面向芯片封装的高速精密定位平台控制系统设计

恕丝骢螨⑨天毕大薯■■■…■……～－一…－＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿一学科专业：机械制造及其自动化作者姓名：杜伟涛指导教师：张大卫教授硕士学位论文２００６年１月摘要本文以开发面向ＩＣ封装的高速、高精度定位系统为目标，以两自由度笛卡尔坐标型高速、高精度定位平台为对象，研究了提高其速度与精度的控制策略和方法，并建造出ＸＹ精密定位平台样机一台。取得如下成果：口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ｘＹ精密定位平台运动学解耦的特点口将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，并建立了直线音圈电机的动态方程。最终，结合系统特点，建立了系统的机电耦合模型。口在系统机电耦合模型基础上，应用最小节拍响应控制策略进行控制，该方法以最小的超调量快速达到稳态响应的允许波动范围，并能持续保持在该波动范围内的时间响应为前提，对控制参数进行优化调整，最终得到理想的控制结果。理论分析和实验证明，能够满足封装设备的精度、速度需求。口针对上述理论分析，采用激光干涉仪对平台进行实验分析，最终得出运动平台系统的性能指标。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ＸＹ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划（８６３计划）专家组的验收。以上工作对于推动高速高精密芯片封装设备控制方法研究，拓展其工程应用具有重要的意义。关键词：定位平台，封装，动力学建模，最小节拍响应，直线音圈电机ＡＢＳＴＲＡＣＴＡｉｍｅｄａｔａｔｗｏＤＯＦｈｉｇｈｓｐｅｅｄａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｔａｂｌｅｆｏｒＩＣｐａｃｋａｇｉｎｇ，ｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｄｅａｌｓｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｔｏｅＩｌｌｌａｎｃｅｉｔｓｓｐｅｅｄａｎｄｐｒｅｃｉｓｅａｌｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｓａｒｅｓｕｌｔ，ａｐｒｏｔｏｔｙｐｅｍａｃｈｉｎｅｏｆＸＹｔａｂｌｅｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｃｒｅａｔｉｖｅｗｏｒｋｓｈａｖｅｂｅｅｎｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．ａｃｔｕａｔｏｒ口Ａｖｏｉｃｅｃｏｉｌｄｉｒｅｃｔ－ｄｒｉｖｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎＸＹｔａｂｌｅｐａｔｅｎｔｅｄｔｏｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ａｎｅｗｆｌｅｘｉｂｌｅｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｂｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄｔｈｅｕ∞ｉｎｔｈｅｔａｂｌｅ．Ｓｏｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｃａｌｌｍｏｕｎｔｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｅｍｏｖｉｎｇｉｎｅｒｔｉａｈａｓｂｅｅｎｒｅｄｕｃｅｄ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ．ｔａｂｌｅｉｓｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌＸＹｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔａｂｌｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ口Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｔａｂｌｅ弱ｌｕｍｐｅｄｏｆｍａｓｓｓｐｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｄｙｎ锄ｉｃｍｏｄｅｌｏｆＸａｘｉａｌｔａｂｌｅａｎｄＹａｘｉａｌｔａｂｌｅｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎａｌｙｔｉｃｓｏｌｕｔｉｏｎｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ＴｈｅｇｉｖｅｎｂｙｕｓｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｔｅｐｒｅｓｐｏｎｓｅｓａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｉｍｐｕｌｓｅｒｅｓｐｏｎｓｅｓｖｏｉｃｅｃｏｉｌａｃｔｕａｔｏｒｉｓｏｆｔｈｅＸａｘｉａｌｔａｂｌｅａｎｄＹａｘｉａｌｔａｂｌｅｈａｖｅｂｅｅｎｏｆＬａｐｌａｃｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｌｉｎｅａｌｆｏｒｍｕｌａｔｅｄ．ｔｏｏ．１１１ｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｂｏｖｅｏｕｔｃｏｍｅｓｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｕｐｌｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｔａｂｌｅ．ｃｏｕｐｌｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅ口Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｔａｂｌｅ，ａｎｄｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍｄｅａｄｂｅａｔｒｅｓｐｏｎｓｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｒｅｓｏｎａｎｃｅａｔｈｉ【ｇｈａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｒａｔｅｓ．Ｆｒｏｍｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅｕｓｅｄｔｈｅａｂｏｖｅｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｈａｓａｎｄｒｏｂｕｓｔ．ａｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆａｖｏｒａｂｌｅｄｙｎａｍｉｃａｎｄｓｔａｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ口Ｔｈｅ口ＴｈｅＬａｓｅｒｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｐｕｔｕｐｔｏｆｉｎｉｓｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｔｏｇｅｔｔｈｅｃａｐａｂｉｌｉｔｙｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅｔａｂｌｅ．ａｂｏｖｅｏｕｔｃｏｍｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｕｓｅｄｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｐｒｏｔｏｔｙｐｅｍａｃｈｉｎｅａｎｄｏｆＸＹｔａｂｌｅ．ＴｈｅＸＹｔａｂｌｅｗｉｔｈｈｉｇｈｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｈｉｇｌｌｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｔｏｔｙｐｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｌｓｏＣａｎｒｅａｃｈｖｅｒｙｈｉｇｈｓｐｅｅｄｂｙｔｈｅａｎｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ．ＴｈｅｍａｃｈｉｎｅｈａｓｂｅｅｎｃｈｅｃｋｅｄａｎｄａｃｃｅｐｔｅｄｅｘｐｅｒｔｃｏｍｍｉＲｅｅｏｆＴｈｅＮａｔｉｏｎａｌＨｉｇｈＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ（８６３Ｐｒｏｇｒａｍ）．ⅡＴｈｅｗｏｒｋａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄｉｎｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｉｓｖｅｒｙｍｅａｎｉｎｇｆｕｌｆｏｒｐｒｏｍｏｔｉｎｇｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｈｉｇｈｓｐｅｅｄａｎｄｈｉ曲ｐｒｅｃｉｓｉｏｎＩＣｐａｃｋａｇｉｎｇｍａｃｈｉｎｅａｎｄｅｘｐａｎｄｉｎｇｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎａｕｔｏｍａｔｉｃｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｔａｂｌｅ，ｐａｃｋａｇｉｎｇ，Ｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｍｉｎｉｍｕｍｄｅａｄｂｅａｔｒｅｓｐｏｎｓｅ，ＬｉｎｅａｒｖｏｉｃｅｃｏｉｌａｃｔｕａｔｏｒＩ¨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，也不包含为获得鑫鲞盘茎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：缸ｆ｝，磅签字日期：，卯，年ｊ月）∥日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解鑫盗盘茎有关保留、使用学位论文的规定。特授权鑫鲞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：求ｆ＃跨签字日期：埘‘年１月石日导师签名：刀右ｚ签字日期：泖年二月ｚ厂日第一章绪论第一章绪论１．１课题的研究意义和来源芯片（Ｉｃ—叱ｔｅ鲥ＩｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）产业是信息产业的核心，芯片是所有整机设备的心脏。随着技术的发展，系统芯片本身已成为一部高技术的整机，它几乎存在于所有工业部门，甚至决定一个国家的装备水平和竞争实力。美国半导体咨询委员会在给布什总统的国情咨文中称其为“生死攸关的工业”，韩国称其为“工业粮食”。正因为如此，芯片产业成为当今世界发展最为迅速和竞争最为激烈的产业。国家《信息产业“十五”计划纲要》也明确提出，软件、集成电路、新型元器件是电子信息产品制造业竞争力的核心。《纲要》还指出：美国、日本在电子信息产品制造业的霸主地位是由于他们掌握并垄断着核心软件、集成电路和关键元器件设计与生产。加强核心软件、集成电路和关键元器件设计与生产是“十五”我国信息产业发展的重中之重。目前，随着我国“中国芯”产业化进程的加快，我国Ｉｃ产业正面临着难得的发展机遇和挑战。主要表现在：一方面，我国芯片需求越来越大，商务部统计，预计到２０１０年，中国芯片的需求量将达到７００亿块。另一方面，我国芯片制造的核心技术、关键设备、ＩＰ核、关键原材料等长期依靠进口，由于西方国家的出口限制，我国在芯片技术、设备上受制于人的局面尚未扭转。国内芯片设计公司规模偏小、技术落后，缺乏自主知识产权。因此，中国作为设计、生产芯片的弱国和消费芯片的强国这一矛盾将日趋激化，新的芯片扶持政策成了摆在政府面前的重大命题。一个完整的芯片产业链应该包括芯片设计业、芯片制造业、封装测试业、支撑业和金融及相关的服务行业。而国内的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，作为芯片产业的重要环节——芯片封装制约着产业主题的良性发展１１４。封装是指安装半导体继承电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片的作用，而且是沟通芯片内部与外部电路的桥梁１３１１５－８１。所谓Ｉｃ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他器件连接。因此，封装对集成电路起着重要的作用１９］１１０１。现在正在生产线中广泛使用的封装设备为引线键合机（Ｗｉｒｅｂｏｎｄｉｎｇ）（图１．１），第一章绪论图１．１金丝球焊及芯片封装图图１．２焊接循环图图１－３球形焊接形式图ｌ－４楔形焊接形式通过引线，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（图１－２）。根据焊点的不同形状，有球焊（ＢａｌｌＢｏｎｄｉｎｇ）（图１．３）和楔焊（ＷｅｄｇｅＢｏｎｄｉｎｇ）（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形热压焊【１１。１７１。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，ＩＣ芯片的集成度不断提高【２】【８洲，对Ｉｃ封装也提出了更高的要求：单位体积信息的提高（高密度化）；单位时间处理速度的提高（高速化）。因此Ｉｃ封装技术也向着高集成化、高性能化、多引线和细间距化发展，高速、高精度的需求日益紧迫【２”８１。为进一步提高质量和生产效率，对该类设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，也体现了该类作业设备向高速、高精度方向发展的趋势１１１１２９１。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的发展Ｄ０－３５］。第一章绪论现有的引线键合机，多采用串联型的直线定位工作台（电机．丝杠．螺母）机构形式，存在着运动间隙、惯量大等不足，限制了精度、速度和加速度的进一步提高。芯片焊接加工的高速、高加速度特点使平台在高速、高频起停运动过程中不可避免的产生振荡，影响定位精度。