CN113478132B - 一种龙门焊线机振动抑制方法 - Google Patents

一种龙门焊线机振动抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种龙门焊线机振动抑制方法，龙门焊线机包括X轴运动平台、Y轴运动平台以及Z轴焊头运动平台，抑制方法包括定义X轴运动平台的参数化运动规划曲线函数；从Z轴焊头运动平台的X轴谐振频率变化范围中采样选取频率点；建立Z轴焊头运动平台的X向运动动力学模型，获得Z轴焊头运动平台X向运动的残余振动曲线；利用残余振动曲线的包络线判定Z轴焊头运动平台X向运动满足定位精度要求所需的衰减时间；将衰减时间最大值与总规划时间进行相加为总定位时间；利用总定位时间最小为目标，运动函数参数为设计变量，建立优化模型并对其求解。本发明减少了XY二维运动实现中运动耦合效应，获得在不同工作位置的最优振动抑制。

Description

一种龙门焊线机振动抑制方法
技术领域
本发明涉及焊线机技术领域，具体涉及一种龙门焊线机振动抑制方法。
背景技术
用于芯片键合用的焊线机是半导体封装领域的重要装备之一。现有高速精密焊线机存在的主要问题是高速工作时焊头容易产生较大的振动，影响工作精度。
现有焊线机的XY二维运动实现通常采用垂直叠加式的二维平台设计，即在一个X轴单自由度运动平台上垂直叠加放置另外一个Y轴单自由度运动平台，通过两轴平台的运动耦合叠加来实现焊线机上的焊头的高速二维XY运动。
现有技术方案存在的主要不足有：(1)现有双边龙门XY平台的X轴运动平台往往为单侧驱动、两套导轨的布置方案，X轴运动过程摩擦力较大。如采用双边冗余驱动的X轴布置形式，还需要解决冗余轴的同步控制问题，增加控制复杂度；(2)两轴运动存在较大耦合作用，导致运动平台需要复杂的振动抑制算法来保证焊头的工作精度。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种龙门焊线机振动抑制方法，减少了XY二维运动实现中运动耦合效应，考虑焊线机构的Y轴运动位置导致的X向谐振频率变化，可以获得在不同工作位置的最优振动抑制。
技术方案：本发明提供了一种龙门焊线机振动抑制方法，该方法基于如下龙门焊线机结构设置，包括X轴运动平台、Y轴运动平台以及Z轴焊头运动平台，所述Y轴运动平台在所述X轴运动平台上滑动，所述Z轴焊头运动平台在所述Y轴运动平台上滑动，所述龙门焊线机上还设置有控制器，所述控制器与X轴运动平台、Y轴运动平台以及Z轴焊头运动平台的驱动机构连接，所述控制器中设置有振动抑制方法，包括如下步骤：
步骤1：定义X轴运动平台的参数化运动规划曲线函数；
步骤2：从Z轴焊头运动平台的X轴谐振频率变化范围中采样选取合适的频率点ωi(i＝1,2,3,…)来表征整体谐振频率变化范围；
步骤3：建立Z轴焊头运动平台的X向运动动力学模型，获得在给定运动规划参数的X轴运动平台的输入作用下Z轴焊头运动平台在ωi(i＝1,2,3,..)谐振频率下的X向运动的残余振动曲线；
步骤4：利用步骤3所述残余振动曲线的包络线判定Z轴焊头运动平台在ωi(i＝1,2,3,..)谐振频率下的X向运动满足定位精度要求所需的衰减时间Ti(i＝1,2,3,..)；
步骤5：将步骤4获得的衰减时间最大值与步骤3中的X轴运动平台的总规划时间进行相加作为定位过程的总定位时间Tall；
步骤6：利用步骤4与步骤5中获取的时间Tall最小为目标，步骤1中的运动规划曲线函数参数为设计变量，建立优化模型；
步骤7：对步骤6所述优化模型进行求解，当时间Tall满足优化收敛准则时，终止优化求解，获取最优运动函数参数。
进一步地，所述X轴运动平台包括X轴运动支架、X轴导轨、X轴滑块、X轴电机动子、X轴电机定子，所述X轴运动支架与基座固定连接，所述X轴导轨、X轴电机定子设于所述X轴运动支架上；所述X轴滑块、X轴电机动子与所述Y轴运动平台固定连接且所述X轴滑块滑动连接于所述X轴导轨上，在电磁力作用下带动Y轴运动平台产生X向运动。
