CN110239140B - 一种基于输入整形的伺服压合设备压力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于输入整形的伺服压合设备压力控制方法，对伺服压合设备进行系统建模，得到系统的传递函数；将压头接触工件，并施加一定的预压，对伺服电机加载扫频电压信号，测量压力传感器反馈回来的压力数据，由电压信号和压力信号得到系统的频率响应曲线；基于所建立的传递函数对伺服压合系统进行参数辨识，得到系统的固有频率ω_d和阻尼比ξ；进而得到ZVD型输入整形器的参数；结合所设计的输入整形器，得到伺服压力反馈控制器。本发明是在伺服系统电流环外增加了基于输入整形的压力闭环控制器，从而在不降低系统刚性的情况下，增大了系统的阻尼，提高了反馈控制增益，从而可以缩短压力建立时间、同时提高压力控制精度。

Description

一种基于输入整形的伺服压合设备压力控制方法

技术领域

本发明涉及伺服压合设备的压力控制方法，具体涉及一种基于输入整形的伺服压合设备压力控制方法。

背景技术

随着轻薄化、轻量化的发展趋势，压合装配技术在3C电子产品装配过程中得到越来越广泛的应用，如笔记本电池、键盘、键盘壳、麦克风等零部件的装配越来越多地采用压合装配工艺，其主要机理是：首先在工件和基座之间放置对压力敏感的胶粘剂，然后通过伺服电驱动丝杆旋转，从而带动压头在工件上加载一定的压力，并保持一段时间，从而使工件和基座牢靠的粘接在一起。伺服压合设备在压头或驱动机构中布置压力传感器实现压力反馈，并与指令压力进行比较得到压力误差，然后通过特定的压力控制算法生成控制信号对电动机的运动进行控制，使得实际加载压力达到设定要求。典型的压合过程包括压头向下运行、压合工件，回零三个过程，其中压合工件过程又可分解为压力建立过程和保压过程。压力建立过程时间的长短直接影响CT时间，即影响生产效率；压力控制精度直接影响装配结果，压合过程中如果出现较大的冲击会导致压合过程失败，甚至会损坏工件。

对于伺服压合装备，系统刚性、阻尼与压力控制精度和压力建立时间有着直接关系、若想获得较高的控制精度就需要提高系统阻尼，从而增大反馈增益；若想获得较短的压力建立时间就需要提高系统的刚度，从而提高系统的响应能力。在实际应用中，由于伺服电机、丝杆模组具有高刚性轻阻尼的特点，在压合过程中容易产生较大的冲击，甚至会导致工件损坏。通过设计柔性压头可以有效提高系统阻尼，但是会导致系统刚性变差，从而增大压力建立时间，影响生产效率。柔性压头还会导致机械系统结构复杂，降低了系统可靠性和可维护性，因此本领域的技术人员致力于开发出高性能的压力控制算法以实现高精度、快速响应的伺服压力控制。

中国专利申请号为201810002177.3，名称为“一种晶圆压力控制装置、方法及系统”中提到了一种压力控制方法，该方法通过判断传感器反馈压力值来实现压力控制，如果反馈压力值大于设定阈值，则生成用于控制滚刷远离晶圆进行移动的控制信号，若否，则生成用于控制滚刷靠近晶圆进行移动的控制信号，从而实现圆晶的压力控制。

中国专利申请号为201680011697.X，名称为“电动机控制装置”中提到通过比例积分反馈控制(PI控制)来实现伺服压合装备压力控制的方法。为了减小压力过冲，该方法在机械部件与加压对象物非接触状态时，停止对压力指令与反馈压力之间的压力偏差进行积分，并集成了相位补偿功能，以实现压力指令与反馈压力之间偏差的相位延迟补偿。

伺服压合设备普遍具有高刚性轻阻尼的特点，在快速压合过程中容易发生振荡，从而产生较大的冲击，甚至会导致工件受损。中国专利“一种晶圆压力控制装置、方法及系统”和“电动机控制装置”所提出的控制方法不能有效解决这一难题，在要求快速响应的压力控制情况下，不能够提供快速的压力建立和高精度的压力控制。

发明内容

本发明目的是：鉴于当前压合装配过程中存在的问题，本发明提出一种基于输入整形的伺服压合设备压力控制方法，其目的在于得到一种快速高精度的压力控制方法，该方法可以有效缩短压力建立时间，提高压力控制精度，并且可以提高系统稳定性。

