CN109308019A - 一种电机驱动圆柱凸轮下压机构的接触力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机驱动圆柱凸轮下压机构的接触力控制方法，通过建立下压机构模型，将下压机构驱动下压杆将芯片压入测试座的过程分为两个阶段，第一个阶段使用PD控制器实现位置控制，第二阶段压入过程中电机不断检测当前位置，通过迭代算法算出当前测试簧片与芯片之间的接触力，直至达到给定力，电机停止动作。通过本发明的控制方法可以控制芯片与测试座之间接触力的大小满足测试规范的要求，并且保持稳定。有效避免芯片与测试簧片接触产生撞击与振动，损坏芯片或测试簧片。

Description

一种电机驱动圆柱凸轮下压机构的接触力控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制研究与测试机构力反馈控制算法研究，属于精密测量与控制领域。

背景技术

随着先进、高端封装技术的发展，集成电路芯片新的封装形式越来越小，对集成电路测试分选设备的精度和速度要求也越来越高。现有技术中，集成电路测试分选设备的下压机构高速测试运行时，控制器输入一个给定力给电机模块，电机驱动下压机构的下压杆吸附芯片下压至测试座。下压机构运行过程中，由于负载状态会发生变化，如果该变化没有考虑进去会导致下压机构运行状态不受控，芯片与测试座之间极易发生碰撞，造成集成电路与测试座损坏，并且芯片与测试座之间的测试接触力无法满足规范要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种电机驱动圆柱凸轮下压机构的接触力控制方法，控制下压机构的下压状态，在控制器输入给定力时将负载模型考虑进去，使吸附芯片在压入测试座之前处于缓着陆状态，运行速度接近于0，有效避免芯片与测试簧片接触产生撞击与振动，损坏芯片或测试簧片；并且可温度控制芯片与测试座接触以后，芯片与测试座簧片之间的测试接触力的大小。

本发明采用的技术方案是：

一种电机驱动圆柱凸轮下压机构的接触力控制方法，包括以下步骤：

步骤1.1，建立下压机构模型；

步骤1.2，设定下压杆下压过程中芯片的位置状态，包括初始位置状态、第一位置状态及第二位置状态；初始位置状态为芯片吸附在下压杆上准备下压时的状态，第一位置状态为芯片非常接近于测试座簧片表面，下压杆的运动速度接近于0时的状态；第二位置状态为芯片压入测试座，测试座与芯片之间的接触力达到设定值时的状态；

步骤1.3，设定下压杆由初始位置状态运动到第一位置状态的过程为第一阶段，下压杆由第一位置状态运动到第二位置状态的过程为第二阶段；

步骤1.4，通过电机转矩控制方法控制下压机构驱动下压杆下压，实现芯片从初始位置状态移动到第一位置状态；

步骤1.5，继续采用电机转矩控制方法控制下压机构驱动下压杆下压，压入过程中不断检测芯片的当前位置，通过转矩迭代算法，将复位弹簧增加的力换算成当量转矩，连续地叠加到电机的输出转矩上，在此过程中不断地计算测试座与芯片之间的接触力是否达到设定值，如不满足则继续迭代直到达到要求，实现芯片从第一位置状态移动到第二位置状态。

进一步地，所述电机转矩控制方法包括以下步骤：

步骤2.1，规划第一阶段凸轮的运动轨迹；建立电机旋转角度及下压杆下压位移的函数方程；根据对第一阶段的控制要求，设定下压杆下压运动的初始条件和末端条件，将其带入所述函数方程，计算得出期望轨迹的位置方程、速度方程及角加速度方程；

步骤2.2，根据步骤1.1所述的下压机构模型建立电机运动的动力学方程，在步骤2.1的基础上，计算得出电机的输出转矩。

步骤2.3，采用PD控制方法，将位置误差转化为期望的给定转矩，实现对给定力矩的调节。

更进一步地，步骤2.1所述的函数方程为：

θ(t)＝at³+bt²+ct+d

y＝r×θ×tanα

式中，θ为电机旋转角度(弧度)，t为下压一段距离对应的时间，y为下压杆下压位移，r为圆柱凸轮半径，α为圆柱凸轮导程角。

更进一步地，步骤2.2所述的动力学方程为：

T＝J_电机×ε+J_凸轮×ε+J_下压杆×ε+T_弹簧

其中，T弹簧＝f弹簧×p/2π，得出：

式中，J电机为电机转子转动惯量，J凸轮为圆柱凸轮转动惯量，J下压杆为下压杆换算出的当量转动惯量，ε为电机转动角加速度，p为凸轮导程，T为电机输出转矩，T弹簧为弹簧阻力转换的当量阻力矩，f弹簧为压杆竖直方向受弹簧力；

