 Y轴定位平台的偏摆振动模型

2.5.3 定位平台末端的综合偏摆运动

2.6 仿真分析

2.6.1 直线滚珠导轨副刚度计算

2.6.2 偏摆振动固有频率计算

2.6.3 偏摆振动运动轨迹仿真

2.6.4 仿真结果分析

2.7 本章小结

第3章直线运动系统的建模分析

3.1 引言

3.2 直线运动系统组成

3.3 滚珠丝杠传动机构的模型建立

3.3.1 滚珠丝杠副受力分析

3.3.2 滚珠丝杠副接触刚度计算

3.3.3 传动刚度计算

3.3.4 滚珠丝杠传动机构模型

3.4 交流伺服系统的模型建立

3.4.1 永磁同步电机数学模型

3.4.2 永磁同步电机矢量控制

3.5 直线运动系统的数学模型

3.6 直线运动系统仿真与分析

3.6.1 直线运动系统固有频率分析

3.6.2 仿真研究

3.7 本章小结

第4章微位移误差补偿工作台的研究

4.1 引言

4.2 双层平行板弹性铰链的刚度计算

4.3 微动工作台的数学模型

4.4 微动工作台有限元分析

4.5 单神经元自适应PID控制器设计

4.6 实验研究

4.6.1 实验系统组成

4.6.2 实验结果

4.7 本章小结

第5章偏摆误差检测技术的研究

5.1 引言

5.2 偏摆检测原理

5.2.1 偏摆误差检测原理

5.2.2 电容式微位移传感器原理

5.3 偏摆检测系统的硬件设计

5.3.1 直线平尺设计

5.3.2 电容传感器测头设计

5.4 电容传感器检测电路设计

5.4.1 几种微值电容检测方法的比较

5.4.2 电容传感器的运算放大器检测原理

图5-6 改进型的运算放大器检测原理图 Fig.5-6 Schematic of improved operational amplifier detecting circuit 式电容位移传感器输出特性的非线性问题。 5.4.3 改进型的运算放大器检测法

5.4.4 电容传感器检测电路的系统组成

5.5 偏摆检测系统的误差分析

5.5.1 平尺直线度导致误差

5.5.2 平尺与工作台运动方向不平行导致误差

5.5.3 两段平尺不平行导致误差

5.5.4 平尺与测头测量面不平行导致误差

5.5.5 电场边缘效应导致误差

5.5.6 杂散电容导致误差

5.5.7 电容近似处理导致误差

5.6 实验研究

5.6.1 标定实验

5.6.2 分辨率实验

5.6.3 动态性能实验

5.7 本章小结

第6章精密定位系统组成与实验研究

6.1 引言

6.2 精密定位系统组成

6.2.1 精密定位系统组成原理

6.2.2 精密定位系统误差分析

6.2.3 偏摆误差检测模型

6.2.4 实验系统组成

6.3 实验研究

6.3.1 固有频率测试实验

6.3.2 精密定位平台运动过程分析

6.3.3 偏摆误差微动补偿实验

6.3.4 残余振动主动抑振实验

6.3.5 IC封装仿真实验

6.3.6 系统测试

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

致谢

个人简历