本发明的技术方案是：

一种基于输入整形的伺服压合设备压力控制方法，包括以下步骤：

步骤(1)对伺服压合设备进行系统建模，得到系统的传递函数；

步骤(2)将压头接触工件，并施加一定的预压；对伺服电机加载扫频电压信号，测量压力传感器反馈回来的压力数据，由电压信号和压力信号得到系统的频率响应曲线；

步骤(3)基于所建立的传递函数对伺服压合系统进行参数辨识，得到系统的固有频率ω_d和阻尼比ξ；

步骤(4)由系统固有频率ω_d和阻尼比ξ得到ZVD型输入整形器的参数：脉冲幅值A_i和时滞t_i；

步骤(5)结合所设计的输入整形器，得到伺服压力反馈控制器。

优选的，所述步骤(1)中得到系统的传递函数：

其中F是输出压力，u是加载电压，λ丝杆导程，J是系统惯量，m是压头质量，c是压头等效阻尼，k是轴向刚度，B是电机阻尼系数，η是丝杆模组机械效率，K_a是力矩系数。

优选的，步骤(2)和(3)中，首先手动旋转联轴器，使压头向下运行，直到压头与工件接触，并产生压力目标值20％左右的预压力，在这个过程中通过压力传感器判断压头是否与工件接触，以及预压力是否达到预定值；在压头与工件接触并产生预压后，在伺服电机上加载扫频电压信号，由电压信号和测量得到的压力值可以得到系统的频率响应曲线，从而可以得到系统的固有频率ω_d和阻尼比ξ。

优选的，步骤(4)得到ZVD型输入整形器的参数，脉冲幅值A_i和时滞t_i分别为：

优选的，步骤(5)中，将得到的输入整形器串入到电流环的输入端，并采用比例积分控制器实现压力闭环控制，基于输入整形的压力控制器的输入输出可以表示为：

调节比例积分控制器参数可以使得反馈压力快速高精度地跟踪指令压力。

本发明的优点是：

1.本发明提供了基于输入整形的伺服压合设备压力控制方法，该方法是在伺服系统电流环外增加了基于输入整形的压力闭环控制，从而在不降低系统刚性的情况下，提高了系统的阻尼，从而增大反馈增益、缩短压力建立时间、同时提高压力控制精度。

2.本发明针对输入整形器参数获取的问题，提出了伺服压合系统频率响应特性辨识方法，以实现输入整形器参数的获取。

3.本发明基于输入整形的压力控制算法解决了传统伺服压力控制算法中存在的快速响应和压力控制精度之间的矛盾，可以有效缩短了压力建立时间，提高了压力控制精度。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为伺服压合设备原理图；

图2为本发明伺服压合设备压力控制框图；

图3为本发明基于输入整形的伺服压力控制方法实现流程图；

图4为本发明和现有技术的压力控制性能对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图及实施例子，对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例子仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是为伺服压合设备原理图，伺服电机带动丝杆转动、驱动压头下行，从而在工件上施加压力，工件受到的压力通过压力传感器反馈到伺服驱动器中。通过对比压力指令与反馈压力可以得到压力控制偏差，然后经过集成在伺服驱动器内部的压力闭环控制器得到电机控制指令，从而实现压力控制。

伺服压力控制框图如图2所示，在伺服系统电流环进行压力闭环控制的目的是为了提高系统的快速响应能力，输入整形器是用于增大系统阻尼，以增大控制器反馈增益。

如图3所示，本发明基于输入整形的伺服压合设备压力控制方法，具体实施步骤包括：

(一)根据电机、丝杆、力传感器等子部件的特性，建立伺服压合系统的数学模型，为后续的控制器设计提供模型基础。伺服压合系统的输入电压与输出压力之间的传递函数可以表示为：

其中F是输出压力，u是加载电压，λ丝杆导程，J是系统惯量，m是压头质量，c是压头等效阻尼，k是轴向刚度，B是电机阻尼系数，η是丝杆模组机械效率，K_a是力矩系数。