f_弹簧＝f＝K₁×y

式中，K1为复位弹簧弹性刚度，y为弹簧压缩长度。

更进一步地，步骤2.3所述的PD控制方法的控制方程为：

式中，Δy为下压杆的下压位移量，通过调节Kp、Kd，实现对给定力矩的调节。

进一步地，所述电机转矩迭代算法包括以下步骤：

步骤6.1，通过控制器向电机模块输入给定力；

步骤6.2，将步骤6.1的给定力换算成当量力矩；

步骤6.3，将步骤6.2的当量力矩叠加到电机输出转矩上，电机驱动下压杆下压一定位移；

步骤6.4，读取步骤6.3中的位移；

步骤6.5，计算测试座与芯片之间的接触力，与设定值比较计算出接触力偏差，接触力偏差在规定范围内终止；

步骤6.6，接触力偏差不在规定范围则将在步骤6.1的给定力的作用下复位弹簧增加的力作为给定力再一次输入到电机模块，重复步骤6.1到步骤6.5，直到接触力偏差在规定范围内终止。

更进一步地，步骤6.2所述的给定力换算成当量力矩的换算公式为：

T＝J_电机×ε+J_凸轮×ε+J_下压杆×ε+T_弹簧

其中，T弹簧＝f弹簧×p/2π，得出：

式中，J电机为电机转子转动惯量，J凸轮为圆柱凸轮转动惯量，J下压杆为下压杆换算出的当量转动惯量，ε为电机转动角加速度，p为凸轮导程，T为电机输出转矩，T弹簧为弹簧阻力转换的当量阻力矩，f弹簧为压杆竖直方向受弹簧力；

f_弹簧＝f＝K₁×y

式中，K1为复位弹簧弹性刚度，y为弹簧压缩长度。

本发明的有益效果：本发明建立的下压机构模型如图2所示，电机采用永磁同步电机，圆柱凸轮使电机的旋转运动转化成直线运动，使下压杆做下压动作。在第一阶段过程中，采用电机转矩控制模式，驱动下压杆吸附芯片下压，在第一阶段结束时，下压杆吸附芯片处于缓着陆状态，速度接近于0，有效避免在第二阶段运动时，芯片与测试簧片接触产生撞击与振动，损坏芯片或测试簧片。在第二阶段过程中，继续采用电机转矩控制模式，根据测试座与芯片之间的接触力偏差的要求将复位弹簧增加的力转换成当量力矩，叠加到电机转矩上，驱动下压杆吸附芯片继续下压，直到接触力偏差在规定范围内。由于复位弹簧的变形会导致当量电机转矩没有完全施加于芯片与测试座上，因此后续过程中，需要将复位弹簧抵消掉的力计算出来，继续转换成当量电机转矩，叠加到此时的电机力矩上，继续驱动下压杆吸附芯片下压，直至芯片与测试座之间力大小满足测试规范的要求，并且保持稳定。

附图说明

图1是接触力控制系统的整体结构示意图，图1(a)是主视图，图1(b)是立体图。

图2是下压机构模型的结构示意图。

图3是下压机构下压过程中芯片所处的位置状态示意图，图3(a)是初始位置状态，图3(b)是第一位置状态，图3(c)是第二位置状态。

图4是下压机构下压过程中下压杆所受弹簧力的示意图，图4(a)是初始位置状态，图4(b)是第一位置状态，图4(c)是第二位置状态。

图5是基于电机力矩的凸轮位置控制框图。

图6是下压机构下压过程中第二阶段的控制流程框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及一种优选的实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施方式1