因此，发展具有我国自主知识产权的封装制造设备核心技术，开展基于新的驱动方式、控制方法的新型高速、高精度定位系统的关键技术研究，是ＩＣ制造装备中的重要研究内容之一，对促进ＩＣ制造技术的发展进而加快我国的ＩＣ产业化进程具有重要的意义，是加快我国ＩＣ产业国际竞争力的前提保证。本研究课题得到国家高技术研究发展计划（８６３计划）（２００３ＡＡ４０４０６０）基金资助。１．２国内外研究状况现有典型的封装设备如引线键合机实质上都是由三自由度的往复运动机构和辅助部件构成【３６１，其中主要的定位机构多为两自由度ＸＹ定位平台［３７１。由于高速和高精度的要求是相互矛盾的，为解决此矛盾，国内外的研究工作者主要集中在新的驱动形式、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研究。这也正是芯片封装设备中的关键基础设备。结合本论文的运动控制研究方向，下面将主要对动力学建模与有效的控制方法国内外研究状况进行叙述。１．２．１动力学建模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【３８１１３¨１１，牛顿一欧拉法的特点是物理意义明确。Ｙｕｎｇ．ＴｉｅｎＬｉｕ［ａ２】【４３】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。ＳｈｉｇｅｒｕＦｕｔａｍｉｌ４４１等则利用第一章绪论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．Ｊｏｕ锄ｅｈ【４５Ｊ等利用参数辨识法，建立了ＸＹ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ＰＩＤ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。１．２．２运动控制ＩＣ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０．４“ｍ，至ｔＪｌ９９６年已发展Ｎｏ．１９ｍ），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耐蜘。具体至ＩＪｌＣ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ＸＹ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．Ｌｉｕ［４７１等利用基于定量反馈理论（ＱＦＴ）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ＸＹ定位平台最大加速度可达到６．８９。Ｓ．Ｅｎｄｏｔ４８】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ＰＤ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ＸＹ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．Ｓｍｉｔｈ［４ｌ】等则研究采用包含ＰＩＤ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。ＢｉｎⅥＩｏ【４９】等基于间断映射法构造了ＡＲＣ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。ＥＶａｎｄｅｎＢｒａｅｍｂｕｓｓｃｈｅ［５０ｌ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．Ｗ．Ｐａｒｋ［５１ｌ等对音圈电机实旌鲁捧控制策略，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第一章绪论能。ＨｉｒｏｓｈｉＴａｋａｈａｓｈｉｌ５２］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ＸＹ定位平台中ｘ轴向和Ｙ轴向的动态特性，与简单的ＰＤ控制器相结合提高了轮廓跟踪性能。ＪｉａｎＷａｎｇ［５３１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ＸＹ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ＸＹ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，ＰＩＤ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，但其实时性和参数调节烦琐。因此针对实际情况，寻找合适的控制策略，是研究ＸＹ定位平台机电耦合控制系统控制方法的关键。而以ＰＩＤ控制策略为基础，加以扩展和开发的相关控制方法，就具有了相对较高的现实研究意义。１．３本文主要研究内容本文密切结合国家高新技术研究发展计划基金资助项目——面向ＭＥＭＳ加工的精密定位技术的研究，以ＸＹ定位平台为研究对象，机械动力学和现代控制理论为工具，探讨和研究提高两自由度定位平台运动速度与精度的控制方法，并通过试验进行验证。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，并提出主要研究内容。第二章运动平台的总体设计。提出了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、高精度定位运动平台，并以ＰＡＲＫＥＲ公司的ＡＣＲｌ５０５控制卡为中心组成系统的控制部分。第三章运动平台数学建模。建立ｘＹ定位平台的动力学模型、音圈电机的数学模型，以及整个运动控制伺服系统机电耦合数学模型。第四章定位平台运动控制。结合伺服系统机电耦合数学模型，建立机电系统传递函数，采用最小节拍响应控制策略对系统进行控制，并进行仿真分析。第五章平台性能实验。通过定位精度和动态特性试验考察所研ＮｘＹ精密定位平台样机精度和动态特性，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。第一章绪论第六章给出全文结论和今后工作展望。除本章及最后一章外，全文其他章节均以引言开始，简要介绍各章研究内容和目标，并以小结结束，简要归纳各章所得结论。第二章定位平台总体设计第二章定位平台总体设计２．１引言ＩＣ封装设备需要满足高速、高精度运动定位系统性能要求，所以应具有高刚度的机械结构，简洁的驱动模式以及高性能的驱动电机和适当的控制策略。基于此，本文提出设计一种基于高性能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定位平台。在此基础上，应用ＰＡＲＫＥＲ公司的ＡＣＲｌ５０５控制卡搭建控制系统，应用合理的控制策略，最终达到高速、高精度的定位要求。２．２总体结构设计根据Ｉｃ封装加工的特点，对ＸＹ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）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Ｉｃ封装技术的发展，为提高ＩＣ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５１ｕｎ、加速度大于５０ｍ／ｓ２、封装速度１５．２５次／ｓ等。根据上述要求，结合课题所依托项目的具体要求，对所设计的ｘＹ定位平台提出如下的技术指标：运动范围：重复定位精度：５０ｍｍＸ５０ｍｍ±２１．ｔｍ最大运动速度：０．５ｍ／ｓ最大运动加速度：５０ｎｌ／ｓ２最大负重质量：ｌｋｇ单轴稳定时间：４０ｍｓ图２一ｌ所示为设计的ＸＹ定位平台方案图。