（机械电子工程专业论文）高速点胶控制系统研发.pdf

原创性声明 荆渊 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 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：! 至茎日期：皿旺月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名：搬导师签名丝口期：业年月旦日 摘要 点胶技术广泛应用于微电子封装，封装技术的发展要求点胶速度 更快、频率更高、胶滴更小、一致性更高、适应性更广。本文开发了 一个可以集成多种驱动方式的点胶阀、可以实现接触式和非接触式两 种模式的高速点胶平台。 针对高速点胶的功能需求特点，完成了控制系统核心硬件选型， 设计了相应的接口电路图，设定了控制系统的参数，建立了三轴联动 高速点胶控制系统的硬件平台。深入研究了运动控制器的功能特性和 使用方法，设计了点胶功能接口和精确脉宽控制器，从而保证了点胶 阀高速精密点胶。 根据高速点胶的工艺特点，结合运动控制器的功能特性，确定了 系统软件的总体结构，并进行了功能划分；解决了软件开发中的若干 问题：w i n d o w s 下运动控制卡的读写、多线程多任务调度、机器 代码自动生成等，在此基础上完成了功能模块设计。本高速点胶系统 控制软件人机界面友好、功能完备、易于扩展，具有实用价值。 点、线是点胶工艺中最基本的两种图元，不同的点胶模式下其实 现方法不尽相同。本文对接触式点胶和非接触式点胶分别进行了工艺 分析，依据项目技术指标，对相应模式下点、线两种图元的点胶工艺 进行了运动规划，初步实验验证了规划的科学性和可行性。 分别对三种点胶阀在已开发的高速点胶控制系统上进行了联机 调试，修正了调试中出现的硬件和软件问题。最后利用c c d 激光位 移传感器对点胶机运动平台的重复定位精度进行了测试，证实控制系 统能满足高速点胶的定位精度及功能要求。 关键词：高速点胶，运动控制器，模块化编程，定位精度 奉课题得到陶家8 6 3 项t i ( 2 0 0 7 a a 0 4 2 3 5 0 ) 的资助 a bs t r a c t d i s p e n s i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nm i c r o - e l e c t r o n i c e n c a p s u l a t i o ni n d u s t r y t h ed e v e l o p m e n to fe n c a p s u l a t i o nr e q u i r e sa m o r ea d v a n c e dd i s p e n s i n gt e c h n o l o g yw i t hh i g h e rs p e e da n d f r e q u e n c y , s m a l l e rr e s i n ，b e t t e rc o n s i s t e n c ya n dw i d e ra d a p t a b i l i t y ah i g h s p e e d d i s p e n s i n gp l a t f o r m o nw h i c hj e t t i n gv a l v e sw i t hd i f f e r e n td r i v e n m e t h o d sc a nb es e ti sb u i l ti nt h i sp a p e r i tc a nr e a l i z eb o t hc o n t a c t d i s p e n s i n ga n dn o n - c o n t a c td i s p e n s i n g c o n s i d e r i n gt h e f u n c t i o n a ld e m a n d so fh i g h s p e e d d i s p e n s i n g t e c h n o l o g y , c o r ec o m p o n e n t so fc o n t r o ls y s t e mw e r es e l e c t e d ，a n d c o r r e s p o n d i n gi n t e r f a c ec i r c u i td i a g r a m sw e r ed e s i g n e dw i t hd r a f t e d p a r a m e t e r s h a r d w a r ep l a t f o r m o ft h r e ea x e s l i n k a g eh i g h s p e e d d i s p e n s i n gc o n t r o ls y s