参阅图1，接触力控制系统包括下压机构1、芯片2及测试座3，下压机构1的电机驱动下压杆吸附芯片2下压，克服复位弹簧的弹簧力将芯片2下压至测试座3中。

电机驱动圆柱凸轮下压机构的接触力控制方法，包括以下步骤：

步骤1.1，建立下压机构模型，参阅图2，下压机构2包括电机11、圆柱凸轮12、凸轮随动器13、复位弹簧14、线性滑轨15、下压杆16、下压杆支座17及固定座18；电机11竖直固定在固定座18的上方，其电机输出轴穿过固定座18向下延伸，底端套接圆柱凸轮12。线型滑轨15固定安装在固定座18的下方，下压杆支座17滑动安装在线性滑轨15上，可沿线性滑轨上下滑动；下压杆支座17的底端安装下压杆16，下压杆支座17与线型滑轨15之间设有复位弹簧14，复位弹簧14的下端抵靠线型滑轨15的顶面，其上端抵靠下压杆支座17。凸轮随动器13转动安装在下压杆支座17的上端，与圆柱凸轮12的摩擦转动连接。电机11旋转带动圆柱凸轮12同步转动，圆柱凸轮12将电机11旋转运动转换为下压杆16的直线运动，下压杆16下压时复位弹簧14压缩。

步骤1.2，设定下压杆下压过程中芯片的位置状态，参阅图3，为了表示更直观，将复位弹簧的压缩状态表示为拉伸状态。下压杆下压过程中芯片的位置状态设置为初始位置状态(如图3(a)所示)、第一位置状态(如图3(b)所示)及第二位置状态(如图3(c)所示)。初始位置状态为芯片吸附在下压杆上准备下压时的状态，设定此时复位弹簧的预压缩长度为y0；第一位置状态为芯片非常接近于测试座簧片表面，下压杆的运动速度接近于0时的状态，此时复位弹簧的压缩长度为y；第二位置状态为芯片压入测试座，测试座与芯片之间的接触力达到设定值时的状态，此时复位弹簧的压缩长度为y1。

步骤1.3，继续参阅图3，设定下压杆由初始位置状态运动到第一位置状态的过程为第一阶段，下压杆由第一位置状态运动到第二位置状态的过程为第二阶段；

步骤1.4，通过电机转矩控制方法控制下压机构驱动下压杆下压，实现芯片从初始位置状态移动到第一位置状态；

电机转矩控制方法包括以下步骤：

步骤1.4.1，规划第一阶段凸轮的运动轨迹，建立如式(1)的3次多项式函数方程：

θ(t)＝at³+bt²+ct+d (1)

y＝r×θ×tanα (2)

式中：θ-电机旋转角度(弧度)

t-下压一段距离对应的时间

y-下压杆下压位移

r-圆柱凸轮半径

α-圆柱凸轮导程角

对式(1)求一阶导数得到：

根据对第一阶段的控制要求，设定初始条件和末端条件如式(4)：

将初始条件和末端条件带入式(1)与式(3)，假设从图2中初始位置状态运动至位置状态一所需时间为t1，计算得出：a＝-2π/3/t1³，b＝π/t1²,c＝0,d＝0，因此可算出期望轨迹的位置方程(5)，对方程(5)求时间t的一阶导数得到速度方程(6)，对方程(5)求时间t的二阶导数得到角加速度方程(7)：

位移：θ＝π/t₁ ²×t²-2/3×π/t₁ ³×t³ (5)

角速度：

角加速度：

步骤1.4.2，根据步骤1.1所述的下压机构模型，建立如下的动力学方程：

T＝J_电机×ε+J_凸轮×ε+J_下压杆×ε+T_弹簧 (8)

其中T弹簧＝f弹簧×p/2π，得出：

式中：J电机－电机转子转动惯量

J凸轮－圆柱凸轮转动惯量

J下压杆－下压杆换算出的当量转动惯量

ε－电机转动角加速度

p－凸轮导程

T－电机输出转矩

T弹簧-弹簧阻力转换的当量阻力矩

f弹簧-下压杆竖直方向受弹簧力，

f_弹簧＝f＝K₁×y

式中：K1-复位弹簧弹性刚度

y-弹簧压缩长度

如图4(a)所示，在第一阶段芯片初始位置状态，此时下压杆竖直方向受力：

f＝K₁×y₀ (10)

式中：y0－复位弹簧预压缩长度

如图4(b)所示，下压杆下压位移y后，此时下压杆竖直方向受力：

f＝K₁×y (11)

式中：y－复位弹簧压缩长度

步骤1.4.3，第一阶段电机力矩控制方法：

第一阶段采用基于电机转矩的位置控制，控制器采用PD控制方法，通过PD控制将位置误差转化为期望的给定转矩，基于电机转矩的凸轮位置控制框图如图5所示，式(12)是PD控制方程