该ＸＹ定位平台主要由基座、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、直第二章定位平台总体设计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，１０．Ｙ轴向交叉滚子导轨，１１．ｘ轴向交叉滚子导轨，１２．Ｘ轴向直线光栅尺，１３．Ｙ轴向定位平台，１４．Ｘ轴向定位平台，１５．滑块导轨，１６．弹性铰链，１７．预紧弹簧。１８．基座图２．１音圈电机直接驱动ＸＹ定位平台三维造型图线光栅尺等构成，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轴向定位平台通过推力板与Ｘ轴向驱动直线音圈电机固接，Ｙ轴向定位平台安装在ｘ轴向定位平台上部，并通过弹性解耦机构与Ｙ轴向驱动直线音圈电机连接。Ｙ轴向定位平台也可以随同Ｘ轴向定位平台在Ｘ轴向上运动。基座上安装的直线光栅用作Ｘ轴向定位平台的末端位置反馈元件，Ｘ轴向定位平台上安装的直线光栅用作Ｙ轴向定位平台的末端位置反馈元件，从而较好地保证了系统的高速高精度。上述ＸＹ平台中具体的弹性解耦机构为：Ｙ轴向驱动直线音圈电机与导向滑板固接，导向滑板安装在基座上并可沿滑块导轨在Ｙ轴向上运动；预紧连杆一端安装在导向滑板上，另一端与预紧弹簧一端相连，预紧弹簧的另一端与导第二章定付平台总体设计向滑板固连；前、后滚针轴承均安装在导向滑板上并分别与前导轮板和后导轮板滚动接触。Ｙ轴向直线音圈电机可通过该弹性解耦机构驱动Ｙ轴向定位平台在Ｙ轴向上的运动。当ｘ轴向定位平台带动Ｙ轴向定位平台在Ｘ轴向上运动时，前、后滚针轴承分别沿着前导轮板和后导轮板滚动，从而实现Ｙ轴向和ｘ轴向上的运动解耦。为消除传统电机一丝杠式ＸＹ定位平台中传动环节存在的间隙等不足，这里设计的ＸＹ平台，采用高性能直线音圈电机直接驱动，省去了传动环节。在Ｙ轴向驱动直线音圈电机和Ｙ轴向定位平台之间采用新型无间隙弹性解耦机构，从而将驱动部件置于底座上，降低了机构的运动惯量，改善了系统的动态特性，使定位平台实现高速、高精度的运动成为可能，同时具有传统ＸＹ定位平台运动学解耦的特点。２．２．１弹性解耦机构设计为实现ＸＹ定位平台中ｘ轴向与Ｙ轴向的运动解耦，同时避免在高速和高加速运动条件下定位系统出现的残余振动，在Ｙ轴向定位平台和Ｙ轴向驱动电机之间采用了新型弹性解耦机构（见图２－２）。电艇Ｙ”Ｊ一嚏九翔ＫＸ向ｆｉ线ｊ１二礓Ｒ图２—２ＸＹ定位平台结构框图第一二章定位平台总体设计弹性解耦机构主要由导向滑板、导轮轴、滚针轴承、预紧连杆、预紧弹簧、导轮板和弹性铰链组成。其中预紧弹簧和弹性铰链为两个重要的弹性环节。这样设计不仅可以消除装配误差引起的变形干涉，而且可以消除高速、高加速运动中产生的惯性动载荷引起的瞬时干涉现象。所设置的弹性铰链的作用有两方面：一是，通过弹性铰链可以消除装配误差引起的变形干涉；二是，由于高速、高加速运动机构在运动中会产生很大的惯性动载荷，当两轴向定位平台同时运动时，不可避免地会出现瞬时干涉现象，通过采用弹性铰链，则可以依靠弹性铰链的微小变形消除此类干涉现象。预紧弹簧的设置可以消除装配间隙，这对于精密定位系统而言是非常重要的。而弹簧刚度和预载的选择，对平台性能起决定性作用。弹簧有效力太大，会产生不必要的动态力和过度磨损，且失去弹性环节的优势；弹簧有效力太小，则在产生最大惯性力时刻滚针轴承和导轮板脱离，导致平台振荡。因此，如何正确选择预紧弹簧的刚度和预紧力，对实现定位平台的高速、高精度运动的目标至关重要。２．２．２音圈电机音圈电机（ＶｏｉｃｅＣｏｉｌＡｃｔｕａｔｏｒ）是一种特殊结构形式的新型直驱电机。由于音圈电机无需传动机构，所以没有传动机械的磨损，并具有噪声低、机构简单、体积小、维护方便等优点。其工作原理是洛伦兹力原理，即通电导体放在磁场中，就会产生力Ｆ，力的大小取决于磁场强度Ｂ，电流Ｌ以及磁场和电流的方向。若有长度为￡的．Ⅳ根导线放在磁场中，则作用在导线上的力可表示为式２—１所示的形式，式中七为常数。基于此原理制造的音圈电机具有高速、高精度、响应快、无滞后、无限分辨率和线性控制等特性，是直接驱动的理想伺服装置。多应用在高加速、高频激励以及需要平滑力一位移输出的直线或旋转运动中【纬５６１。根据音圈电机的工作原理，在确定的磁路内，直线音圈电机产生的力与通过其线圈中的电流成比例。力与电流之比值称为音圈电机的力常数，Ｋｅ：Ｆ＝ｋＢＬＩＮ＝＞ｋＢＬＮ＝Ｆ｝Ｉ＝＞Ｋ。＝Ｆ｝Ｉｔ２—１）力常数是电流驱动音圈电机的一个重要参数，是综合反映电机性能的主要参数，直接影响系统的运动速度和精度１５”１５…。第二章定位平台总体设计图２—３所示是音圈电机的等效电路图。当给两端施加电压州，在回路内有电流，。同时，电机产生漏感抗压降【庙。此漏感抗压降与移动线圈的速度成比例，且与施加电压方向相反。系数为ｄ明：Ｕ口＝ｖＫ口＝１，（１．３５６ＫＦ）线圈电感工的感应压降沈为：（２・２）卟上鲁（２－３）Ｕｓ并用￡，ｃ表示通过电阻Ｒ的电压，则根据基尔霍夫电压定律可以得出：ｆ—ｖＫｓ）Ｕ＝踢寸％＋玩（２－４）由峰值力∞功、平均连续力（ＦＩｎｔＳ）、直线速度（ｖ）和总行程（Ｄ归个参数可以选择直线音圈电机。ＵＬ（吐ｄｌ／ｄｔ）图２－３音圈电机的等效电路图２．３定位平台控制系统根据ＸＹ精密定位平台的控制性能要求，采用基于计算机数字控制器的数控系统（见图２—４）。ｉｆ静舰ＡＣＲｌ５，０５塑拧捌＃ＬＡＡ－５铡雾曲嚣Ｉ．．ＡＬ３００型盘线矗隧也帆ＲＧＩ－１２２Ｚ燃矗牲屯礴图２－４控制系统硬件配置图该控制系统的主要组成部分如下：（１）主控模块第二章定位平台总体设计由于实际采用的控制卡要求必须是ＡＴＸ电源和主板方能满足需要，且处理器最少是Ｐｅｎｔｉｕｍ２００ＭＨｚ，内存最低６４ＭＢ，这里采用联想ＰｅｎｔｉｕｍＩＶ计算机完成闭环ＰＩＤ控制算法。（２）运动控制单元采用美国ＰＡＲＫＥＲ公司的ＡＣＲｌ５０５控制卡（图２—５），该卡为４轴伺服或步进运动控制卡，１２０ＭＦＬＯＰＳ，３２位浮点ＤＳＰ，可通过标准的ＰＣＩ总线与ＰＣ机连接，编码器输入频率为３０ＭＨｚｍａｘ，Ｉ／Ｏ输入／输出为４８个ｒｒＬ；可配标准的Ｏｐｔｏ２２光电隔离，可选二个串行口和一个并行口，可选８个１２位或１６位模拟输入，且可通过自身附带的连接卡与多个放大器连接，具有伺服更新、轨迹计算和插补功能。甓§兹然ｙ”““。。。：；鬈：：裟怒黑嬲；”图２－５ＡＣＲｌ５０５控制卡第一二章定侍平台总体设计（３）驱动器为与直线音圈电机相配套使用，采用美国ＳＭＡＣ公司的ＬＡＡ．５型放大器（如图２—６）。其操作电源：２４ＶＤＣ／３Ａｍｐｓ或４８ＶＤＣ／３Ａｍｐｓ，输入控制讯号：＋／－１０Ｖｏｌｔｓ，输出控制致动器电流：＋／－３Ａｍｐｓ，操作温度：０Ｃ一５０Ｃ，调变频率：５５ＫＨｚ。Ｓ＿’口螗埔酬ｍｅｒ埘ｆＩ、月＊椭一－ｔ／－ｔＯＶｏｂ辆Ｐ嚏静ｄ■Ｉ啉，Ｏ－３■ｒ｜ｐｅ侧ｑ斌匹碉图２－６ｕ姨．５型放大器（４）执行元件采用美国ＳＭＡＣ公司的ＬＡＬ３００．０５０．８５．Ｂ型直线音圈电机（图２—７）作为执行元件。其特点是，响应快、速度高、加速度大、分辨率高、体积小，非常适合该系统的需要。图２－７ＬＡＬ３００型直线音圈电机第二章定位平台总体设计（５）反馈单元结合系统性能特点和实际的技术要求，采用ＲＥＮＩＳＨＡＷ公司的ＲＧＨ２２Ｚ型直线光栅作为位置反馈元件，其分辨率是０．５９ｍ。２．４样机开发为保证质量，提高所研制开发系统的可靠性，在机构零部件选配上，尽量选用成熟产品，关键零部件选用了进口件。直线音圈电机是选用美国ｓＭＡＣ公司的ＬＡＬ３００．０５０－８５．Ｂ型直线音圈电机。其基本参数为：最大驱动力２０２Ｎ，最大行程为５０ｍｍ，力常数为８６，移动质量为０．８ｋｇ，驱动电压为４８Ｖ。Ｘ轴向和Ｙ轴向音圈电机选择相同型号电机。