t e mw a se s t a b l i s h e d f u n c t i o n a lp r o p e r t i e sa n d u s a g eo fm o t i o nc o n t r o l l e rw e r ef u r t h e rs t u d i e d d i s p e n s i n gf u n c t i o n i n t e r f a c ea n da c c u r a t ep u l s e - w i d ec o n t r o l l e rw e r ed e s i g n e dt og u a r a n t e e h i g h s p e e dd i s p e n s i n g a c c o r d i n gt op r o c e s s c h a r a c t e r i s t i c so fh i g h s p e e d d i s p e n s i n g t e c h n o l o g y , c o m b i n e dw i t hf u n c t i o n a lp r o p e r t i e so fm o t i o nc o n t r o l l e r , g e n e r a ls t r u c t u r ea n df u n c t i o nd i v i s i o no fs o f t w a r ew a sd e t e r m i n e d ，a n d c r i t i c a lp r o b l e m sd u r i n gs o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，s u c ha sd a t ar e a d w r i t eo f m o t i o nc o n t r o l l e ri nw i n d o w s ，m u l t i t h r e a da n dm u l t i t a s ks c h e d u l i n g a n da u t o m a t i cp r o g r a mo fm a c h i n ec o d e ，w e r ea l ls o l v e d o nt h eb a s i so f t h e s ep r o b l e m s ，s o f t w a r ew a s t o t a l l ym o d u l a rp r o g r a m e d t h eh i g h s p e e d d i s p e n s i n gc o n t r o ls o f t w a r e ，o w n i n gs o m eg o o df e a t u r e s ，s u c ha sf r i e n d l y m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，c o m p l e t ef u n c t i o na n de x t e n d i n ge a s i l y , h a s p r a c t i c a lv a l u e t h er e a l i z a t i o nm e t h o di nd i f f e r e n td i s p e n s i n gm o d e so fd o ta n dl i n e ， t w ob a s i cg r a p h i ce l e m e n t si n d i s p e n s i n g ，a r en o tt h es a m e c o n t a c t d i s p e n s i n ga n dn o n - c o n t a c td i s p e n s i n gw e r eb o t ha n a l y z e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt op r o j e c ts p e c i f i c a t i o n s ，d i s p e n s i n gm o t i o no fd o ta n dl i n ei n t h ed i f f e r e n td i s p e n s i n gm o d e sw e r ep l a n e dr e s p e c t i v e l y , a n dt h er e s u l t s o f p r e l i m i n a r ye x p e r i m e n ts h o wt h a tt h ep l a ni ss c i e n t if i ca n df e a s i b l e t h r e es