PD控制器参数整定是第一阶段位置伺服系统设计的关键，根据已知的下压机构数学模型，通过经典控制理论及MATLAB软件仿真验证，确定PD控制器的比例增益和微分增益。通过调节Kp、Kd，实现对给定力矩调节。电机输出力矩与控制电流成正比，通过控制电流就能够实现电机转矩输出。基于电机力矩的凸轮位置控制框图见图5。

在第一阶段结束时，下压杆带动芯片处于速度极低的状态，去接触测试簧片，避免芯片与测试簧片产生撞击与振动，损坏芯片或测试簧片。

步骤1.5，继续参阅图3，芯片下压距离y后，进入第二阶段，在第二阶段电机驱动下压机构将芯片压入测试座中。

第二阶段控制算法包括以下步骤：

参阅图6，图6为下压机构下压过程中第二阶段的控制流程框图。

步骤1.5.1，控制器向电机模块施加给定力Fr；给定力Fr的大小根据芯片与测试簧片的接触力要求设定。

步骤1.5.2，电机模块将给定力Fr换算成当量转矩。在第一阶段结束时，电机此时的输出转矩T0，在竖直方向的等效下压力F0(F0＝f)。在第二阶段，凸轮下压机构接近于稳态(v≈0，ε＝0)，因此根据Fr要求，由式(8)推算出电机此时需要增加的力矩△T1。电机施加转矩由T0变成T1＝T0+△T1，下压杆向下运动距离Δy1，此时下压杆竖直方向受力：

F＝F₀+F_r＝K₁×(y+Δy₁)+K₂×Δy′(13)

式中：K₂－测试座弹性刚度

△y1－电机增加△T1转矩后下压杆下压位移量

Δy′－电机增加△T1转矩后测试座簧片下压位移量

计算此时在F作用下，测试座与芯片之间接触力(K2×Δy')的大小是否在规定接触力Fr的偏差范围内，如不满足，进入步骤6.3。

步骤1.5.3，将复位弹簧增加的力ΔF1＝K1×Δy1，由式(8)换算成当量转矩△T2，再次叠加到电机输出转矩上。电机施加转矩由T1变成T2＝T1+△T2，此时下压杆向下运动距离△y2，下压杆竖直方向受力：

F＝F₀+F_r+ΔF₁＝K₁×(y+Δy₁+Δy₂)+K₂×(Δy′+Δy₂)(14)

计算此时在下压力F作用下，测试座与芯片之间接触力(K2×(Δy'+Δy2))的大小是否在规定接触力Fr的偏差范围内，如不满足，进入步骤6.4。

步骤1.5.4，将复位弹簧增加的力ΔF2＝K1×Δy1，由式(8)换算成当量转矩△T3，再次叠加到电机输出转矩上。电机施加转矩由T2变成T3＝T2+△T3，此时下压杆向下运动距离△y3，下压杆竖直方向受力：

F＝F₀+F_r+ΔF₁+ΔF₂＝K₁×(y+Δy₁+Δy₂+Δy₃)+K₂×(Δy′+Δy₂+Δy₃)(16)

计算此时在下压力F作用下，测试座与芯片之间接触力(K2×(Δy'+Δy2+Δy3))的大小是否在规定接触力Fr的偏差范围内，如不满足，进入步骤6.5。

步骤1.5.5，同上，继续将复位弹簧增加的力，换算成当量转矩，再次叠加到电机输出转矩上。

计算测试座与芯片之间接触力的大小是否在规定范围，直到满足要求，终止下压。

综上所述，其中K₁、K₂已知，根据电机位置传感器实时读出当前移动距离Δy_i，当满足(K₂×(Δy'+Δy₂+Δy₃+···+Δy_n)-Fr)/Fr<5％时，可视为实现芯片与测试簧片接触力满足要求，且稳定。这种通过在机构运动过程中使用迭代的控制算法，实时读取电机运动位置得到稳定力输出的方法，可以解决集成电路分选机测试接触力控制这一关键问题。

以上说明书中未做特别说明的部分均为现有技术，或者通过现有技术既能实现。

Claims (7)

1.一种电机驱动圆柱凸轮下压机构的接触力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.1，建立下压机构模型；

步骤1.2，设定下压杆下压过程中芯片的位置状态，包括初始位置状态、第一位置状态及第二位置状态；初始位置状态为芯片吸附在下压杆上准备下压时的状态，第一位置状态为芯片非常接近于测试座簧片表面，下压杆的运动速度接近于0时的状态；第二位置状态为芯片压入测试座，测试座与芯片之间的接触力达到设定值时的状态；