导轨选用日本邢ｃ公司的直线运动导轨，分别为ＶＲ３．１２５ＰＸｌ７ｚ型交叉滚子导轨和ＲＳＨ．９ＫＭ型滑块直线运动导轨。轴承是选用德国ＩＮＡ公司的滚针轴承，前滚针轴承型号为ＮＫ－９／１２ＴＮ，后滚针轴承型号为ＮＫ－８／１２ＴＮ。对重要部件，如ｘ轴向定位平台、Ｙ轴向定位平台、导向滑板、支撑板、推力板支撑柱以及基座等均采用进口硬铝材料；弹性铰链、导轮板和推力板采用６５Ｍｎ的合金钢材料。对所有构件加工工艺、制造质量和整机装配质量严格把关，并制定了相应的制造和装配工艺以有效地保证制造和装配精度。图２．８ＸＹ定位平台样机照片第二章定位平台总体设计图２－９ＸＹ定位平台样机及弹性解耦机为保证机构控制的灵活方便，并与适当的控制策略相结合有效地对系统实施控制。在机构控制系统方面，控制器采用美国ＰＡＲＫＥＲ公司的ＡＣＲｌ５０５型４轴控制卡。驱动器选用美国ＳＭＡＣ公司的ｕ诅．５型放大器。考虑到本系统精度和速度的要求，位置反馈元件采用英国ＲＥＮＩＳＨＡＷ公司的ＲＧＨ２２Ｚ型直线光栅作为位置反馈装置，其分辨率是０．５１ａｍ。在前述设计选型的基础上，通过制定合理的加工工艺以保证制造质量，采用有效的装配工艺来对整机装配质量严格把关，有效地保证了制造和装配精度。加工生产出高速、高精度ＸＹ定位平台样机一套（见图２．８和图２．９所示）。２．５本章小结本章紧密结合Ｉｃ封装设备中ＸＹ精密定位平台的技术要求，开发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。得出如下结论：１．采用直线音圈电机直接驱动ＸＹ定位平台，有效地提高ＸＹ精密定位平台的性能，特别是可以有效地提高定位系统的响应特性，实现定位系统的高速、高精度定位特性。２．在Ｙ轴向驱动直线音圈电机和定位平台之间采用新型无间隙弹性解耦机构，从而将驱动部件置于底座上，降低了机构的运动惯量，改善了系统的动态特第一二章定伊平台总体设计性，使定位平台实现高速、高精度运动成为可能，并且具有传统ＸＹ定位平台运动学解耦的特点，同时也避免了在高速、高加速度运动条件下定位系统出现的残余振动。３．采用ＡＣＲｌ５０５控制卡控制核心，高性能直线光栅作为系统末端位置反馈元件，形成闭环控制回路，实时检测定位平台的位置，通过闭环控制算法消除位置误差，保证了系统的高速、高精度运动。第二章定侍平台数学模犁第三章定位平台数学模型３．１引言本章依据ＸＹ定位平台的结构和运动形式以及直线音圈电机原理建立定位平台的数学模型。由于在ＸＹ定位平台机构中，ｘ轴向机构和Ｙ轴向机构结构配置形式不同，因此，将分别建立其动力学模型。联系平台动力学模型和音圈电机数学模型，可建立定位平台机电耦合数学模型，结合实际ｘＹ运动平台，经过测量与计算，得到数学模型中各参数的实际意义与数值，为后续控制系统设计提供理论基础。３．２定位平台机电耦合建模定位平台的动力学模型不仅是动力学特性分析的基础，也是定位平台闭环控制算法仿真的必要环节。作为高速度、高精度的精密定位系统，机构的柔性对动态性能和工作精度的影响不容忽视。而且，从机械系统动力学观点看，要实现高速、高精度的目标就必须保证系统具备优良的动态品质。为此，需要研究高速、高加速度条件下的刚柔耦合系统动态特性。３．２．１Ｙ轴向动力学建模根据定位平台在Ｙ轴向的结构特点和实际工作情况，将定位平台等效成图３－１所示的集中质量系统。图３一】Ｙ轴向定位平台的动力学模型第二章定仿平台数学模犁系统总体上等效为刚一弹系统。该刚一弹系统中，把弹性铰链、前导轮板和前滚针轴承之间的赫兹接触、预紧机构等效为刚度为ｋｙ２的弹簧。Ｙ轴向驱动音圈电机的电磁刚度等效成刚度为白ｌ的弹簧。ｃｙ２为Ｙ轴向定位平台ｙ轴向等效阻尼系数，ｏＪ为导向滑板的ｙ轴向等效阻尼系数。Ｙ轴向定位平台和导向滑板可以视为刚体，Ｙ轴向定位平台及其附属构件的等效质量为Ｍｙ２，导向滑板及其附属构件的等效质量为％ｒｌ。Ｆ为Ｙ轴向驱动直线音圈电机的驱动力。根据牛顿第二定律，可得Ｙ轴向定位平台的运动微分方程为：Ｍ．，爹＋口ｊ，＋ｃｙ＝Ｆ即：（３‘１）同与ｔ挚峋誓吗ｔｙｔ＋舄：㈣扩吲等－誓）Ｋｙ２（ｙ，－ｙ９＋％ｃ鲁・警№等，＋％‘蓄。吾№等３．２．１（３－２）（３－３）Ｘ轴向动力学建模根据定位平台在Ｙ轴向的结构特点和实际工作情况，将定位平台等效成图３．１所示的集中质量系统。荫图３－２Ｘ轴向定位平台的动力学模系统总体上为刚一弹系统。在该刚一弹系统中，由于推力板、Ｘ轴向驱动音圈电机的电磁刚度等效成刚度为奴的弹簧。Ｃｘ为ｘ轴向定位平台ｘ轴向等效阻尼系数。Ｘ轴向定位平台连同Ｙ轴向定位平台及其附属构件的等效质量为｜］ｌ矗。Ｆ为ｘ轴向驱动直线音圈电机的驱动力。根据牛顿第二定律，可得ｘ轴向定位平台的运动微分方程为：第三章定位平台数学模型Ｆ搬紊＋Ｑ面＋ＫｘｘＦ—Ｍｘ等＋Ｑ芸懈３．２．３音圈电机动态数学方程（３－４）直线音圈电机的原理如图３．３所示。电机工作时，当输入电压Ｕ时，输出是速度ｖｍ（位移枷）。该输出又是机械系统的输入速度Ⅱ位移砌。根据音圈电机工作原理，当输入电压Ｕ时，在回路中产生相应的电流，，电流与磁场相互作用就产生力，’ｍ，力的大小与磁场的磁通和电流，成正比。，瓴（＿ｋｄｌ／ｄｔ）图３－３直线音圈电机原理图根据第二章的直线音圈电机等效电路模型和基尔霍夫电压定律，可得出直线音圈电机的电压控制方程为：（３—５）式中：Ｕ为驱动电机的控制电压，沈为控制回路的电阻压降，且，Ｕｃ＝ＩＲ（３—６）（３－７）（３－８）ＵＬ为控制回路的线圈电感的感应压降，且，【７ｐＬ粤ｍＵａ为反电势，且，ＵＢ＝ｖＫＢ第＝章定付平台数学模型ＫＢ＝１．３５６ＫＦ（３－９）其中，Ｒ为驱动电路的等效电阻，伪驱动电路电流，工为驱动电路线圈电感，ｖ为电机移动线圈的运动速度，缸为电机的力常数，ＫＢ为漏感抗压降与线圈移动速度的比例系数。将式（３－６）、式（３—７）和式（３—８）代入式（３—５）得：ｕ：，置＋Ｌ丝＋ｖＫ口出（３．１０）另外，根据直线音圈电机的工作原理有：Ｆ＝ＫＦＩ（３－１１）３．２．４机电耦合数学模型由上两小节ｘＹ运动平台的数学模型以及音圈电机动态数学方程，把电机的输出力与运动平台的输入力结合，考虑运动部分的位移、速度与加速度关系，可以得到运动平台的机电耦合模型。由式（３－４）、（３－１０）和（３－１１）可得到Ｘ轴向的机电耦合数学模型：Ｆ＿ＫｒＩ＝Ｍｘ等＋Ｃｘ警懈由式（３－２）、（３—３）、（３—１０）和（３－１１）（３－１２）可得到ｘ轴向的机电耦合数学模型：Ｆ－坼ｍｔ孥峋鲁吗－ｙ－＋砀（ｙ１－ｙ：卜％（百ｄｖｌ－百ｄｙ２）（３－１３）Ｋｙ：（ｙｔ－Ｙ２）＋Ｃｙ２ｔ＋‘寻。寻同勘斧ｃ鲁一等同勘争（３．１４）如进行控制系统分析，可对上面几式进行拉氏变换，进可以得到系统的传递函数模型。第二章定俯平台数学模型３．３数学模型各参数数值上一节，经过理论分析与数学计算，得出了运动平台的机电耦合模型，本节将对上述模型中，出现的主要变量进行分析，并针对实际运动平台，经过运算和查表得出实际数值，为进一步分析数学模型以对后边的控制系统的理论分析打下基础。１．可以直接查表和测量的参数。由音圈电机手册自带手册可查得：驱动电路的等效电阻Ｒ＝１４．５１２，音圈电机力常数ＫＦ＝８８Ｎ／Ａ；由弹簧秤或者天平，可以直接进行实际称量可得：ｘ轴向运动部分等效质量Ｍｘ＝４．００６ｋｇ，Ｙ轴向导向滑板及其附属构件的等效质量Ｍｙｌ＝１．２０５ｋｇ，Ｙ轴向运动平台的等效质量Ｍｙ２＝１．２ｋｇ；２．通过简单实验可以测量的参数。通过静刚度测试（图３．４），并计算可以得到ｘ、Ｙ轴各个部分的等效刚度：Ｋｘ＝５．６×１０６Ｎ／ｍ，Ｋｙｌ＝５．５ｘ１０６Ｎ饥＆＝３．６７ｘ１０６Ｎ／ｍ；图３－４静刚度实验３．通过实验并进行理论分析可测量的参数。给运动平台一恒定信号输出，进行阶跃响应测量，测量位移，可以得到响应的曲线，由超调量和稳定时间可以计算得到Ｘ、Ｙ轴各个部分的等效刚度：Ｃｘ＝２５５０Ｎ・ｓ／ｍ，ｃｙｌ＝２５００Ｎ＋ｓ／ｍ，Ｃｙ２２１０００Ｎ‘ｓ／ｍ．。