o r t so fv a l v e sw e r eo n l i n e d e b u g g e do nt h eh i g h s p e e d d i s p e n s i n gc o n t r o ls y s t e m ，d u r i n gw h i c hh a r d w a r ea n ds o f t w a r em i s t a k e s w e r ec o r r e c t e d l a s tb u tn o tl e a s t ，r e p e t i t i v ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yo f p l a t f o r mw a sm e a s u r e db yc c d l a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o r r e s u l t ss h o w t h a tt h ec o n t r o ls y s t e ms a t i s f i e sp o s i t i o n i n ga c c u r a c ya n df u n c t i o nn e e d s o f h i g h s p e e df l u i dd i s p e n s i n g k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dd i s p e n s i n g ， m o t i o n c o n t r o l l e r , m o d u l a r i z a t i o np r o g r a m m i n g ，p o s i t i o n i n ga c c u m c y 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 微电子封装技术的发展概况1 1 2 1 微电子封装技术发展1 1 2 2 芯片粘贴技术2 1 3 点胶技术3 1 3 1 点胶技术的原理及其应用3 1 3 2 几种接触式点胶技术的比较3 1 3 3 喷射点胶的原理与发展5 1 4 点胶阀的驱动方式6 1 4 1 点胶阀的驱动方式选择6 1 4 2 电磁驱动7 1 4 3 超磁致伸缩驱动。7 1 5 课题来源及文章结构8 第二章高速点胶控制系统硬件设计1 0 2 1 接触式啦接触式点胶系统概述1 0 2 2 系统主控方案与硬件结构1 2 2 2 1 主控方案1 2 2 2 2 硬什组成1 2 2 3d m c 运动控制器1 3 2 3 1 运动控制器的选择1 3 2 3 2d m c 运动控制卡概述1 4 2 3 3d m c 运动控制器的基本功能1 4 2 3 4 互联模块p i c m 3 9 0 0 一s 的概述j 1 6 2 4 驱动系统及控制器参数设置1 6 2 4 1 电机控制模式选择1 6 2 4 2 i ：作台驱动结构1 7 2 4 3 控制器的参数设置1 8 2 5 控制系统接口电路设计2 0 2 5 1 伺服驱动电路2 0 2 5 2 硬 ；，l ：保护电路2 2 2 5 3 硬件操作面板2 3 2 5 4 点胶阀驱动电路2 4 2 6 本章小结2 7 第二章高速点胶控制系统软f ，i ：开发2 9 3 1 软 ：，l ：功能需求分析2 9 3 2 关键问题及技术路线3 0 3 2 1w i n d o w s 环境卜对返动控制k 的读弓和控制3 0 4 3 2 2 多线程多任务的调度3 3 3 2 3 机器代码自动生成3 5 3 3 系统软件功能模块3 8 3 3 1 点胶机控制系统软件框架结构3 8 3 3 2 点胶机控制软件初始化3 9 3 3 3 点胶系统参数设置4 0 3 3 4 读取并执行子程序4 0 3 3 5 点胶位置的调整4 l 3 3 6 代码生成技术4 2 3 4 本章小结4 2 第四章系统实现与点胶丁艺规划4 3 4 1 点胶系统的实现4 3 4 2 点胶机台精度测试4 4 4 3 接触式点胶的j ：艺规划4 5 4 3 1 接触式点胶中胶液转移的四个阶段4 5 4 3 2 对z 轴的运动精度分析及规划4 6 4 3 3 接触式点胶i ：艺规划4 7 4 4 非接触式点胶。l ：艺规划及实验5 3 4 5 本章小结5 6 第五章全文总结与展望5 7 5 1 全文总结5 7 5 2 前景展望5 7 参考文献5 9 致谢6 2 攻读硕士学位期间的研究成果6 3 5 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 微电子工业是对国家的经济、政治、社会、安全以及文化等具有重要影响的 产业之一，现代电子工业特别是航空航天、移动通信、便携式计算机以及消费类 等电子领域的迅速发展不断向电子产品提出更高的要求，它要求电子产品必须为 智能型，具备功能多、重量轻、体积小、厚度薄、易于携带、速度快、可靠性高 和价格低等特剧。