基于機構動力學的電焊機焊頭機構自動化啟?？刂?/h1>
2015-06-05 14:54:01馬素娟
電焊機 2015年9期
田 榮，馬素娟
（唐山科技職業(yè)技術學院，河北唐山063000）
基于機構動力學的電焊機焊頭機構自動化啟?？刂?/p>
田 榮，馬素娟
（唐山科技職業(yè)技術學院，河北唐山063000）
高速粘片機電焊機焊頭機構的快速啟停動作需要保證合理的接觸力和接觸速度以完成粘結動作。本研究提出了直接位移控制模式，并基于機構動力學建立了動力學仿真模型，采用位置最優(yōu)控制方法和調節(jié)變形量獲得了最佳接觸力和最短穩(wěn)定時間的動態(tài)響應曲線，獲得了焊頭機構自動化啟停控制系統(tǒng)的最佳控制參數(shù)。
機構動力學；位移控制；啟停控制
0 前言
高速粘片機中電焊機的焊頭機構需要在短時間內完成下移、取晶、固晶和歸位等一系列動作，同時保證芯片粘貼牢固且不被壓碎，因此對焊頭接觸力的大小及精度提出了較高要求。一般情況下，取晶和固晶的接觸力分別為0.50～0.85N和0.85～1.00N[1]。接觸力大小既受接觸變形的影響，還與接觸沖擊密切相關。焊頭在短時間內的接觸會產(chǎn)生較大的瞬間沖擊力，類似于碰撞。高速粘片機的焊頭首先由位移控制，待焊頭接近目標后切換為力控制[2]。然而控制模式切換過程中會發(fā)生振動，影響粘結精度。由于焊頭吸嘴至芯片距離一定且較短，本研究提出了直接位移控制模式，并基于機構動力學建立了焊頭機構的運動控制模型，通過系統(tǒng)仿真和優(yōu)化實現(xiàn)了接觸力的精確控制和焊頭機構的自動化啟?？刂啤?/p>
1 運動控制系統(tǒng)模型
本研究采用適.01用于多體運動系統(tǒng)的狀態(tài)控制方程描述高速粘片機焊頭系統(tǒng)的運動[3]，即
式中 M為質量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；b為控制矩陣；u（t）為電機推力。依據(jù)赫茲接觸理論，同時考慮減小振動沖擊，采用位移約束為
式中 δ為吸嘴接觸變形量；c為力指數(shù)；k為芯片與吸嘴的接觸剛度；C與接觸形式和材料有關；k僅與材料有關。
采用式（1）描述電焊機焊頭機構的啟?？刂颇繕藶槎虝r間內在接觸力受約束的條件下完成由初始狀態(tài)向最終狀態(tài)的轉變，即由
轉變?yōu)?/p>
式中 X0和Xf分別為最大開度位移和目標位移，用于調節(jié)接觸力。受運動系統(tǒng)中摩擦、慣性力等因素的影響，Xf與δmax并不相等。
考慮到電焊機焊頭運動機構僅存在一個自由度，在此將電機轉角視作狀態(tài)變量[4]。
在模態(tài)坐標將式（1）展開，得到解耦方程
式中 θ為剛體坐標；qi和σi分別為第i階模態(tài)的坐標和阻尼因子；ωi為圓頻率；i為特征向量矩陣（標量）。.