进一步地，所述Y轴运动平台包括Y轴运动支架、Y轴导轨、Y轴滑块、Y轴电机动子、Y轴电机定子，所述Y轴运动支架与X轴运动平台固定连接；所述Y轴导轨、Y轴电机定子固定在Y轴运动支架上；所述Y轴滑块、Y轴电机动子与Z轴焊头运动平台固定连接且所述Y轴滑块滑动连接于所述Y轴导轨上，在电磁力作用下带动Z轴焊头运动平台产生Y向运动。
进一步地，所述Z轴焊头运动平台包括焊头机构固定板、焊头Z向运动机构、焊头(302)，所述焊头机构固定板固定于所述Y轴运动平台，所述焊头Z向运动机构与焊头机构固定板固定连接。
进一步地，所述焊头Z向运动机构内置有基于音圈电机的Z向直驱驱动器，驱动所述焊头产生Z向的工艺动作。
进一步地，所述步骤1中选择的适合的频率点为最低谐振频率值、最高谐振频率值以及谐振频率变化中间值ωi(i＝1,2,3)。
进一步地，所述Z轴焊头运动平台在所述Y轴运动平台上处于的X向谐振频率ωi的位置时，将其X向的动力学模型等效为一个单自由度弹簧质量系统，其中，X轴运动平台的运动为系统输入，Z轴焊头运动平台的X方向运动为系统输出。
有益效果：
1、本发明的龙门焊线机XY二维运动耦合效应小，便于针对XY两轴分别采用合适的运动规划方法来抑制定位过程中的残余振动。
2、本发明振动抑制方法简单，考虑焊线机构的Y轴运动位置导致的X向谐振频率变化，可以获得在不同工作位置的最优振动抑制。本发明方法所得的运动规划曲线对应的不同谐振频率下的机构振动响应在规划运动终止时刻之后的残余振动响应要远远低于现有方法，使得本发明方法所得的运动规划曲线的满足定位精度要求的实际有效定位时间要远小于现有方法。
附图说明
图1为本发明龙门焊线机整体结构示意图；
图2为本发明龙门焊线机整体结构的爆炸示意图；
图3为本发明实施例中3阶S曲线作为参数化运动规划曲线；
图4为本发明实施例中采用现有方法和本发明方法所得的运动规划曲线对比图；
图5为本发明实施例中采用现有方法和本发明方法所得的运动规划曲线在不同谐振频率下的振动响应对比图。
其中，1：X轴运动平台、101：X轴运支架、102：X轴导轨、103：X轴滑块、104：X轴电机动子、105：X轴电机定子、2：Y轴运动平台、201：Y轴运动支架、202：Y轴导轨、203：Y轴滑块、204：Y轴电机动子、205：Y轴电机定子、206：焊头机构固定板、3：Z轴焊头运动平台、301：焊头Z向运动机构、302：焊头、4：线路板、5：基座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提出一种龙门焊线机振动抑制方法，该方法基于如下龙门焊线机结构设置，焊线机主要部件包括X轴运动平台1、Y轴运动平台2、Z轴焊头运动平台3，Y轴运动平台2在X轴运动平台1上滑动，Z轴焊头运动平台3在Y轴运动平台2上滑动。
X轴运动平台1包括X轴运动支架101、X轴导轨102、X轴滑块103、X轴电机动子104、X轴电机定子105。其中，X轴运动支架101与基座5固定连接；X轴导轨102、X轴电机定子105固定在X轴运动支架101上；X轴滑块103、X轴电机动子104与Y轴运动平台2固定连接，X轴滑块103滑动连接于X轴导轨102上，在电磁力作用下可以带动Y轴运动平台2产生X向运动。
Y轴运动平台2包括Y轴运动支架201、Y轴导轨202、Y轴滑块203、Y轴电机动子204、Y轴电机定子205。其中，Y轴运动支架201与X轴滑块103、X轴电机动子104固定连接；Y轴导轨202、Y轴电机定子205固定在Y轴运动支架201上；Y轴滑块203、Y轴电机动子204与Z轴焊头运动平台3的焊头机构固定板206固定连接，Y轴滑块203滑动连接于Y轴导轨202上，在电磁力作用下可以带动整个Z轴焊头运动平台3产生Y向运动。
Z轴焊头运动平台3包括焊头机构固定板206、焊头Z向运动机构301、焊头302。其中，焊头Z向运动机构301与焊头机构固定板206固定连接，在X轴运动平台1与Y轴运动平台2的耦合运动作用下可以生成Z轴焊头运动平台3的XY二维运动。焊头Z向运动机构301内置有基于音圈电机的Z向直驱驱动器，驱动焊头302产生Z向的工艺动作，完成对固定在基座5上的线路板4的焊线操作。