就目前各个领域的发展来看，要满足上述要求，封装技术是 关键技术之一。 封装就是把构成电子器件或集成电路的各个部件按规定的要求合理布置、组 装、键合、连接、与环境隔离和保护等操作工艺，以防止水分、尘埃及有害气体 对电子器件或集成电路的侵入，减缓震动，防止外力损伤和稳定元件参数【2 】。电 子封装直接影响着集成电路和器件的电、热、光和机械性能，还影响其可靠性和 成本以及对系统的小型化起到关键作用。 封装技术对于保证电子元器件的正常工作是至关重要的，封装测试已与集成 电路设计、制造并列为集成电路产业发展的三大支柱。封装技术的范围涵盖极广， 它应用了物理、化学、材料、机械、电机等学科的知识，也使用金属、陶瓷、高 分子等各式各样的材料，在微电子产品功能与层次提升的追求中，开发封装技术 的重要性不亚于i c 工艺技术与其他的微电子相关工艺技术，故世界各主要电子 工业国都全力研究，以求得到技术领先的地位1 3 j 。随着信息时代的到来，电子工 业得到了迅猛的发展，计算机、移动电话等产品的迅速普及，使得电子产业成为 最引人注目和最具有发展潜力的产业之一，电子产业的发展也带动了与之密切相 关的电子封装业的发展，其重要性越来越突出。微电子、光电子工业的巨变，为 封装技术的发展创造了许多机遇和挑战，各种先进的封装技术不断涌现，电子封 装技术已经成为2 0 世纪发展最快、应用最广的技术之一f 4 巧j 。 1 2 微电子封装技术的发展概况 1 2 1 微电子封装技术发展 随着i t 产业在我国的迅猛发展，从2 0 世纪9 0 年代后期，f 始，我图每年的 芯片使用量超过1 0 0 亿块，并一直保持着急剧增长的势头。在微电子封装技术方 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 面，经过一系列的科技攻关，我国的微电子封装技术针对军品和民品应用而研制 开发出一批新型的微电子封装结构，以低档的d i p 为主的封装形式转变为较先 进的s o p 、q f p 、p l c c 、b g a 和c s p 等表面安装封装为主；一系列的研究使我 们在科研和生产实践中锻炼、培养、成长了一支己具有独立设计、开发和吸收国 外新的电子封装技术能力的科研、生产队伍；随着国外资金和先进技术不断的涌 入，估计今后相当一段时期内，中国大陆的微电子封装年平均增长率将保持在 3 0 以上【6 】o 但总体上来说，我国的微电子封装行业还是相对弱小和落后的。目前国内所 使用的微电子专有设备几乎都是靠国外引进，关键的工艺还没有获得实质的突 破，国家和国内企业在微电子领域的投资规模小、结构分散、效率低下，加上长 期以来对微电子封装忽视，我国的整体技术至少落后于美日2 0 年。面临着国外 的技术封锁和壁垒，国防军事等相关领域发展处处受制，可见我国的微电子封装 行业发展的空间与潜力都很大。 1 2 2 芯片粘贴技术 电子电路表面组装技术( s m t ：s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ) 是现代电子产品 先进制造技术的重要组成部分，其技术内容包含表面组装元器件、组装基板、组 装材料、组装工艺、组装设计、组装测试与检测技术等。s m t 技术凭借其高密 度、高可靠性、良好的高频特性、高生产率、低成本等优点得以迅猛发展。表面 安装技术( s m t ) 7 0 年代起源于美国，主要用于军事，目的是电子设备的微型 化、小型化、高可靠性。8 0 年代以来，r 本进一步发展了s m t 技术，使其更加 实用化、普及化。目前，我国s m t 产业发展迅速，从2 0 世纪9 0 年代初国内s m t 生产线还不足百十条，到如今每年进口s m t 相关设备如贴片机三四千台。随着 出口制造业务的快速增长，我国厂商在选择和利用先进的s m t 贴装设备，降低 生产成本，提高产品质量的同时，也在逐步加快我们自己s m t 设备的本土化发 展进程。我国将借鉴国际s m t 设备大公司的成功发展经验，着重走两条技术路 线，一是设计丌发，拥有自主知识产权；二是装配、维修和调试。目前中国至少 有3 0 家企业科研机构从事s m t 设备的研制，如风华高科、熊猫电子、上海现代 科技等，但总体技术水平仍待提高1 7 j 。 s m t 组装方式主要分为单双面表面组装、单面混合组装和双面混合组装三 种主要方式，根据这三种表面安装形式，产生了两类最基本的工艺流程：焊锡膏 再流焊工艺与贴片胶波峰焊工艺。在实际生产应用中，一般蜂聚安装形 式和生产设备选择单独进行或重复使用、混合使用上述两种工艺，而这两种工艺 都需要用到表面组装的关键技术点胶技术。