第二章定位平台数学模聊３．４本章小结本章在前面几章所进行的ＸＹ定位平台静、动态特性深入研究的基础上，根据ＸＹ定位平台的结构和运动形式以及音圈电机的原理，分别建立了ｘ轴向定位平台和Ｙ轴向定位平台的机电耦合数学模型。得到如下结论：１．由于Ｘ轴向定位平台和Ｙ轴向定位平台结构配置形式不同，因此，需要分别建立两轴向定位系统的动力学模型，并分别对其动态特性进行研究。２．分别得到了ｘ、Ｙ轴向运动的机电耦合模型，如需进行控制分析，可对其进行拉氏变化，得到控制系统的传递函数。３．针对本运动平台，经过查表、实验以及理论分析，整理并得到了数学模型中各参数具体数值，为控制系统分析打下基础。第四章定仿平台返动控制第四章定位平台运动控制４．１引言实现高速并联机械手高速高精度作业的关键技术有三：（１）通过机械结构的轻量化有效地提高系统比刚度；（２）采用高性能的驱动电机，提高电机输入力矩，尽可能的缩短运行周期以及减小振动；（３）采用优化的控制参数及合理高效的控制策略。注意到，市面流行的控制板卡超过９０％的控制环采用ＰＩＤ控制，且不同板卡其控制原理往往大不一样。另一方面，显而易见的事实是控制策略直接受到硬件功能的制约，因此，探讨不同硬件条件下的最优控制策略和方法将具有很强的现实意义。本章针对工程应用中最为常见的ＰＩＤ控制，以运动平台的机电耦合模型为基础，给出了是带前置滤波器的ＰＤ控制，并采用最小节拍响应策略拍响应【删是指以最小的超调量快速达到稳态响应的允许波动范围，并能持续保持在该波动范围内的时间响应，对前置滤波器和ＰＤ控制器参数进行调整。４．２运动平台的控制模型建立４．２．１机电耦合传递函数由第三章运动平台数学模型，经过拉氏变换，我们可以得到其相应的控制系统传递函数，并画出机电控制系统方框图。考虑到Ｘ向运动质量远大于Ｙ向运动质量，运动惯性较大，但Ｙ向属于二阶弹簧阻尼系统，刚度相对较小，运动中振动较大，所以，在控制模型建立与控制系统分析时，对两轴同时进行了研究。由第三章ｘ、Ｙ轴机电耦合模型公式可知：Ｆ＿ＫｅＩ＝Ｍｘ等坞鲁吣（４－１）第四章定位平台运动控制ｐ砖Ｍ锄争峋鲁嘞ｙ－＋翰ｃｙ－嘞蚂ｚｔ鲁．鲁，ｃ。之，№（ｙ１咖）＋岛２（兰’素净岛２带啪忡：，嘞ｃ亟ｄｔ－鲁龇等Ｕ＝ＩＲ＋Ｌ粤＋１，Ｋ口讲所以，式（４－４）可简化为：Ｕ＝ＩＲ＋ｖＫＢ（４．５）（４．３）（４－４）考虑到电感系数Ｌ很小，可以通过系统补偿消除其影响，因此可以忽略，对上面几式进行拉氏变换，得：ＫＦＩ（ｓ）＝Ｍｘｓ２ｘ（ｓ）＋Ｃｘｓｘ（ｓ）＋ｌ（ｘｘ（ｓ）（４－６）Ｕ（ｓ户Ｉ（ｓ）Ｒ＋Ｓｘ（ｓ）ＫＢ（４—７）ＫｒＩ（ｓ）＝ｈｑｌｓ２ｙｌ（ｓ）＋ＣｙｌＳｙｌ（ｓ）＋Ｋｙ２（ｙｌ（ｓ）－ｙ２（ｓ））＋ｃｙ２ｓ（ｙｌ（ｓ）．ｙ２（ｓ））Ｋｙ２（ｙＩ（ｓ）一ｙ２（ｓ））＋Ｃ＃ｓ（ｙｉ（ｓ）－ｙ２（ｓ））＝Ｍｙ２ｓ２ｙ２（ｓ）Ｕ（ｓ产Ｉ（ｓ）Ｒ＋ｓ（ｙｉ（ｓ）．ｙ２（ｓ））ＫＢ（４．８）（４—９）（４—１０）由式（４．６）、（４．７），我们可以得到Ｘ轴向机电耦合模型传递函数：鱼盟：叭Ｄ警＾（Ｋ。＋Ｃ＾ｘ，Ｒ”等、（４．１１）ＫＦ凡Ｆ。ＫＦ由此，得到了ｘ轴向运动平台的机电耦合传递函数，为了继续进行分析，由第三章可知：Ｒ＝１４．５Ｑ，音圈电机力常数ＫＦ＝８８Ｎ／Ａ，Ｘ轴向运动部分等效质量Ｍ。＝４．００６ｋｇ，Ｋｘ＝５．６ｘ１０＃Ｎ／ｍ，Ｃｘ＝２５５０Ｎ・ｓ，／ｍ。把上述参数数值代入式（４．１１），得：第四章定伊平台运动控制墨盟：！（４．１２）Ｕ（ｓ）０．６６ｓ２＋５０８ｓ＋９２３００由式（４－８）、（４．９）、（４．１０），可以得到Ｙ轴向机电耦合模型传递函数：塑；矾。兰竖：：：竺：！＝｛＾。。＾‘：ｊ４＋【ｃ，：肘，。＋（ｑ＋Ｃｙ：）Ｍ，２＋！譬肘，２矿＋【巧：＾白＋（ＫｙＩ＋髟。）坞：＋白ｃ妒＋譬ｑ：ｐ２＋（ＣｙｉＫ，２＋Ｃｙ２巧，＋譬蚴Ｓ＋ＫｙＩ蚴。伽）由此，得到了Ｙ轴向运动平台的机电耦合传递函数，为了继续进行分析，由第三章可知：驱动电路的等效电阻Ｒ＝１４．５Ｑ，音圈电机力常数厨＝８８Ｎ／Ａ，Ｙ轴向导向滑板及其附属构件的等效质量Ｍｙｌ＝１．２０５ｋｇ，Ｙ轴向运动平台的等效质量Ｍｙ２＝１．２ｋｇ，Ｋｙｌ－５．５ｘ１０６Ｎ／ｉｎ，Ｋｙ２＝３．６７ｘ１０６Ｎ／ｍ，Ｃｙｌ＝２５００Ｎ・ｓ／ｍ，ｃｙ２＝１０００Ｎ・ｓｌｍ．。把Ｅ述参数数信代入式（４—１３），得：怒＝雨蕊可面瓦‘丽１０莜００ｓ丽＋３≯６７ｉ０００丽０西≯再五蕊矿丽２雨蕊可面瓦‘丽莜丽≯ｉ丽西≯再五蕊矿４．２．２平台控制方框图（４－１５）¨叫川对上节推导出的Ｘ、Ｙ运动平台机电耦合数学模型（４．１１）、（４．１３）进行分解分析，可分别得到平台ｘ轴向机电耦合模型的方框图（图４．１）和Ｙ轴向机电耦合模型的方框图（图４．２）。考虑运动控制最终采用应用最小节拍响应调整参数的带前置滤波器的ＰＤ反馈控制策略，因此机电耦合系统控制的总体方框图（图４．３），其中ＧＤ（ｓ）为前置滤波器，Ｇｃ（ｓ）为控制器。本反馈系统的反馈元件为光栅尺，因此，可以为位置反馈，也可以是速度反馈，根据不同控制策略可适当选用。第四章定付平台运动控制图４－ｌｘ轴向机电系统模型方框图图４．２Ｙ轴向机电系统模型方框图一ｌＩ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一Ｉ图４－３机电耦合控制系统的总体方框图综上，经过理论分析与计算，得到了运动平台的Ｘ、Ｙ两轴向的机电耦合模型与控制系统的总体方框图，为控制策略的研究奠定了基础。４．３运动平台的控制ＰＩＤ控制是最早发展起来的控制策略之一，市面流行的控制板卡超过９０％第四章定位平台运动控制的控制环采用ＰＩＤ控制，且不同板卡其控制原理往往大不一样。由于其算法简单、鲁棒性好且可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控制中【６”。但是，经典ＰＩＤ参数整定的目标函数其实质上是诸如超调量、上升时间、调节时间等。注意到这些指标相互制约相互影响，而工程上一般采用经验法在寻求它们的“最佳”结合点，故很难在时变的运动学和动力学参数下得到一组比较满意的结果。因此，结合最基础的经典ＰＩＤ控制策略，发展得到的新型ＰＩＤ控制策略，成了当今运动控制发展的一个很重要的方向。综上，本文结合经典ＰＩＤ控制策略，采用应用最小节拍响应调整参数的带前置滤波器的ＰＤ反馈控制策略，来对系统进行控制。４．３．１ＰＩＤ控制原理将偏差的比例（Ｐ）、积分（Ｉ）和微分（Ｄ）通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制，故称控制器。在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是ＰＩＤ控制。模拟ＰＩＤ控制系统原理框图如图３．１所示。系统由模拟ＰＩＤ控制器和被控制对象组成【６”。图４－４模拟ＰＩＤ控制系统原理框图ＰＩＤ控制器是一种线性控制器，它根据给定值ｘｉ（ｏ与实际输出值Ｘｏ（ｔ）构成控制偏差￡（ｆ）＝ｍ（ｆ）一Ｘｏ（ｔ），然后对偏差信号进行比例、积分、微分运算变换后形成一种新的控制规律，即甜（，）＝ｋｐ［ｅ（ｔ）＋吉ｆ“ｆ沁打＋％詈印）Ｊ其控制规律写成传递函数的形式为（４．１６）Ｇ∽＝哿＝ｋｐ（１＋专＋∽㈤第四章定位平台运动控制式中，岛为比例系数；乃为积分时间常数；殇为微分时间常数；以ｊ）、段ｓ）分别为控制器输出信号“，）和控制偏差信号ｄｆ）所对应的拉氏变换式。简单说来，ＰＩＤ控制器各校正环节的作用如下：１．比例环节：成比例的反映控制系统的偏差信号￡（幻，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。２．