引入狀態(tài)向量[θ1θ2]T，其中θ1=θ，θ2=θ。實現(xiàn)時間最優(yōu)控制的目標函數(shù)為：
將上式代入式（5），邊界條件式（3）和式（4）變?yōu)?/p>
根據(jù)機構幾何關系和邊界條件可以求解出運動系統(tǒng)的狀態(tài)控制方程。
2 動力學仿真模型
根據(jù)電焊機焊頭機構的工作原理建立的焊頭動力學仿真模型如圖1所示。焊頭擺臂在電機驅動下做水平往復運動，聯(lián)軸器通過絲桿的上下移動帶動焊頭擺臂做垂直往復運動。采用圓柱體表示芯片，即接觸目標。接觸設置為實體對實體，類型為impact，剛度為185 000 N/mm，阻尼為8 N·mm/s，力指數(shù)為2.0，忽略摩擦，允許嵌入0.05 mm。
2.1 啟?？刂葡到y(tǒng)模型
根據(jù)絲杠導程關系，結合吸嘴速度和位移可以得到電機轉速和轉角，并據(jù)此建立的啟停控制系統(tǒng)模型如圖2所示。根據(jù)焊頭的初始位置到芯片的距離，經(jīng)過絲杠導程換算后加上一個變量，即可得到目標轉角。通過變量可以調節(jié)焊頭的接觸變形量。
圖1 焊頭動力學仿真模型
圖2 啟?？刂葡到y(tǒng)框圖
首先將啟停控制系統(tǒng)模型控制系統(tǒng)的微分系數(shù)、比例系數(shù)以及積分系數(shù)均設為1，通過系統(tǒng)仿真得到焊頭的動態(tài)響應曲線如圖3所示。由圖3可知，系統(tǒng)穩(wěn)定后的時間為1.501 s，接觸力為21 N。接觸力明顯過大的原因是受到接觸變形和接觸速度的雙重影響。在滿足焊頭接觸力大小的前提下，盡量縮短系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間是焊頭機構啟?？刂葡到y(tǒng)優(yōu)化的目標。在焊頭機構運動過程中，接觸力基本為0，若將控制目標設置為接觸力，自動控制是根據(jù)目標接觸力與實際接觸力的恒定偏差來控制焊頭速度，使其做加速運動。
接觸力不為0時，焊頭速度瞬間減為0，并隨之產(chǎn)生較大的沖擊力。所以，應對位移以及速度進行控制，使焊頭靜止后的接觸力穩(wěn)定，同時接觸速度導致的沖擊未超出極限值?？刂葡到y(tǒng)以位移和速度作為控制目標時，依次實施軟著陸控制和接觸力控制，即在控制接觸速度的前提下調整目標變形量，獲得合適的接觸力。
圖3 焊頭在初始參數(shù)控制下的響應曲線
2.2 參數(shù)優(yōu)化
將最短穩(wěn)定時間作為控制目標，對控制參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化過程如表1所示。由表1可知，經(jīng)過迭代[5]，穩(wěn)定時間由初始的2.472 s，縮短為0.403 s。焊頭在優(yōu)化過程中的響應曲線如圖4所示，由圖4可知，接觸力達到最大值所需時間為403 ms，所耗時間仍然較長。
將電機的最大扭矩擴大10倍，繼續(xù)進行參數(shù)優(yōu)化，得到焊頭的響應曲線如圖5所示，穩(wěn)定時間縮短為111 ms，但是隨之增大的超調量增大了接觸力。
設置無超調約束，對焊頭機構的啟?？刂葡到y(tǒng)繼續(xù)優(yōu)化，得到的響應曲線如圖6所示。由圖6可知，超調量幾乎為0，但是穩(wěn)定時間增加至165 ms，接觸力也僅為0.21 N。因此需要繼續(xù)優(yōu)化控制參數(shù)。
將芯片上移0.15 mm，而運動目標即焊頭坐標不變，采用上述扭矩增大后無超調約束下的控制參數(shù)，得到的接觸力曲線如圖7所示。由圖7可知，穩(wěn)定接觸力為0.71 N，滿足高速粘片機的工藝需求。
表1 參數(shù)優(yōu)化過程
圖4 焊頭在優(yōu)化過程中的響應曲線
3 結論
基于機構動力學，建立了高速粘片機焊頭機構的運動控制系統(tǒng)模型。通過建立動力學仿真模型，采用位置最優(yōu)控制方法和調節(jié)變形量獲得了最佳接觸力和最短穩(wěn)定時間的動態(tài)響應曲線，同時獲得了焊頭機構自動化啟?？刂葡到y(tǒng)的最佳控制參數(shù)。
圖5 焊頭在扭矩增大后的響應曲線
圖6 焊頭在無超調約束下的響應曲線
圖7 焊頭在調整變形量后的接觸力曲線
[1]楊志軍，姜永軍，吳小洪，等.IC封裝焊頭機構接觸力分析[J].機械設計與制造，2009（1）：172-173.