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 点胶技术 1 3 1 点胶技术的原理及其应用 尽管封装的形式多种多样，要在生产线上实现对微小、高密度的晶圆( 或封 装体) 及基座进行有效的操作，都需要将极少量的流体材料( 比如焊剂、导电胶 等) 进行精确的分配，置于工件( 芯片、电子元件等) 的合适位置以实现元器件 之间的机械或电气连接。 点胶技术是通过可控的方式，将事先装入注射器的胶体挤射出而粘附在基板 或元件上，实现元器件之间的机械或电气连接和保护。点胶技术不仅应用于表面 贴装技术中，还广泛用于芯片粘接、芯片倒装与芯片尺度封装、光电器件粘接、 m e m s 、器件粘接、底填料充填的点胶工序以及芯片封胶等领域，是先进电子制 造、光电器件制造与m e m s 等领域的共性关键技术之一1 9 j 。 点胶主要用于以下几方面： 1 在制造过程中起辅助作用，如在元件完全焊接前临时固定元件； 2 在产品服务期限内，减轻焊接部位的应力以防止电子连接的过早损坏； 3 防止元件连接受环境振动的影响而引起位置移动，起结构上的粘接作用； 4 防止元件受环境的损坏和腐蚀。 1 3 2 几种接触式点胶技术的比较 接触式点胶大体上分为以下三种：时间一压力式、螺杆泵式和活塞压力式。 时间压力式是最早使用的分配方法，它通过控制时间和气压来获得预定的胶 量和胶点的直径，通常涂敷量随压力及时问的增大而增大，分配出的胶滴体积为 作用到注射器内胶液压力施加时问的函数，其工作方式如图1 1 所示i i o l ，因其可 使用一次性针筒且不需清洗的特点而获得广泛使用，其设备投资也相对较少，因 此目前仍在市场占有一席之地。其缺点是涂敷速度较低，对于微型元件的小胶量 涂敷一致性差甚至难以实现，在注射器使用寿命内，这是因为当注射器充满胶液 时，注射器加压所需要的气体少，从而点胶耗费时i h j 少；随着胶液体积的减少， 分配胶滴需要的时间变长，导致分配时问和胶滴重复性改变很大。 为了改进时间压力式分配过程中的重复性和速度，提出了螺杆泵分配方法， 如图1 2 所示。螺杆泵采用马达驱动使螺杆转过精确的距离或者角度，分配的胶 液量是螺杆转动圈数的函数，同时也受针头的影响。螺杆泵式工作方式可以产生 比时i 、日j 压力式方式重复性更好的胶滴，还可以厕线和图案。其适用范围广，可以 用柬点涂不同种类和粘度的胶液，也可以用j ：【目坝、填充底料、粘接剂和焊膏涂 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 布。然而由于螺杆剪切胶液，马达和螺纹产生的热量将导致胶液温度的改变。由 于具有一定粘度的胶液在旋转螺纹和固定壁面间起了密封的作用，温度的升高将 减弱这种密封作用，因而就改变了分配胶液的体积。此外，清洗也不如时间压力 式方便，设备投资也大。 b 压缩空气 物料筒 图1 - 1 时问压力点胶方式图图1 - 2 螺杆泵点胶头示意图 活塞压力式，这种方法采用一闭环点胶机，依靠匹配的活塞及汽缸进行工作， 活塞在空腔内向下运动推动胶液，由气缸的体积决定涂胶量，可获得一定的胶量 和形状。该方法优点是速度快于前两在种方法，而且能输送高粘度的流体，通过 控制空气压力的大小可调整出口流量，挤胶所花费的时间不会因为滴点的大小而 改变，因而可以保持恒定的工作效率，更容易实现快速滴胶、精确滴胶、可重复 滴胶，且可适用于滴涂不同粘度的胶液。缺点是：设备需要经常清洗，清洗流程 较复杂，设备投资也较大：胶液中包含较大的微粒时点胶不适宜用这种方法。 时问压力式、螺杆泵式以及活塞压力式属于接触式点胶方法，其过程包括 挤出、与基板接触并铺展、拉断等步骤。它们共同的一个缺点是它们都需要与基 板进行接触，胶滴的质量和一致性对分配间距和分配空间的依赖性很大，这导致 过程控制中引入了很多重要参数。比如由于必须与板件接触，使得：点胶针头需 要上下往复运动，从而导致点胶速度低：难以精确控制针头与受胶基板的间隙的 一致性，导致点胶不均匀、胶滴形状与尺寸一致性差、胶滴之问粘接搭桥、针头 外表面粘胶等质量缺陷。对分配间距和分配空间的依赖性，导致它们无法在分配 间距很小且分配空间受限制分配中应用。 由于接触式点胶技术点胶速度低等缺点，同时随着微电子封装朝着微型化、 高集成度等方向发展，给微电子封装工艺带来了一系列的挑战及其更高的要求， 喷射点胶技术在这种发展状况下产生了。 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 3 喷射点胶的原理与发展 喷射技术是把胶水以很快的速度从喷嘴喷出，依靠胶水的动量使胶水脱离喷 嘴。第一代的喷射阀是针对表面贴装胶水而研制的，目的是提高点胶速度。 a s y m t e k 研制的具有精密机械结构、适合更高粘度胶水的喷射阀在1 9 9 2 年取得 专利权，目前已广泛应用于芯片粘结、表面贴装工艺、底部填充等领域【1 1 1 。 喷射技术是快速而精确地喷射众多胶体的最佳方式。与传统的针头式点胶技 术相比，喷射技术具有以下明显的优势：无z 轴移动现象，要求高度校准工作 更少，不需要防止胶体拉丝的无针头式退回技术；无弯曲针头现象，无划破的芯 片现象：成本低，维修相对简单，清洗简易快速；适用胶液种类多等。 