上述龙门式结构布局使得X轴运动平台1的工作负载保持相对稳定，受Y轴运动平台2与小质量Z轴焊头运动平台3的运动影响较小。小质量Z轴焊头运动平台3与Y轴运动平台2的刚性直驱设计使得Y轴运动平台2可以采用成熟的振动抑制运动规划方法来实现Z轴焊头运动平台3的高精度Y轴运动。
当Z轴焊头运动平台3处在Y轴运动平台2上的不同位置时，其在X运动方向上存在一个可变的振动谐振频率。上述可变的谐振频率受Z轴焊头运动平台3相对X轴运动平台1的距离及Z轴焊头运动平台3的工作负载影响。根据Z轴焊头运动平台3的工作负载和其在Y轴运动平台2的工作位置变化范围，可以容易地确定出Z轴焊头运动平台3在X运动方向的谐振频率变化范围。
Z轴焊头运动平台3在Y轴运动平台2上处于的X向谐振频率ωi的位置时，其X向的动力学模型可以等效为一个单自由度弹簧质量系统，其中，X轴运动平台1的运动为系统输入，Z轴焊头运动平台3的X方向运动为系统输出。利用振动理论可以构建出上述单自由度动力学系统的输入与输出关系模型，进而获得Z轴焊头运动平台3的X向运动与X轴运动平台1的运动规划参数之间的函数关系。Z轴焊头运动平台3在最终定位过程中的残余振动曲线的包络线可以用于判定Z轴焊头运动平台3在X方向的定位精度。
基于上述动力学模型与定位精度判定方法，在上述龙门焊线机上还设置有控制器，控制器与X轴运动平台1、Y轴运动平台2以及Z轴焊头运动平台3的驱动机构连接，控制器中设置有振动抑制方法，采用下列运动规划方法来抑制Z轴焊头运动平台3的残余振动：
步骤1：定义X轴运动平台1的参数化运动规划曲线函数。
步骤2：从Z轴焊头运动平台3的X轴谐振频率变化范围中采样选取出适合的频率点ωi(i＝1,2,3,..)来表征整体谐振频率变化范围，选择的适合的频率点为最低谐振频率值、最高谐振频率值以及谐振频率变化中间值ωi(i＝1,2,3)。
步骤3：建立Z轴焊头运动平台3的X向运动动力学模型，获得在给定运动规划参数的X轴运动平台1的输入作用下Z轴焊头运动平台3在ωi(i＝1,2,3,..)谐振频率下的X向运动的残余振动曲线。
步骤4：利用步骤3所述残余振动曲线的包络线判定Z轴焊头运动平台3在ωi(i＝1,2,3,..)谐振频率下的X向运动满足定位精度要求所需的衰减时间Ti(i＝1,2,3,..)。
步骤5：将步骤4获得的衰减时间最大值与步骤3中的X轴运动平台1的总规划时间进行相加作为定位过程的总定位时间Tall。
步骤6：利用步骤4与步骤5中获取的时间Tall最小为目标，步骤1中的运动规划曲线函数参数为设计变量，建立优化模型。
步骤7：对步骤6所述优化模型进行求解，当时间Tall满足优化收敛准则时，终止优化求解，获取最优运动函数参数。
基于上述方法，本发明给出如下具体实施例：
采用工程中常见的3阶S曲线作为参数化运动规划曲线，如图3所示。其中，运动规划参数可以定义为tj＝t1＝t3-t2＝t5-t4＝t7-t6，ta＝t2-t1＝t6-t5，tv＝t4-t3。设定Z轴焊头运动平台3在X向的可变谐振频率范围为16-20Hz，平台的阻尼比为0.02，X向的运动行程为50mm，运动规划许用的最大速度为1m/s，许用的最大加速度为1g。分别采用工程常用的S曲线运动规划方法和本发明提出的运动规划方法可以得到如下最优运动规划参数。
表1运动规划曲线参数表
Figure BDA0003204654930000051
上表中的运动规划参数对应的运动规划曲线如图4所示。上表中的运动规划参数在不同谐振频率下的振动响应如图5所示。
由图4与图5可以看出，尽管采用现有方法所得的运动规划时间要短于使用本发明的运动规划方法，但是如图5所示，使用本发明方法所得的运动规划曲线对应的不同谐振频率下的机构振动响应在规划运动终止时刻(260.2ms)之后的残余振动响应要远远低于现有方法，使得本发明方法所得的运动规划曲线的满足定位精度要求的实际有效定位时间要远小于现有方法。