[2]袁清珂，劉大慧，曾德東，等.焊頭機構運動建模與仿真技術的研究[J].電子科技大學學報，2009（2）：317-320.
[3]張松，喬鳳斌，劉玉來，等.基于ADAMS的攪拌摩擦點焊機器人動力學仿真分析[J].電焊機，2012，42（6）：113-117.
[4]彭衛(wèi)東，陳新，李克天，等.IC芯片粘片機并聯(lián)焊頭機構的彈性動力學分析[J].機械科學與技術，2007（11）：1418-1421.
[5]李廣軍，孫曉玲，趙炯.智能優(yōu)化算法及其在焊接優(yōu)化設計領域的應用[J].電焊機，2011，41（6）：67-72.
Automatic start-stop control of electric welding machine welding head based on the institutional dynamics
TIAN Rong，MA Sujuan
（Tangshan Vocational College of Science and Technology，Tangshan 063000，China）
Rapid start-stop action of high speed stick piece mechanical and electrical welder welding head structure needs the reasonable contact force and contact speed to complete the action.Direct displacement control mode is proposed in this paper，and based on the mechanism dynamics，dynamics simulation model is established，using position of the optimal control method and regulation of deformation to win the dynamic response curves with best stable contact force and the shortest time，at the same time gets the optimal control parameters of the welding head institutions automatic start-stop control system.
institutional dynamics；displacement control；start-stop control
TG446
：A
1001-2303（2015）09-0072-04
10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.15
2015-02-16
河北省教育科學“十二五”規(guī)劃（2012B357）
田 榮（1982—），女，河北唐山人，講師，碩士，主要從事機械工程的研究工作。
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機構動力學；位移控制；啟停控制
0 前言
高速粘片機中電焊機的焊頭機構需要在短時間內完成下移、取晶、固晶和歸位等一系列動作，同時保證芯片粘貼牢固且不被壓碎，因此對焊頭接觸力的大小及精度提出了較高要求。一般情況下，取晶和固晶的接觸力分別為0.50～0.85N和0.85～1.00N[1]。接觸力大小既受接觸變形的影響，還與接觸沖擊密切相關。焊頭在短時間內的接觸會產(chǎn)生較大的瞬間沖擊力，類似于碰撞。高速粘片機的焊頭首先由位移控制，待焊頭接近目標后切換為力控制[2]。然而控制模式切換過程中會發(fā)生振動，影響粘結精度。由于焊頭吸嘴至芯片距離一定且較短，本研究提出了直接位移控制模式，并基于機構動力學建立了焊頭機構的運動控制模型，通過系統(tǒng)仿真和優(yōu)化實現(xiàn)了接觸力的精確控制和焊頭機構的自動化啟?？刂啤?/p>
1 運動控制系統(tǒng)模型
本研究采用適.01用于多體運動系統(tǒng)的狀態(tài)控制方程描述高速粘片機焊頭系統(tǒng)的運動[3]，即
式中 M為質量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；b為控制矩陣；u（t）為電機推力。依據(jù)赫茲接觸理論，同時考慮減小振動沖擊，采用位移約束為
式中 δ為吸嘴接觸變形量；c為力指數(shù)；k為芯片與吸嘴的接觸剛度；C與接觸形式和材料有關；k僅與材料有關。
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轉變?yōu)?/p>
式中 X0和Xf分別為最大開度位移和目標位移，用于調節(jié)接觸力。受運動系統(tǒng)中摩擦、慣性力等因素的影響，Xf與δmax并不相等。
考慮到電焊機焊頭運動機構僅存在一個自由度，在此將電機轉角視作狀態(tài)變量[4]。
在模態(tài)坐標將式（1）展開，得到解耦方程
式中 θ為剛體坐標；qi和σi分別為第i階模態(tài)的坐標和阻尼因子；ωi為圓頻率；i為特征向量矩陣（標量）。.
