樸宇

摘要：隨著計(jì)算機(jī)、通信、高性能消費(fèi)電子等行業(yè)的快速發(fā)展，我國對(duì)集成電路的需求不斷增加，國內(nèi)包裝產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國內(nèi)市場(chǎng)需求。在集成電路的后封裝過程中，半導(dǎo)體芯片的劃切是第一個(gè)過程。由于直線電機(jī)對(duì)精度的要求較高，在我國自行研制的切屑劃線機(jī)中，采用直線電機(jī)作為高精度定位送料機(jī)構(gòu)。本文從直線電機(jī)的工作原理和基本特性入手，分析了直線電機(jī)在劃片機(jī)上的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：直線電機(jī);劃片機(jī);高精度定位

引言

劃片機(jī)是精密切割的專用設(shè)備，其主要運(yùn)動(dòng)是主軸沿Y軸方向的定位和步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。由于主運(yùn)動(dòng)的定位精度決定了劃片機(jī)的切割精度，對(duì)其定位精度有較高的要求。提高零件的制造精度，減少原始誤差是保證劃片機(jī)定位精度的基本途徑。然而，零件的制造精度不能無限期地、任意地提高。受工藝設(shè)備條件、技術(shù)水平和生產(chǎn)成本的制約。因此，在自行研制的劃片機(jī)上，直線電機(jī)用于高精度的定位送料機(jī)構(gòu)。

1.劃片機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與誤差分配

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，傳動(dòng)鏈應(yīng)盡可能短，機(jī)構(gòu)應(yīng)盡量簡化，減少零件數(shù)量，減少誤差源。提高了結(jié)構(gòu)的剛度和剛度，減小了變形誤差和振動(dòng)的影響。盡可能采用運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)，通過最小化點(diǎn)接觸，減少尺寸和形狀誤差的影響，形成必要的約束，提高精度，降低零部件接觸件的加工要求，獲得較高的經(jīng)濟(jì)加工精度。根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)了劃片機(jī)Y軸驅(qū)動(dòng)定位系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，根據(jù)各部件對(duì)機(jī)床精度的不同影響程度，并根據(jù)實(shí)現(xiàn)的可能性，對(duì)各部件提出不同的精度要求和適當(dāng)?shù)木确峙?，允許較大的誤差和較小的誤差，使各部件的誤差機(jī)構(gòu)中元件的尺寸與誤差傳遞函數(shù)成反比，保證了元件的準(zhǔn)確分配。合理經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)功能與成本的最佳匹配。通過反復(fù)的分配和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了誤差的分配，從而得到較為理想的結(jié)果。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件是步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠和螺母副，使旋轉(zhuǎn)變?yōu)橹鬏S的運(yùn)動(dòng)。

2.直線電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1基本結(jié)構(gòu)

與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，直線電機(jī)的接頭相當(dāng)于徑向切割旋轉(zhuǎn)電機(jī)，形成平面。它包括相當(dāng)于定子部分的一次部分和相當(dāng)于轉(zhuǎn)子部分的二次部分。通常情況下，行波磁場(chǎng)與交變磁場(chǎng)是做平行式運(yùn)動(dòng)的，且是由初級(jí)繞組中的多相交流電產(chǎn)生。驅(qū)動(dòng)力是在行波磁場(chǎng)和二次永磁體的作用下產(chǎn)生的，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件的直線運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，一次和二次的長度是不同的。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，一次和二次應(yīng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。一級(jí)和二級(jí)的長度不能相等。否則，一次和二次之間的耦合部分將逐漸減小，無法正常移動(dòng)。

2.2工作原理

一旦旋轉(zhuǎn)電機(jī)在頂部位置出現(xiàn)徑向切割且圓周出現(xiàn)拉直情況時(shí)，，旋轉(zhuǎn)電機(jī)就自然而然轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€電機(jī)。如果三相繞組受到三相對(duì)稱正交電流的動(dòng)力作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)。當(dāng)沒有將縱向邊緣效應(yīng)考慮在內(nèi)時(shí)，氣隙磁場(chǎng)就會(huì)沿著延伸的直線出現(xiàn)正弦分布。除此之外，當(dāng)三相電流隨時(shí)間發(fā)生一定變化時(shí)，氣隙磁場(chǎng)會(huì)沿A、B和C進(jìn)行線性移動(dòng)，行波磁場(chǎng)也會(huì)切斷二次回路，在二次回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流。該電流會(huì)與主磁場(chǎng)相互作用進(jìn)而產(chǎn)生一定的電磁力，該電磁力在一定程度上能夠促進(jìn)初級(jí)和次級(jí)磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。倘若電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)設(shè)為1，一旦三相交流電流在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，行波磁場(chǎng)就會(huì)在繞組延伸的方向上移動(dòng)兩次。值得一提的是，行波磁場(chǎng)的速度與定子內(nèi)表面上的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的線速度相同。當(dāng)定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)在定子和電動(dòng)機(jī)之間的氣隙中旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁場(chǎng)將切斷轉(zhuǎn)子并使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電流。然后將電流感應(yīng)到原始磁場(chǎng)，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩并使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