(二)根据建立的系统模型，对模型参数进行系统辨识。

首先，手动旋转联轴器，使压头向下运行，直到压头与工件接触，并产生压力目标值20％左右的预压力，在这个过程中通过压力传感器判断压头是否与工件接触，以及预压力是否达到预定值。在压头与工件接触并产生预压后，如图3所示，在伺服电机上加载扫频电压信号，由电压信号和测量得到的压力值可以得到系统的频率响应曲线，从而可以得到系统的固有频率ω_d和阻尼比ξ。

(三)由辨识的系统固有频率ω_d和阻尼比ξ得到输入整形器参数。

手动旋转电机联轴器使得压头向下运行，通过压力传感器判断压头是否与工件接触。在压头与工件接触后，在伺服电机上加载扫频电压信号，并测量电压信号和压力传感器反馈回来的压力值。由电压信号和反馈压力值可以得到系统的频率响应曲线，从而可以辨识出系统的固有频率ω_d和阻尼比ξ。由系统固有频率ω_d和阻尼比ξ可以得到得到ZVD输入整形器的参数，其脉冲幅值A_i和时滞t_i分别为：

(四)将得到的输入整形器串入到电流环的输入端，并采用比例积分控制器实现压力闭环控制，基于输入整形的压力控制器的输入输出可以表示为：

调节比例积分控制器参数可以使得反馈压力快速高精度地跟踪指令压力。

本发明的伺服压力控制方法，是在伺服系统电流环外增加了基于输入整形的压力闭环控制器，从而在不降低系统刚性的情况下，增大了系统的阻尼，提高了反馈控制增益，从而可以缩短压力建立时间、同时提高压力控制精度。此外还提出了伺服压合系统频率响应特性辨识方法，以实现输入整形器参数的获取。基于输入整形的压力控制算法解决了伺服压力过程中存在的快速响应和压力控制精度之间的矛盾，有效缩短了压力建立时间，提高了压力控制精度。

图4是利用本发明设计的伺服压力控制方法与背景技术中两种现有技术进行压力控制性能的对比实验结果，其中(a)为现有文献方法试验结果，(b)为本发明方法试验结果。可见本发明可以显著减小压力建立时间，同时提高压力控制精度。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于输入整形的伺服压合设备压力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)对伺服压合设备进行系统建模，得到系统的传递函数；

步骤(2)将压头接触工件，并施加一定的预压；对伺服电机加载扫频电压信号，测量压力传感器反馈回来的压力数据，由电压信号和压力信号得到系统的频率响应曲线；

步骤(3)基于建模所得到的系统的传递函数对伺服压合设备进行参数辨识，得到系统的固有频率ω_d和阻尼比ξ；

步骤(4)由系统固有频率ω_d和阻尼比ξ得到ZVD型输入整形器的参数：脉冲幅值A_i和时滞t_i；

步骤(5)结合ZVD型输入整形器，得到伺服压力反馈控制器。

2.根据权利要求1所述的基于输入整形的伺服压合设备压力控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中得到系统的传递函数：

其中F是输出压力，u是加载电压，λ丝杆导程，J是系统惯量，m是压头质量，c是压头等效阻尼，k是轴向刚度，B是电机阻尼系数，η是丝杆模组机械效率，K_a是力矩系数。

3.根据权利要求2所述的基于输入整形的伺服压合设备压力控制方法，其特征在于，步骤(2)和(3)中，首先手动旋转联轴器，使压头向下运行，直到压头与工件接触，并产生压力目标值20％左右的预压力，在这个过程中通过压力传感器判断压头是否与工件接触，以及预压力是否达到预定值；在压头与工件接触并产生预压后，在伺服电机上加载扫频电压信号，由电压信号和测量得到的压力值可以得到系统的频率响应曲线，从而可以得到系统的固有频率ω_d和阻尼比ξ。

4.根据权利要求2所述的基于输入整形的伺服压合设备压力控制方法，其特征在于，步骤(4)得到ZVD型输入整形器的参数；脉冲幅值A_i和时滞t_i分别为：

5.根据权利要求4所述的基于输入整形的伺服压合设备压力控制方法，其特征在于，步骤(5)中，将得到的输入整形器串入到电流环的输入端，并采用比例积分控制器实现压力闭环控制，基于输入整形的伺服压力反馈控制器的输入输出可以表示为：

调节比例积分控制器参数可以使得反馈压力快速高精度地跟踪指令压力。

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