步骤1.3，设定下压杆由初始位置状态运动到第一位置状态的过程为第一阶段，下压杆由第一位置状态运动到第二位置状态的过程为第二阶段；

步骤1.4，通过电机转矩控制方法控制下压机构驱动下压杆下压，实现芯片从初始位置状态移动到第一位置状态；

步骤1.5，继续采用电机转矩控制方法控制下压机构驱动下压杆下压，压入过程中不断检测芯片的当前位置，通过转矩迭代算法，将复位弹簧增加的力换算成当量转矩，连续地叠加到电机的输出转矩上，在此过程中不断地计算测试座与芯片之间的接触力是否达到设定值，如不满足则继续迭代直到达到要求，实现芯片从第一位置状态移动到第二位置状态。

2.如权利要求1所述的接触力控制方法，其特征在于，所述电机转矩控制方法包括以下步骤：

步骤2.1，规划第一阶段凸轮的运动轨迹；建立电机旋转角度及下压杆下压位移的函数方程；根据对第一阶段的控制要求，设定下压杆下压运动的初始条件和末端条件，将其带入所述函数方程，计算得出期望轨迹的位置方程、速度方程及角加速度方程；

步骤2.2，根据步骤1.1所述的下压机构模型建立电机运动的动力学方程，在步骤2.1的基础上，计算得出电机的输出转矩。

步骤2.3，采用PD控制方法，将位置误差转化为期望的给定转矩，实现对给定力矩的调节。

3.如权利要求2所述的接触力控制方法，其特征在于，步骤2.1所述的函数方程为：

θ(t)＝at³+bt²+ct+d

y＝r×θ×tanα

式中，θ为电机旋转角度(弧度)，t为下压一段距离对应的时间，y为下压杆下压位移，r为圆柱凸轮半径，α为圆柱凸轮导程角。

4.如权利要求2所述的接触力控制方法，其特征在于，步骤2.2所述的动力学方程为：

T＝J_电机×ε+J_凸轮×ε+J_下压杆×ε+T_弹簧

其中，T弹簧＝f弹簧×p/2π，得出：

式中，J电机为电机转子转动惯量，J凸轮为圆柱凸轮转动惯量，J下压杆为下压杆换算出的当量转动惯量，ε为电机转动角加速度，p为凸轮导程，T为电机输出转矩，T弹簧为弹簧阻力转换的当量阻力矩，f弹簧为压杆竖直方向受弹簧力；

f_弹簧＝f＝K₁×y

式中，K1为复位弹簧弹性刚度，y为弹簧压缩长度。

5.如权利要求2所述的接触力控制方法，其特征在于，步骤2.3所述的PD控制方法的控制方程为：

式中，Δy为下压杆的下压位移量，通过调节Kp、Kd，实现对给定力矩的调节。

6.如权利要求1所述的接触力控制方法，其特征在于，所述电机转矩迭代算法包括以下步骤：

步骤6.1，通过控制器向电机模块输入给定力；

步骤6.2，将步骤6.1的给定力换算成当量力矩；

步骤6.3，将步骤6.2的当量力矩叠加到电机输出转矩上，电机驱动下压杆下压一定位移；

步骤6.4，读取步骤6.3中的位移；

步骤6.5，计算测试座与芯片之间的接触力，与设定值比较计算出接触力偏差，接触力偏差在规定范围内终止；

步骤6.6，接触力偏差不在规定范围则将在步骤6.1的给定力的作用下复位弹簧增加的力作为给定力再一次输入到电机模块，重复步骤6.1到步骤6.5，直到接触力偏差在规定范围内终止。

7.如权利要求6所述的接触力控制方法，其特征在于，步骤6.2所述的给定力换算成当量力矩的换算公式为：

T＝J_电机×ε+J_凸轮×ε+J_下压杆×ε+T_弹簧

其中，T弹簧＝f弹簧×p/2π，得出：

式中，J电机为电机转子转动惯量，J凸轮为圆柱凸轮转动惯量，J下压杆为下压杆换算出的当量转动惯量，ε为电机转动角加速度，p为凸轮导程，T为电机输出转矩，T弹簧为弹簧阻力转换的当量阻力矩，f弹簧为压杆竖直方向受弹簧力；

f_弹簧＝f＝K₁×y

式中，K1为复位弹簧弹性刚度，y为弹簧压缩长度。