上述实施方式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。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种龙门焊线机振动抑制方法，其特征在于，该方法基于如下龙门焊线机结构设置，包括X轴运动平台(1)、Y轴运动平台(2)以及Z轴焊头运动平台(3)，所述Y轴运动平台(2)在所述X轴运动平台(1)上滑动，所述Z轴焊头运动平台(3)在所述Y轴运动平台(2)上滑动，所述龙门焊线机上还设置有控制器，所述控制器与X轴运动平台(1)、Y轴运动平台(2)以及Z轴焊头运动平台(3)的驱动机构连接，所述控制器中设置有振动抑制方法，包括如下步骤：
步骤1：定义X轴运动平台(1)的参数化运动规划曲线函数；
步骤2：从Z轴焊头运动平台(3)的X轴谐振频率变化范围中采样选取合适的频率点ωi(i＝1,2,3,…)来表征整体谐振频率变化范围；
步骤3：建立Z轴焊头运动平台(3)的X向运动动力学模型，获得在给定运动规划参数的X轴运动平台(1)的输入作用下Z轴焊头运动平台(3)在ωi(i＝1,2,3,..)谐振频率下的X向运动的残余振动曲线；
步骤4：利用步骤3所述残余振动曲线的包络线判定Z轴焊头运动平台(3)在ωi(i＝1,2,3,..)谐振频率下的X向运动满足定位精度要求所需的衰减时间Ti(i＝1,2,3,..)；
步骤5：将步骤4获得的衰减时间最大值与步骤3中的X轴运动平台(1)的总规划时间进行相加作为定位过程的总定位时间Tall；
步骤6：利用步骤4与步骤5中获取的时间Tall最小为目标，步骤1中的运动规划曲线函数参数为设计变量，建立优化模型；
步骤7：对步骤6所述优化模型进行求解，当时间Tall满足优化收敛准则时，终止优化求解，获取最优运动函数参数。
2.根据权利要求1所述的龙门焊线机振动抑制方法，其特征在于，所述X轴运动平台(1)包括X轴运动支架(101)、X轴导轨(102)、X轴滑块(103)、X轴电机动子(104)、X轴电机定子(105)，所述X轴运动支架(101)与基座(5)固定连接，所述X轴导轨(102)、X轴电机定子(105)设于所述X轴运动支架(101)上；所述X轴滑块(103)、X轴电机动子(104)与所述Y轴运动平台(2)固定连接且所述X轴滑块(103)滑动连接于所述X轴导轨(102)上，在电磁力作用下带动Y轴运动平台(2)产生X向运动。
3.根据权利要求1所述的龙门焊线机振动抑制方法，其特征在于，所述Y轴运动平台(2)包括Y轴运动支架(201)、Y轴导轨(202)、Y轴滑块(203)、Y轴电机动子(204)、Y轴电机定子(205)，所述Y轴运动支架(201)与X轴运动平台(1)固定连接；所述Y轴导轨(202)、Y轴电机定子(205)固定在Y轴运动支架(201)上；所述Y轴滑块(203)、Y轴电机动子(204)与Z轴焊头运动平台(3)固定连接且所述Y轴滑块(203)滑动连接于所述Y轴导轨(202)上，在电磁力作用下带动Z轴焊头运动平台(3)产生Y向运动。
4.根据权利要求1所述的龙门焊线机振动抑制方法，其特征在于，所述Z轴焊头运动平台(3)包括焊头机构固定板(206)、焊头Z向运动机构(301)、焊头(302)，所述焊头机构固定板(206)固定于所述Y轴运动平台(2)，所述焊头Z向运动机构(301)与焊头机构固定板(206)固定连接。
5.根据权利要求4所述的龙门焊线机振动抑制方法，其特征在于，所述焊头Z向运动机构(301)内置有基于音圈电机的Z向直驱驱动器，驱动所述焊头(302)产生Z向的工艺动作。
6.根据权利要求1所述的龙门焊线机振动抑制方法，其特征在于，所述步骤1中选择的适合的频率点为最低谐振频率值、最高谐振频率值以及谐振频率变化中间值ωi(i＝1,2,3)。
7.根据权利要求1至6任一所述的龙门焊线机振动抑制方法，其特征在于，所述Z轴焊头运动平台(3)在所述Y轴运动平台(2)上处于的X向谐振频率ωi的位置时，将其X向的动力学模型等效为一个单自由度弹簧质量系统，其中，X轴运动平台(1)的运动为系统输入，Z轴焊头运动平台(3)的X方向运动为系统输出。
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