喷射点胶工作示意图如图1 3 所示【l2 1 ，它是通过驱动喷针撞击含有小孔底 座，使流体动量增加，在喷嘴出口处克服了表面张力后喷出形成液点。 脚衄蚴 二三薹i 溷 r - - 二m 。盈- ：盖茏 二= 意 图1 - 3 喷射点胶的原理 喷射技术具有众多优越性，它为点胶带来了重大突破，将成为应对微电子封 装技术挑战、面向下一代电子制造的关键技术【l3 1 。该技术在现时的生产中已经 迅速的获得了认可，引起世界上多家公司的极大兴趣并大力投入研究，但我国对 该技术的研究与应用还刚刚起步l l4 1 。 美国的a s y m t e k 公司是全球自动点胶系统领域的领导者，从1 9 9 2 年生产第 一代喷射阀至今，它的每一代喷射阀的出现在速度、精度、材料的适应性方面都 有明显改善，喷射阀和基板之间的距离，以及胶点的尺寸都有明显改进，设备本 身的改进也提高了对喷射阀的适应性。设备通过对胶水点胶重量的检测，自动计 算每个胶点的间距以构成线和面，并且自动补偿快速点胶中点胶位置的误差，使 其精度更优于针头点胶。 自动视觉校准系统和图像处理软件可以自动计算最佳点胶时间及位置，当机 械部件在移动时，图像经过处理后得到的数据传递给处理器，并提前触发喷射阀 的机械部件从而达到最精确的点胶位置，即使是不同的移动速度也能得到最精确 的点胶位置。同样，如果点胶的直径超出预先设定的直径或错误的位罱，这套视 觉校准系统能够监控和提醒操作员。 喷射点胶技术在电子封装领域中限在成为一种点胶的标准，并且范围还在扩 展。速度、精度和胶点体秋控制都在改进。对于诸如焊膏，高粘度热敏材料之类 中南大学硕+ 学位论文 第一章绪论 具有磨损性及难于点胶的材料的喷射尝试也使得其喷射性越来越有可操作性。随 着喷胶技术的能力越来越为人所识，设计师们可以结合各种标准来充分利用该技 术的优势。喷胶系统的工艺控制也在不断的扩展中。其结果必然是使用户得到更 低的成本，更高的良品率和产出率以及更好的质量。 喷射分配器直接决定了胶量的精确传递、胶滴形状与尺寸及其一致性、点胶 生产率等，是决定点胶速度与质量的关键因素。然而胶液喷射的物理机理非常复 杂，而且其设计涉及到机械、流体、传热、材料等多种技术，故此设计和实现都 非常困难。这些方面的关键技术仍然处于国外公司或企业的控制之下，装备的价 格极其昂贵，如a s y m t e k 公司的喷射点胶器重量仅为0 3 k g ，但售价高达两万多 美元。因此研究喷射点胶的理论与技术基础，开发拥有自主知识产权的喷射点胶 技术，在我国显得犹为迫切。 国内有些单位也在生产点胶设备，但其点胶阀能实现的点胶频率不高，点胶 效果也有待改进。国内一些高校的科研人员也在进行相关工作的研究，并取得了 一些突破，中南大学现在正在进行高速微量点胶的研究。 1 4 点胶阀的驱动方式 点胶阀的整个点胶过程可以简化为一个执行器的往复运动，整个运动位移很 小可以规划为微驱动。现有微驱动有压电驱动、气动驱动、电磁驱动、超磁致伸 缩驱动等【1 5 1 。 1 4 1 点胶阀的驱动方式选择 压电驱动的工作原理是基于晶体( 石英晶体、p z t 等) 具有的逆压电效应， 压电型驱动器有较高的位移分辨率和控制精度，而且具有响应快、驱动力大、驱 动功率低和工作频率宽等优点。但是它所需的驱动电压较高、位移量小、制作工 艺比较复杂，压电驱动中的非线性、蠕变和滞后很难解决。 静电驱动是利用静电荷的库仑吸力或斥力产生变形而产生变形，静电型由微 驱动器结构简单、控制方便、效率高、功耗小、响应速度较快，适于集成化制造， 但存在着输出的力小，以及驱动电压高及驱动存在非线性问题等缺点。 热力驱动是利用物质在温度发生变化时，均会产生长度和体积变化，从而导 致了热膨胀效应。热驱动克服了静电致动和电磁致动对距离依赖的弱点，而且作 用力大。热膨胀驱动方式最大的优点就是它具有很大的输出力和输出位移，但是 它的响应频率较低，且热驱动利用材料的热变形，精度无法保证。 以上驱动方式各有其优越性，但因点胶工艺的特点和需求，它们并未被推广 6 主壹签堂堡主堂笪堡茎二堑二咝 使用。在现有技术领域里，非接触式点胶主要用的驱动方式是气动驱动。 气动驱动是通过气控阀控制高压气流的进出来推动驱动器活塞上下移动，从 而推动喷针往复运动，实现挤压胶液的喷射过程。气动驱动提供的驱动力小，而 且要求汽缸的同轴度很高，很难实现大粘度胶液的喷射。 尽管如此，目前世界上只有美国的a s y m t e k 公司拥有气动驱动喷射点胶技 术的专利。为避免专利限制，实验室开发了基于电磁驱动和超磁致伸缩驱动的点 皎阀。 1 4 2 电磁驱动 电磁驱动可以克服气动驱动的缺点，它可以通过实现电磁铁与衔铁之间较小 的间隙以提供很大的驱动力，而且响应时间非常短，这有利于提高胶液喷射速度 和喷射精度。