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根據(jù)絲杠導程關系，結合吸嘴速度和位移可以得到電機轉速和轉角，并據(jù)此建立的啟停控制系統(tǒng)模型如圖2所示。根據(jù)焊頭的初始位置到芯片的距離，經(jīng)過絲杠導程換算后加上一個變量，即可得到目標轉角。通過變量可以調節(jié)焊頭的接觸變形量。
圖1 焊頭動力學仿真模型
圖2 啟?？刂葡到y(tǒng)框圖
首先將啟停控制系統(tǒng)模型控制系統(tǒng)的微分系數(shù)、比例系數(shù)以及積分系數(shù)均設為1，通過系統(tǒng)仿真得到焊頭的動態(tài)響應曲線如圖3所示。由圖3可知，系統(tǒng)穩(wěn)定后的時間為1.501 s，接觸力為21 N。接觸力明顯過大的原因是受到接觸變形和接觸速度的雙重影響。在滿足焊頭接觸力大小的前提下，盡量縮短系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間是焊頭機構啟?？刂葡到y(tǒng)優(yōu)化的目標。在焊頭機構運動過程中，接觸力基本為0，若將控制目標設置為接觸力，自動控制是根據(jù)目標接觸力與實際接觸力的恒定偏差來控制焊頭速度，使其做加速運動。
接觸力不為0時，焊頭速度瞬間減為0，并隨之產(chǎn)生較大的沖擊力。所以，應對位移以及速度進行控制，使焊頭靜止后的接觸力穩(wěn)定，同時接觸速度導致的沖擊未超出極限值?？刂葡到y(tǒng)以位移和速度作為控制目標時，依次實施軟著陸控制和接觸力控制，即在控制接觸速度的前提下調整目標變形量，獲得合適的接觸力。
圖3 焊頭在初始參數(shù)控制下的響應曲線
2.2 參數(shù)優(yōu)化
將最短穩(wěn)定時間作為控制目標，對控制參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化過程如表1所示。由表1可知，經(jīng)過迭代[5]，穩(wěn)定時間由初始的2.472 s，縮短為0.403 s。焊頭在優(yōu)化過程中的響應曲線如圖4所示，由圖4可知，接觸力達到最大值所需時間為403 ms，所耗時間仍然較長。
將電機的最大扭矩擴大10倍，繼續(xù)進行參數(shù)優(yōu)化，得到焊頭的響應曲線如圖5所示，穩(wěn)定時間縮短為111 ms，但是隨之增大的超調量增大了接觸力。
設置無超調約束，對焊頭機構的啟?？刂葡到y(tǒng)繼續(xù)優(yōu)化，得到的響應曲線如圖6所示。由圖6可知，超調量幾乎為0，但是穩(wěn)定時間增加至165 ms，接觸力也僅為0.21 N。因此需要繼續(xù)優(yōu)化控制參數(shù)。
將芯片上移0.15 mm，而運動目標即焊頭坐標不變，采用上述扭矩增大后無超調約束下的控制參數(shù)，得到的接觸力曲線如圖7所示。由圖7可知，穩(wěn)定接觸力為0.71 N，滿足高速粘片機的工藝需求。
表1 參數(shù)優(yōu)化過程
圖4 焊頭在優(yōu)化過程中的響應曲線
3 結論
基于機構動力學，建立了高速粘片機焊頭機構的運動控制系統(tǒng)模型。通過建立動力學仿真模型，采用位置最優(yōu)控制方法和調節(jié)變形量獲得了最佳接觸力和最短穩(wěn)定時間的動態(tài)響應曲線，同時獲得了焊頭機構自動化啟?？刂葡到y(tǒng)的最佳控制參數(shù)。
圖5 焊頭在扭矩增大后的響應曲線
圖6 焊頭在無超調約束下的響應曲線
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[1]楊志軍，姜永軍，吳小洪，等.IC封裝焊頭機構接觸力分析[J].機械設計與制造，2009（1）：172-173.
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[5]李廣軍，孫曉玲，趙炯.智能優(yōu)化算法及其在焊接優(yōu)化設計領域的應用[J].電焊機，2011，41（6）：67-72.
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institutional dynamics；displacement control；start-stop control
TG446
：A
1001-2303（2015）09-0072-04
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