芯片粘片机多领域统一建模与仿真分析

论文摘要

芯片粘片机是典型的机电一体化装备，它由精密机械结构、电气控制和温控系统及光电检测部件等组成，充分表现出多前沿学科的高度综合与渗透。随着系统的日益复杂化，传统的适用于单个工程域问题的建模与仿真工具难以胜任；为减少建模的工作量和提高仿真质量，有必要对涉及多工程域部件的芯片粘片机进行高效建模与领域交互仿真研究。为实现芯片粘片机的高效建模，需要进行系统分解，并建立可重用的部件模型。本文首先通过对现有建模语言和软件工具的比较分析，选择了面向对象的多领域统一建模语言Modelica作为开发工具；采用模块化建模技术，按照与实际系统相同的结构层次分解方法，对粘片机进行模块划分。以此为基础，建立的模型库将具有典型性、独立性、通用性和可连接性的特点，并能在同一个软件平台下进行仿真验证。组件库的建立是实现芯片粘片机领域交互仿真的关键。在多领域物理机理分析的基础上，结合运动学、动力学方法以及电机学、热力学的理论和技术，本文建立了以下组件模型：1)通过对焊头机构工作原理及平面四杆机构建模方法的研究，对焊头进行了结构分解，提出了借助Modelica多体库中的元件来建立焊头机构模型的方法。文末仿真表明，所采用的建模方法直观、高效，适用于其他机械部件模型的建立；2)在对主要的二相混合式步进电动机数学模型进行叙述的基础上，选择了较为通用的电路模型，以此推导了电动机的等效电路，建立了电动机本体模型。同时，开发了二相四拍的电机驱动器模型。系统仿真结果表明所建立的模型正确、合理：3)根据电加热炉的特性方程，结合传递函数方框图等效变换原理，建立了由延时模块和惯性模块组成的电加热炉模型。炉温控制采用PID控制算法，建立了PID控制器模型。经仿真验证，模型准确、可靠。最后，为验证芯片粘片机多领域统一建模与仿真的可行性，以典型的机电交互仿真为例，基于所建立的组件库，搭建了电机-焊头机构系统模型。仿真结果表明，领域交互仿真更能反映系统的实际工作状况，得到的仿真结果更准确、可信。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• CONTENTS
• 第一章 绪论
• 1.1 论文选题的背景与意义
• 1.2 芯片粘片机的应用与研究概况
• 1.2.1 芯片粘片机的应用及发展趋势
• 1.2.2 芯片粘片机的研究概况
• 1.3 多领域建模与仿真技术的研究现状
• 1.4 论文的主要研究内容与整体结构
• 第二章 芯片粘片机的建模与仿真方法
• 2.1 引言
• 2.2 建模语言 Modelica 与 Dymola 仿真环境
• 2.2.1 多领域建模语言 Modelica
• 2.2.2 Modelica 模型库
• 2.2.3 仿真环境 Dymola
• 2.3 模块化仿真建模方法
• 2.4 粘片机的模块化分解与模型库结构
• 2.4.1 粘片机模块化分解的依据
• 2.4.2 粘片机的模块化分解
• 2.5 本章小结
• 第三章 芯片粘片机焊头机构的建模研究
• 3.1 接口类型
• 3.2 多体库简介
• 3.3 焊头机构模型
• 3.3.1 平面连杆机构的工作特性
• 3.3.2 平行四连杆机构模型
• 3.3.3 曲柄摇杆机构模型
• 3.3.4 焊头机构仿真模型
• 3.4 本章小结
• 第四章 芯片粘片机驱动电机的建模与动态仿真
• 4.1 二相混合型步进电动机模型
• 4.1.1 混合型步进电动机的工作原理
• 4.1.2 二相混合型步进电动机数学模型
• 4.1.3 二相混合型步进电动机仿真模型
• 4.2 驱动器模型
• 4.2.1 步进电动机驱动器的基本构成
• 4.2.2 二相混合型步进电动机驱动器仿真模型
• 4.3 仿真模型的验证
• 4.4 本章小结
• 第五章 芯片粘片机电加热炉的建模与仿真分析
• 5.1 芯片粘片机温控系统简述
• 5.2 电加热炉炉体仿真模型的建立
• 5.3 电加热炉控制方案的选择及PID控制器模型
• 5.3.1 常用的电加热炉控制算法
• 5.3.2 PID控制算法
• 5.3.3 PID控制器模型
• 5.4 模型的验证
• 5.5 本章小结
• 第六章 模型的综合应用与仿真分析
• 6.1 芯片粘片机组件库
• 6.2 电机-焊头机构系统动态仿真
• 6.2.1 电机-焊头机构系统模型与仿真结果分析
• 6.2.2 仿真模型的三维动态演示
• 6.3 本章小结
• 总结与展望
• 1 全文总结
• 2 进一步的工作与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢
• 附录 部分源程序