实验室已设计了一个电磁驱动胶液喷射阀，能较好的实现4 0 h z 以 内的往复运动， 虽然这种驱动器的体积较大、能量消耗较大，但是电磁驱动方式具有原理简 单、控制方便、性能稳定、输出力大等优点，通过对电流大小的控制可以很好地 进行力的控制。 143 韶磁敦伸缩驱动 超磁致伸缩材料被视为2 1 世纪提高一个国家科技综合竞争力的战略性功能 材料。超磁致伸缩材料具有伸缩量大、响应速度快、能量密度高等优良性能，在 位移驱动执行器、能量转换器、声能换能器、微定位器、微传感器领域的应用范 围将越柬越广。 作为一种新型的功能稀土材料，超磁致伸缩材料从被发现以来越来越成为各 国研究工作者的竞相研究开发的对象。特别是当其作为工业产品t e r f e n o l - d 产业 化开发至今，以其优越的综合性能逐渐有替代传统功能材料如压电陶瓷等的趋 势。超磁致伸缩器件与同属形状记忆功能材料的压电陶瓷器件相比，磁致伸缩器 件具有以下优点1 6 1 7 j ：( 1 ) 可产生5 - 1 0 倍于压电陶瓷的应变，可在低压下用；( 2 ) 在所有功能材料器件中能量密度最高，输出功率高；( 3 ) 结构紧凑，工作频率低( 数 百h z 数百k h z ) ，能量转换时损耗低；( 4 ) 工作温度范【目广。 超磁致伸缩执行器是超磁致伸缩材料的主要应用形式，是典型的物性型现代 执行器，近一些年以来一直是各因研究的热点，蕴含着巨大的生命力，应用前景 非常广阔。它具有响应速度快、伸缩系数大、输出力大、机电耦合系数高、能量 密度、响应速度快、可靠性高等优异特性，可广泛应用于声纳、精确定位、超精 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 密加工、机器人、微马达、减振降噪及微机电系统等领域【l 引。 由于稀土超磁致伸缩材料的上述优异性能，基于稀土超磁致伸缩材料的制动 器具有大位移、强力、大功率、控制精度高、响应速度快、可靠性高、能量转换 效率高、频带宽、驱动电源简单等主要优点，在高精度范围，其成本性能比远低 于传统致动器。因此项目中也采用选用超磁致伸缩执行器作为高速胶液喷射系统 的驱动部件之一。 电磁驱动和超磁致伸缩驱动的点胶阀都能实现高速点胶，但是因为现有的工 控机操作系统多采用w i n d o w s 系统，能提供的实时定时精度达不到高频的精度 要求【1 9 】，因此高速点胶控制系统中必须对这个问题提供硬件和软件上的解决方 案。在搭建控制系统硬件平台时，利用单片机定时精度较高的优点，开发了基于 单片机的精确脉宽控制器，有效的解决了高速点胶对控制精度的要求。 1 5 课题来源及文章结构 目前，中南大学在点胶技术的研究上取得了一些成果，实验室已经完成了胶 液流动的数值仿真分析、温度场有限元分析等一系列理论研究，并设计研制了气 动驱动、电磁驱动、超磁致伸缩驱动的接触式和非接触式点胶阀。其中电磁驱动 和超磁致伸缩驱动的点胶阀能分别实现4 0 h z 和1 0 0 h z 的高速点胶，但实验室原 来的点胶试验台无法集成以上点胶阀。 根据高速点胶对控制提出的要求，开发了一个可以集成多种驱动方式的点胶 阀、可以实现接触式和非接触式两种点胶模式的高速点胶平台。以平台为载体， 利用点胶阀进行点胶工艺分析和实验。本课题来源于国家高技术研究发展计划项 目“基于超磁致伸缩驱动的微量点胶系统研发”( 项目编号：2 0 0 7 a a 0 4 2 3 5 0 ) 。 本论文的内容将作如下安排： 第一章绪论部分，概述了微电子行业和封装技术的发展历程，对点胶的原 理进行了阐述并比较了三种接触式点胶的机理和优缺点，介绍了喷射点胶的原 理、特点和研究现状，并对本论文的选题和内容安排作了介绍。 第二章针对实验室自主研制的高速点胶阀及高速点胶的功能需求特点，完 成了控制系统核心硬件选型，设计了相应的接口电路图，拟定了控制系统关键参 数，建立了三轴联动高速点胶控制系统的硬件平台。分析了d m c 运动控制器的 功能特性和使用方法。针对高速点胶过程中的定时精度要求，提出了建立基于单 片机的脉宽控制器解决高速实时点胶的定时问题。 第三章对根据高速点胶的工艺特点，结合运动控制器的功能特性，确定了 高速点胶控制系统软件的总体结构和功能划分；解决了软件丌发中的关键i u j 题： 在此基础上完成了功能模块设计。 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第四章对三种点胶阀在已开发的高速点胶控制系统上进行了联机调试，修 正了调试中出现的硬件和软件问题。利用c c d 激光位移传感器对点胶机运动平 台的重复定位精度进行了测试。对接触式点胶和非接触式点胶分别进行了工艺分 析，依据项目技术指标，对相应模式下点、线两种图元的点胶工艺进行了运动规 划，并以实验验证了规划的科学性和可行性。 第五章全文总结与展望。 9 中南大学硕士学位论文 第二章高速点胶控制系统硬件设计 第二章高速点胶控制系统硬件设计 通过对于点胶技术的分析，搭建了面向课题的高速点胶平台。点胶的机械运 动大体上可以分为x y 平台的平面定位运动和z 轴的垂直往复运动。