如果改變直線異步電動(dòng)機(jī)定子繞組中電源的相序，行波磁場(chǎng)就會(huì)向相反的方向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)這一原理，直線異步電動(dòng)機(jī)可以直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

3.直線電機(jī)的特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)的同步速度取決于頻率f和極數(shù)P，而直線電機(jī)的同步速度取決于頻率F和磁極距離。此外，滑動(dòng)速率s分別由速度n和移動(dòng)速度v控制。對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)來說，很容易使轉(zhuǎn)速n接近同步轉(zhuǎn)速ns，但對(duì)于低速直線電機(jī)，通常很難達(dá)到移動(dòng)速度v，因此效率不可避免地會(huì)變小。

因此，為了在某些程度上減小滑差串s，可以通過調(diào)低同步速度Vs來實(shí)現(xiàn)目的。但是如果使極距和頻率f極其小，那么在機(jī)械加工方面或在技術(shù)上便會(huì)出現(xiàn)一些問題。當(dāng)依據(jù)電機(jī)的效率或成功率來衡量直線機(jī)的工作性能時(shí)，直線電機(jī)性能較差。需要注意，如果以推力/輸入比和推力/質(zhì)量比等新的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估時(shí)，直線電機(jī)又變成了高性能裝置。

4.直線電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

直線電機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載直線運(yùn)動(dòng)，也可以直接驅(qū)動(dòng)圓盤式機(jī)械在無齒輪轉(zhuǎn)換裝置的情況下低速旋轉(zhuǎn)。它在工業(yè)上有很高的價(jià)值，應(yīng)用范圍廣闊，發(fā)展速度迅速。該電機(jī)具有極其簡單的結(jié)構(gòu)、相對(duì)較低的能耗和較為理想的工作效率等特點(diǎn)。當(dāng)前，其主要向如下方向發(fā)展：新原理直線電機(jī)的出現(xiàn)，如薄膜直線電機(jī);研究與開發(fā)，以薄膜材料為電機(jī)的定、動(dòng)基板，使電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單化;在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注重模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，形成功能部件;在技術(shù)性能上發(fā)展到高精度;在控制技術(shù)上向數(shù)字化方向發(fā)展。將直線電機(jī)的生產(chǎn)商業(yè)化，盡快研究和解決關(guān)鍵問題，成果轉(zhuǎn)化為商品。

5.直線電機(jī)的應(yīng)用效果

隨著高速加工技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)傳動(dòng)和控制系統(tǒng)的要求越來越高，使得直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究越來越深入。目前，直線電機(jī)已經(jīng)克服了許多缺點(diǎn)，其動(dòng)態(tài)性能更加優(yōu)異。直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究不僅是技術(shù)發(fā)展的越來越快的趨勢(shì)，而且能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來更大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，成為未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。實(shí)際應(yīng)用證明，直線電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

5.1高速響應(yīng)性

由于系統(tǒng)中直接消除了一些響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的機(jī)械傳動(dòng)部件，如絲杠等，大大提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的響應(yīng)性能，響應(yīng)非常靈敏、快速。

5.2高精度性

考慮到它從本質(zhì)上就消除了部分絲杠等機(jī)械機(jī)構(gòu)引起的固有傳動(dòng)誤差，同時(shí)在一定程度上減少了傳動(dòng)系統(tǒng)在插補(bǔ)時(shí)的滯后引起的跟蹤誤差。

5.3速度快、加速度過程短

它可以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)高速和高速時(shí)的瞬時(shí)準(zhǔn)停機(jī)。

5.4運(yùn)動(dòng)安靜、噪聲低

由于消除了傳動(dòng)螺桿等零件的機(jī)械摩擦，大大降低了其運(yùn)動(dòng)噪聲。

5.5維護(hù)方便

由于直線電機(jī)是以一個(gè)整體出現(xiàn)，所以維護(hù)極為方便。

6.結(jié)論

綜上所述，直線電機(jī)在劃片機(jī)精確定位和步進(jìn)進(jìn)給中的應(yīng)用只是一個(gè)初步嘗試。結(jié)果表明，直線電機(jī)的使用滿足了切割工藝的要求，取得了滿意的效果。隨著進(jìn)線電機(jī)生產(chǎn)技術(shù)的不斷完善和成熟，必將在工業(yè)生產(chǎn)中得到更廣泛的應(yīng)用。

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（作者單位：沈陽和研科技有限公司）