积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数乃，乃越大，积分作用越弱，反之则越强。３．微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。４．３．２最小节拍响应一个好的控制系统应该具有快速的阶跃响应，并且具有最小的超调量。最小节拍响应是指以最小的超调量快速达到稳态响应的允许波动范围，并能持续保持在该波动范围内的时间响应。当系统输入为阶跃信号时，我们将允许波动范围定义为稳态响应的±２％误差带，于是，对于具有最小节拍响应的系统而言，其阶跃响应能快速地在Ｔｓ时刻进入允许波动带，并且不超出。在这种情况下，系统的调节时间就是从阶跃信号加入到系统响应首次进入波动带的时间。具体来将，最小节拍响应应具有如下特征：（１）（２）（３）（４）稳态误差为零；具有快速的响应，有最小的上升时间和调节时间；超调量在０．１％和２％之间；欠调量小于２％。其中特征（３）、（４）意味着，系统调节时间一到来，系统响应即刻进入并保持在±２％允许波动带内。对于具有最小节拍响应特性的闭环传递函数，其标准化典型系数和响应性能指标如表１所示。以３阶系统为例，首先将传递函数标准化，一般可以写为：Ｔ（沪万—Ｏｔｆ．ＯｎＳ考丽ｚ３ｔｏｇｓｍ，ｓ。＋‘＋“‘１８’＋蟛第四章定位平台运动控制系统阶数系数超调量ＢＴ６欠调量调节时间（ｓ）２１．８Ｏ．１％２．２ｏ％Ｉ．３６％Ｏ．９５％ｏ．３７％ｏ．９４％４．８２３４１．９Ｉ．６５％２．８０，８９０／０４．０４２．２３．５４．８ｌ５２．７４．９５．４３．４１．２９％４．ＯＳ５，４３６３．１５６．５８．７７．５５１．６３％６．０４表ｌ最小节拍系统的标准化传递函数的典型系数和响应性能指标分子分母同时除以反，于是有：Ｔ（沪瓦再孑惫而（４－１９）Ｔ（沪而否专否百‘４。２０’再令Ｓ＝ｓ，ｑ，则：这就是标准化的３阶闭环传递函数，采用相同的方法，我们还可以得到更高阶系统的标准化传递函数。在标准化函数的基础上，根据最小节拍响应的要求，我们可以确定系数旺、ｐ、Ｔ、６、￡的典型数值。以Ｘ轴向系统为例：由表１可得：ＣＯｎＴｓ＝４．０４其中Ｔ。为实际需要的调节时间，由此可以确定系统的传递函数。对于ｘ轴向系统控制系统数学模型为：Ｇ（８户丽孬ｉ志ｉ丽（４－２１）ＰＤ控制器，可以写为：Ｇｃ（ｓ）２Ｋｐ＋ＫＤＳ（４．２２）第四章定位平台运动控制前置滤波器数学模型：２阶系统标准化传递函数：由上面几式可得：Ｉ邻＝６１０００，ｌ皆６５，ｚ＝９４５。同理由表１中４阶系统系数可知Ｙ轴的Ｋｐ－３５２９０００，Ｋ旷－４３１００和ｚ＝８２。因此，在设计最小节拍响应的系统时，选择合适的校正网络类型，并令校正后的闭环传递函数等于期望传递函数，就可以最终确定所需要的校正网络。Ｔｃｓ产南Ｇｐ（ｓ）２鬲Ｚ（４．２３）（４．２４）４．３．３计算机仿真由上述分析，最终得到了运动平台的控制系统以及校正网络和前置滤波器的数学模型以及其具体数值表达示。为了验证控制策略以及参数校正的正确性，对整个系统进行ｍａｔｌａｂ仿真分析嘲。分别得到ｘ、Ｙ轴向的阶跃响应曲线（图４—５）和方波响应曲线（图４—６）。”≯…卜…”胃昌昌广一，；Ｏ；／／０舡｝０００００４０００８００１２００１６００２ｉｏ…～右……ｙ爿Ｏ０“７．｛／ｉ００００５０ｕｌ００１５００２００２５００３０吖ｎｔｆｓ）（ａ）Ｘ轴（ｂ）Ｙ轴图４－５定位平台阶跃响应曲线第四章定位平台运动控制（ａ）Ｘ轴（ｂ）Ｙ轴图４．６定位平台阶跃响应曲线由图可知Ｘ、Ｙ轴的稳定时间分别为１２ｍｓ和１８ｍｓ，响应速度快，基本没有稳态误差。运动平台ｘ、Ｙ轴方向的周期为Ｏ．１ｓ的方波响应运动平稳，每次都能达到快速预期运动目标，且基本没有稳态误差，表明运动平台能完成芯片封装需要的快速起停往复运动。由上述仿真结果还得到，尽管ｘ轴运动质量比较大，但ｘ轴的性能要优于Ｙ轴，说明系统刚度对系统性能影响相对较对较大。４．４本章小结本章一运动平台为研究对象，推导出了运动平台机电耦合模型的传递函数和控制方框图，在此基础上，提出了一种基于经典ＰＩＤ控制策略，加入前置滤波器并应用最小节拍响应调节的控制策略。最后，对此控制策略进行了计算机仿真分析，并得到以下结论：（１）得到了运动平台机电耦合模型的传递函数和控制方框图，并根据本平台的实际情况，带入实际测量和计算得到了各参数数值，得到了ｘ、Ｙ两轴向具体的传递函数方程，为研究控制策略奠定了基础。（２）设计了应用最小节拍响应控制策略的控制系统，并经过理论分析与计算第四章定位平台运动控制得到了具体的整个控制系统的传递函数。（３）经过计算机仿真，Ｘ、Ｙ轴的稳定时间分别为１２ｍｓ和１８ｍｓ，响应速度快，基本没有稳态误差。运动平台Ｘ、Ｙ轴方向的周期为Ｏ．１ｓ的方波响应运动平稳，每次都能达到快速预期运动目标，且基本没有稳态误差，表明运动平台能完成芯片封装需要的快速起停往复运动。说明采用的控制策略比较合理，对工程实践有重要的指导意义。第五章实验第五章实验５．１引言前面几章中，依据研究目标对ＸＹ精密定位平台进行了动态设计，并分建立了ＸＹ精密定位平台的模型，研究ｘＹ精密定位平台的动态特性以及基于直线音圈电机的机电耦合控制系统。本章将通过ＸＹ精密定位平台的性能试验和动态特性试验，研究ＸＹ精密定位平台的性能，并验证所建立数学模型的正确性。主要研究ＸＹ精密定位平台的性能指标和动态特性。５．２实验目的及仪器实验目的：根据本文所依托课题对ＸＹ精密定位平台提出的技术指标要求（见第二章），这里将对所设计的ＸＹ精密定位平台进行与之相应的各项性能指标测试。检验设计制造的ＸＹ精密定位平台样机性能。主要包括以下几方面：（１）在最佳控制参数下，测定运动平台的动态特性，得到平台的动态性能指标，并与上章仿真结果对比，验证运动平台数学模型的正确性；（２）测试平台的一些主要的性能指标，如最大运动范围、最大运动加速度、速度、单轴稳定时间、定位精度和重复定位精度等，以满足技术指标的要求。（３１最大负载。实验仪器：ＸＹ精密定位运动平台，主要包括上位机（ＰＣ机）、ＰＡＲＫＥＲ公司的ＡＣＲｌ５０５运动控制卡、驱动器、音圈电机ＬＡＬ３００、运动平台及ＲＥＮＩＳＨＡＷ公司的ＲＧＨ２２Ｚ光栅尺；ＲＥＮＩＳＨＡＷＥＣｌ０／ＭＬｌ０激光干涉仪；ＮｅｗｐｏｒｔＲＳ－４０００气浮隔振平台等。实验装置如图５—１所示。图５．１定位平台实验现场照片第五章实验５．３实验步骤按照安全操作规则启动整个控制系统，首先调整最佳控制参数，然后进行试验，具体实验步骤分别如下：（１）平台动态特性。通过计算机分别给ｘ轴向定位平台电机和Ｙ轴向定位平台电机发出一恒定输入信号和往复运动信号，由激光干涉仪分别测量并输出Ｘ轴向定位平台和Ｙ轴向定位平台的阶跃响应和方波响应。由数据可得到平台的动态特性和单轴稳定时间。（２）最大运动范围、最大运动速度、加速度。将激光干涉仪安装在ｘ轴向定位平台的运动方向上，通过计算机分别给出Ｘ轴向定位平台的运动位移，运动速度和运动加速度，利用激光干涉仪测量ｘ轴向定位平台运动所能达到的最大位移，最大速度和最大加速度。改变激光干涉仪的安装方向，将其安装在Ｙ轴向定位平台的运动方向上，运用相同的方法，可以得出Ｙ轴向定位平台的最大位移，最大速度和最大加速度。（３）定位精度和重复定位精度。通过计算机分别给定定位平台的移动距离，利用激光干涉仪分别来测量定位平台的实际位置，给定位移和实际位移之差即为定位误差。而平台多次重复移动到某一点的位置准确度为重复定位精度。具体测量方法是：在ｘ轴向定位平台运动４０ｍｍ的范围内，进行１０等分，得到１１个分点，分别以４ｍｒａ的步长分段运动，测量１１个分点的位置偏差，往返三次测量三个运动循环，从而由激光干涉仪对每个分点可以测出６个位置偏差数据，并对获取的数据进行处理即可得到Ｘ轴向定位平台定位精度和重复定位精度数值结果。