为保证运动 精度、方便软件实现，并对点胶过程的控制和监测，控制系统进行了适当的硬件 选型和搭配，采用了“通用p c 机+ d m c 运动控制器 的单机控制方案。本章首 先概述了点胶平台的总体结构，然后就系统主控方案的确定、控制系统硬件组成 结构、核心元件运动控制器的选型、接线及参数设置等进行详细论述。 2 1 接触式非接触式点胶系统概述 点胶系统的主要由下面几部分组成：恒压供气系统( 包括气源设备、气源处 理元件、压力控制阀、润滑元件、方向控制阀、连接气管等) 、控制系统( 包括 运动控制器、伺服驱动器、电机等及其电气连接、软件系统等) 、接触式非接触 式点胶阀等。 a 气动驱动b 电磁驱动c 超磁致伸缩驱动 图2 1 三种驱动方式的非接触式点胶阀实物图 非接触式点胶阀的工作原理如下【2 0 j ：在控制系统的电信号作用下，点胶阀 内的驱动部件被驱动；驱动力驱使活塞带动喷针顶起；高压空气驱使胶液充满胶 液腔。延迟一段时i 日j 后活塞和喷针向下运动。喷针术端与基座碰撞，流动的胶液 被切断，球面以下的胶液部分在喷嘴出口处克服表面张力喷射出来，形成胶滴。 喷针在最低位置停留一段时问，然后丌始下一个运动周期。图2 - 2 中喷针位于最 高位置。 l o 中南大学硕士学位论文 第二章高速点胶控制系统硬件设计 活睾职块 图2 2 点胶阀原理示意图 接触式点胶比非接触式点胶在工艺上更为复杂，活塞与喷针的往复运动使胶 液在喷嘴处累计，并沿针管向下流动，在针管口进行胶球演变，点胶阀沿z 轴 向下运动，胶液在基板上浸润铺展后针头回撤，然后开始下一个运动周期。 图2 3 接触式点胶阀的针头 在实际点胶中，点胶阀的水平运动与点胶动作相匹配，便可点出各种图案。 整个点胶过程是整个系统各个子系统共同协调作用的过程，任何子系统或部件的 失配将使点胶效果变差，无法完成好的点胶。所以系统集成必须紧紧围绕这个原 则来设计系统的软硬件部分，伎整个的系统可以集中控制。 点胶系统要集成接触式和非接触式两类点胶阀，就要求系统既能充分发挥非 接触式点胶的优越性，又要满足接触式点胶工艺的高度敏感性，因而对点胶平台 的运动参数和技术指标提出了新的要求。 点胶装置所需达到的技术指标为： 运动平台行程范围为：x 轴：1 0 0 r n m ，y 轴：8 0 m m ，z 轴：6 0 m m ； x y - z 轴运动设置参数：最大加速度为l g ，最大速度为0 2 m s ； x y - z 轴重复定位精度：x y 轴为0 o l o m m ；z 轴为o 0 0 3 m m ； 点胶速度：1 0 点秒以上。 中南大学硕士学位论文第二章高速点胶控制系统硬件设计 2 2 系统主控方案与硬件结构 2 2 1 主控方案 就结构形式而言，当今世界上的控制系统大致可分为4 种类型，分别是开放 式控制系统、“p c 嵌入n c 结构的开放式控制系统、“n c 嵌入p c ”结构的开 放式控制系统、s o f t 型开放式控制系统1 2 。 其中“n c 嵌入p c ”结构的开放式控制系统由p c 机+ 开放体系结构运动控 制卡构成。这种运动控制卡通常选用高速d s p 作为c p u ，具有很强的运动控制 和p l c 控制能力，它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库 供用户在w i n d o w s 平台下自行开发构造所需的控制系统，因而这种开放结构运 动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。 p c 机有广阔的技术资源，足够的技术平台，并具有较好的性价比。因此， 我们确定了点胶系统的主控部分采用采用“n c 嵌入p c 结构这一方案，即p c 机+ 开放体系结构运动控制卡。 2 2 2 硬件组成 控制系统的硬件结构设计主要包括工业p c 机+ 运动控制器，伺服驱动系统， 点胶阀驱动系统，机器视觉系统等。控制部分包括工业控制计算机、运动控制卡、 互联模块；运动执行部分包括交流伺服系统、点胶部件等。主要部件的采用如下： 主计算机：工业控制计算机( c r 21 8 6 g h z 1 0 2 4 mr a m ) 。 运动控制器：美国g a l i l 公司d m c 18 4 0 四轴控制卡，互联模块 p i c m 3 9 0 0 s 。 伺服驱动系统：日本松下公司的m h m d 0 2 2 p l u 型进给电机，m a d d t l 2 0 7 型交流伺服驱动器。 显示操作：1 9 英寸c r t ，a d v a n t e c hp c 标准键盘，控制面板。 硬件结构图如图2 4 。 1 2 中南大学硕士学位论文第二章高速点胶控制系统硬件设计 ，1 兰竺竺竖竺量兰 - l 塑墨皇竺i 厂_ r 1 ，匦囹岖囹 l 岖巫圃岖囹 亟 j 一( 垂圆 叫激光型位移传感器卜一一j r 1 1 ( 二堕垂互 图2 _ 4 高速点胶控制系统