IC芯片粘片机并联焊头机构的运动学动力学分析及实验研究

论文摘要

高速高精度IC芯片粘片机是IC芯片封装的主要设备之一,随着IC工业的发展,粘片机的粘片速度和定位精度有越来越高的趋势,如何提高IC芯片粘片机的粘片速度和定位精度逐渐成为研究热点。目前国内外IC芯片粘片机的焊头机构大都采用串联结构的形式,运动部件的质量和惯量都很大,不利于粘片速度和定位精度的进一步提高。而并联机构以结构刚度大、定位精度和运动精度高、重量轻等特点,引起了各国学者的广泛关注。此机构现阶段主要应用于机床、机器人等领域。本文根据IC芯片粘片机的工作要求,在分析并联机构特点的基础之上,将其应用于IC芯片粘片机的焊头,设计出一种新型并联焊头机构,并对该机构的运动学、弹性动力学规律和误差进行了研究,最后在试验样机上进行了验证。论文主要研究和解决了以下几个方面的问题:首先根据焊头的运行轨迹和工作要求来选择合适的并联机构形式,在归纳IC芯片粘片机焊头各种可能构型的基础上,设计出一种新型的平面双滑块并联焊头机构。该机构的运动副采用移动副加转动副的形式,伺服电机安装在机架上,故运动部件质量轻,高速运动时惯量小,便于提高粘片速度。然后对该机构的工作空间进行了分析,并利用机构的全参数尺度综合方法,建立了机构的优化模型,最后结合现有的TP90型全自动IC芯片粘片机的实际需要,确定了该并联焊头机构的结构参数。其次建立了IC芯片粘片机并联焊头机构的运动学模型,得到了机构的工作位置、速度和加速度正反解的表达式。对并联焊头机构可能采用的速度曲线进行了比较,从中选取一条作为本机构的加减速运动曲线,在此基础之上对焊头的运行曲线进行了优化,得到了使焊头运动平稳,冲击、振动小,并且运行时间相对较短的运行曲线。第三用运动弹性动力分析方法建立了该机构的弹性动力学模型,并对此进行了详细的研究探讨。IC芯片粘片机的焊头是一种高速运动的并联机构,运动速度快、运动杆件轻,运动精度和定位精度要求非常高,因此必须考虑弹性变形对精度的影响。本文将并联焊头机构的焊头座和机架视为刚体、运动支链中的各部件等效为弹性体,在忽略机构的刚体运动和弹性运动耦合作用的情况下,建立了机构的弹性运动方程。采用Newmark积分法,得出了焊头在整个工作空间相应的数值解,并用输入运动规划法对并联焊头机构的弹性运动误差进行了补偿,数值分析表明焊头的误差大幅度减少、精度达到了微米级,能实现较精确的运动轨迹。第四研究探讨了并联焊头机构的误差建模问题,应用直接微分法,建立了并联焊头机构的位置误差模型,分析了各种因素对运动精度和定位精度的影响。影响IC芯片粘片机并联焊头机构的运动精度和定位精度的因素很多,如驱动器行程误差、运动副间隙、机构杆件热变形和弹性变形产生的误差等,各因素对机构误差的影响程度是不一样的,通过机构的误差建模,能确定影响机构误差的关键因素,明确提高精度的重点和方向,为改善焊头机构的精度提供准确可靠的依据。根据焊头含运动误差的位置逆解,提出了焊头的位置误差补偿模型,通过修正左右驱动电机的转动角度,使其位置误差在规定范围内。最后在上述研究工作的基础上,制造出IC芯片粘片机并联焊头机构的实验平台,并采用图像处理的方式来测量各种参数:焊头的运动精度、定位精度和粘片速度。实验结果表明:所设计的机构能满足IC芯片粘片机的工作要求,各项性能指标均达到了设计标准。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• CONTENTS
• 图目录
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究的目的和意义
• 1.1.1 IC封装的定义
• 1.1.2 IC封装技术的发展历程
• 1.1.3 国外IC芯片粘片机的发展现状
• 1.1.4 国内IC芯片粘片机的发展现状
• 1.1.5 本课题的研究意义
• 1.1.6 本课题的来源
• 1.2 并联机构的国内外发展现状综述
• 1.2.1 并联机构的应用——并联机床
• 1.2.2 并联机构的工作空间分析
• 1.2.3 并联机构的运动学分析
• 1.2.4 并联机构的弹性动力学分析
• 1.2.5 并联机构的精度分析
• 1.3 本文的主要研究工作
• 1.4 本章小结
• 第二章 并联焊头机构的工作空间分析及结构参数优化
• 2.1 引言
• 2.2 结构设计
• 2.3 并联焊头机构的工作空间
• 2.3.1 左右连杆长度的选择
• 2.3.2 并联焊头机构的工作空间分析
• 2.4 约束条件
• 2.5 机构参数优化模型的建立
• 2.5.1 机构参数优化方程
• η的确定'>2.5.2 加权因子ω_η的确定
• 2.5.3 优化方程的求解
• 2.6 本章小结
• 第三章 并联焊头机构的运动学和运行曲线的优化
• 3.1 引言
• 3.2 并联焊头机构的运动学分析
• 3.2.1 焊头的位置分析
• 3.2.2 焊头的速度和加速度分析
• 3.3 并联焊头机构运行曲线的优化
• 3.3.1 并联焊头机构的工作过程
• 3.3.2 并联焊头机构运行曲线的优化
• 3.4 本章小结
• 第四章 并联焊头机构的弹性动力学分析
• 4.1 引言
• 4.2 并联焊头机构的弹性动力学建模
• 4.2.1 并联焊头机构的单元划分
• 4.2.2 系统坐标与单元坐标
• 4.2.3 并联焊头机构的单元弹性动力学方程
• 4.2.4 系统弹性动力学方程
• 4.2.5 方程的求解
• 4.3 输入运动规划法消减焊头弹性误差的分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 并联焊头机构的误差分析与控制
• 5.1 引言
• 5.2 并联焊头机构的误差建模
• 5.2.1 驱动器行程误差对并联焊头机构位置误差的影响
• 5.2.2 运动副间隙对并联焊头机构位置误差的影响
• 5.2.3 热变形对并联焊头机构位置误差的影响
• 5.2.4 并联焊头机构的综合误差
• 5.3 并联焊头机构的误差补偿模型
• 5.3.1 含位置误差的并联焊头机构的位置逆解
• 5.3.2 机构的误差补偿模型
• 5.3.3 误差补偿模型的计算机仿真
• 5.4 本章小结
• 第六章 样机测试
• 6.1 引言
• 6.2 实验平台的研制
• 6.2.1 并联焊头机构的设计与制造
• 6.2.2 X、Y工作台的设计
• 6.3 测量仪器的选择
• 6.3.1 软件的选择
• 6.3.2 硬件的选择
• 6.4 图像的处理
• 6.4.1 图像的采集
• 6.4.2 图像的处理
• 6.5 焊头定位精度和运动精度的测量
• 6.6 粘片速度的测量
• 6.7 本章小结
• 结论和展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间发表的论文
• 作者在攻读博士学位期间参加科研情况
• 致谢
• 附录 测量数据