采用相同的方法，在Ｙ轴向定位平台运动４０ｍｍ的范围内，进行１０等分，得到１１个分点，同样以４ｍｍ的步长分段运动，测量１１个分点的位置偏差，往返三次测量三个运动循环，最终也可以得到Ｙ轴向定位平台定位精度和重复定位精度数值结果。（４）最大负载。在运动平台上安装重为ｌｋｇ的质量块，用上述方法分别再测量运动平台的动态特性、最大加速度、最大速度、定位精度和重复定位精度，与无负载状况下和技术指标要求分别最比较，观察负载变化对平台性能的影响，如仍满足技术指标要求，则ｌｋｇ负载在运动平台承受范围内。第无章实验５．４实验结果和数据分析平台最大运动范围，运动最大速度和最大加速度测试结果显示，ｘ轴向定位平台运动最大位移为５０ｍｍｌ在空载情况下，最大速度为０．６ｍ／ｓ，最大加速度为９．４９９；在施力Ｄｌｋｇ负载的情况下，最大速度为０．５８ｍ／ｓ，最大加速度为７．５６９。Ｙ轴向定位平台运动最大位移为５０ｍｍ；在空载情况下，最大速度为０．６４ｍ／ｓ，最大加速度约为８．９８９。在施加１ｋｇ负载的情况下，最大速度为０．６１ｍ／ｓ，最大加速度为７。７５９。鲫５∞ｅ４００１ｌ墨３００：：－｝－－｝。铲Ｐ圭三“御…ｉｉｌｌ…’ｔ。｝。。亍。。１…‘卜卜÷一十啊～５∞螯２００ｌ∞０捌葺圭：蚺稳＝：＝＝：离：二：；叟赫圭－Ｉ一｝一一阜一一ｊ一凄２００１０００ｌ３００．｜一趱｛ｌ｛ｉ…终…一｝一一…｝—。’…－一－＋’～－’ｉ三０－产—÷一＿｝…ｊ…÷℃７ｆｊ｝—肖÷－～｝删一…÷…＊；…毒…÷二－ｔＶ＼

—■（ｂ）带负载运动最大速度曲线ｉｊ１（ａ）空载运动最大速度曲线图５－２ｘ轴向定位平台运动最大速度曲线７００∞０５００４００｜、～ｐ‘１锄５００ｌ：ｉｉｌｉｌ蓄瑚２∞１００Ｏ茎４００；３００鬻２００；＝＝＝｝蔫蒋丰＃＃卫Ｉ隧～Ｉ／蚶土０上０２４０．２８０．３２０．３６０．４０／＼｜０４４０．４６０４８０５０孵Ｂｎ玛１０００Ｖ‰一０５２０５４０５６”闫ｏ（ａ）空载运动最大速度曲线（ｂ）带负载运动最大速度曲线图５．３Ｘ轴向定位平台运动最大速度曲线第五章实验由此可见，系统的最大运动范围为５０ｍｍ×５０ｍｍ，满足所要求的行程范围５０ｒａｍ×５０ｍｍ。最大运动速度满足所要求的０．５ｍ／ｓ。系统所能达到的最大加速度则远远高于设计要求的５９。图５．２和图５．３所示分别为Ｘ轴向定位平台和Ｙ轴向定位平台的运动最大速度曲线。系统单轴机构动态特性可由定位平台的阶跃响应曲线和方波响应曲线得到。经过实验可知，图５４中，（ａ）、（ｂ）分别表示运动平台ｘ，Ｙ轴方向的阶跃响应曲线，由图可知Ｘ、Ｙ轴的稳定时间分别为１３ｍｓ和２０ｍｓ，基本没有稳态误差。图５．５中，（ａ）、⑨分别表示运动平台ｘ、Ｙ轴方向的周期为０．１ｓ的方波响应曲线。两轴向定位平台在空载和ｌｋｇ负载情况下的稳定时间基本相同。满足设计要求的４０ｍｓ。眦¨一巨Ｅ一∞嘲ｌ耋／：ｙ｛；ｌ。ｌ０２ｌｌ≯｜ｌｌ｝￡。０５ＯＯ００１００Ｉｔ（ｓ）Ｏ∞００３ｔ（ｓ）（ａ）ｘ轴图５－４定位平台阶跃响应曲线ｍＹ轴１０８言０．６导０４０２０＿０２（ａ）Ｘ轴图５－５定位平台方波响应曲线（ｂ）Ｙ轴第五章实验平台位黄精度的测试。图５．６和图５．７所示分别为ｘ轴向定位平台和Ｙ轴向定位平台运动的位置精度曲线，其中实线所示为前进行程的位置偏差曲线，虚线所示为反向回程的位置偏差曲线。空载下，Ｘ轴向定位平台的定位精度为１．８ｔｍＶ４０ｍｍ，重复定位精度为１．２１ｕｎ；在施加ｌｋｇ负载的情况下，ｘ轴向平台的定位精度为２．４１ｕｎ／４０ｍｍ，重复定位精度为１．３ｔｕｎ。空载下，Ｙ轴向平台的定位精度为１．７ｔｍｄ４０ｍｍ，重复定位精度为０．７ｔｔｍ。在施ＪＪ［１ｌｋｇ负载的情况下，Ｙ轴向平台的定位精度为１．７１ｍ３／４０ｍｍ，重复定位精度为１．２ｐｍ。满足设计提出的重复定位精度＋２ｔｔｒｎ的要求。０６０４０２；星ｏ‘ｏ钕．ｏ２蠢－０４乏－０．６．ｏ８．１０．１２０幽衰了一鬣矿Ｖ矽删一麓ｋ｛澎殛滋甄心豫、．’Ｚ｜、≈理ｌ趸Ｖｃ予”Ｘ７～｝妒ｉ｜Ａ｛乳彬Ｖ５ｌＯ１５２０２５３０３５４０位移，ｎＩｎ使穆抽ｍ（ａ）空载下位置精度（ｂ）ｌｋｇ负载下位置精度图５．６Ｘ轴向定位平台位置精度１＋４１．２１．０Ｅ｝Ｋ砻芷型至ｎ８≈０６歪愚ｎ４’‘０．２０．０¨帅眦舭舶螂枷们Ⅲ２（ａ）空载下位置精度（ｂ）Ｉｋｇ负载下位置精度图５—７Ｙ轴向定位平台位置精度第百章实验另外，该ｘＹ精密定位平台的性能测试，还请天津市质量监督检验站进行了质量检测，并提供了的检验报告（见图５—８、５－９）。枉ｔ报告Ｉ■■●＾■¨¨●ｆ●醢２ｉ》－¨，●●■ｔ～。斌鬯弦－一图５－８ｘＹ定位平台检验报告第五章实验图５－８ＸＹ定位平台检验现场５．５本章小结本章较深入地对ＸＹ定位平台的主要性能参数及其静、动态特性进行了试验研究。得出如下结论：１．该ＸＹ定位平台的运动范围为５０ｍｍｘ５０ｍｍ，Ｘ轴向定位平台和Ｙ轴向定位平台的空载运动最大速度分别为０．６ｍ／ｓ和０．６４ｒｎ／ｓ，最大加速度分别为８．９８９和９．４９９。Ｘ轴向定位平台和Ｙ轴向定位平台在１ｋｇ负载下运动最大速度分别为０．５８ｍ／ｓ和０．６１ｍ／ｓ，最大加速度分别为７．５６９和７．７５９。系统加速度很高几乎为同类设备加速度的４倍。２．系统的阶跃响应振荡时间很短，Ｘ轴向定位平台的稳定时间为１３ｍｓ，Ｙ轴向定位平台的稳定时间为２０ｍｓ。３．系统定位精度很高，空载下，Ｘ轴向定位平台的定位精度为１．８ｐ．ｍ．／４０ｍｍ，重复定位精度为１．２ｐ．ｍＹ轴向平台的定位精度为１．７１ｕｎ／４０ｍｍ，重复定位精度为０．７岬。在ｌｋｇ负载下，ｘ轴向平台的定位精度为２．４ｐ．ｍ／４０ｍｍ，重复定位精第＿无章实验度为１．３１ｉｒａ；Ｙ轴向平台的定位精度为１．７ｐａｎ／４０ｍｍ，重复定位精度为１．２ｐｍ。４．所设计的ＸＹ精密定位平台的性能参数满足设计指标的要求。第六章全文结论第六章全文结论６．１结论本文密切结合国家高技术研究发展计划（８６３计划）基金项目，以开发面向Ｉｃ封装加工的高速、高精度定位系统为目标，系统研究了两自由度笛卡尔坐标型高速、高精度定位平台的控制系统的硬件设计以及控制策略，并建造出一台具有我国自主知识产权ｘＹ精密定位平台样机。得到如下结论：口利用音圈电机的优良性能，提出一种具有我国自主知识产权的两自由度笛卡尔坐标型高速、高精度定位平台。在该）（１『精密定位平台中，用直线音圈电机直接驱动，采用新型弹性解耦机构实现两轴向运动解耦的同时，实现了机构在高速、高加速运动时的运行平稳性，并用直线光栅作为末端位置反馈元件。基于上述设计思想建造的）（１『精密定位平台具有极高的定位精度和运动速度、加速度，特别适用于ＩＣ封装设备中的精密定位平台。口根据ｘＹ定位平台中Ｘ轴向定位机构和Ｙ轴向定位机构不同的结构配置形式和机械动力学理论，在总体上将Ｘ轴向定位机构和Ｙ轴向定位机构均等效为质量弹簧系统，分别建立了ｘ轴向和ｙ轴向运动定位平台的动力学模型。为深入研究该定位系统的动态特性奠定了基础。且根据两轴向驱动直线音圈电机所驱动机械系统结构不同，分别建立了ｘ轴向驱动直线音圈电机和Ｙ轴向驱动直线音圈电机的动态方程，并分别与相应机构相结合，得到ｘ轴向和Ｙ轴向运动定位系统的动力学模型，为进一步深入分析两轴向定位平台对直线音圈电机的输入响应特性奠定了理论基础。口依据前面所建立的直线音圈电机动态方程，分析了基于最小节拍响应控制策略的直线音圈电机传递函数，并对控制器参数进行了设计。并进行了仿真分析。口在上述工作的基础上，建造出基于直线音圈电机直接驱动的两自由度笛卡尔坐标型高速、高精度定位平台样机一台。通过对该样机进行性能试验，测试结果表明，样机运动范围为５０ｒｍｎ×５０ｍｍ，空载下，Ｘ轴向定位平台和Ｙ轴向定位平台最大速度分别为０．６ｍ／ｓ和０．６４ｍ／ｓ，最大加速度分别为８．９８９第六章全文结论和９．４９９。在ｌｋｇ负载下，ｘ轴向定位平台和Ｙ轴向定位平台最大速度分别为０．５８ｍ／ｓ和０．６１ｍ／ｓ，最大加