王瑞亭，徐興光

(蘇州凌云視界智能設(shè)備責(zé)任有限公司，江蘇 蘇州 215123)

0 引 言

隨著手機(jī)屏幕分辨率越來(lái)越高，電路板上Pad點(diǎn)間距越來(lái)越小，對(duì)AOI屏幕點(diǎn)亮設(shè)備的探針壓接裝置定位精度要求越來(lái)越高。電機(jī)帶動(dòng)探針壓接裝置做直線運(yùn)動(dòng)，其定位精度直接影響到探針壓接點(diǎn)亮成功率，因此需要高定位精度的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的“滾珠絲杠+伺服電機(jī)”結(jié)構(gòu)存在聯(lián)軸器、絲杠、軸承、螺母等中間環(huán)節(jié)[1]，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)、停車、加減速、正反轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)有反向間隙、彈性變形等誤差，影響電機(jī)定位精度[2]。為了滿足高定位精度要求，克服傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。直線電機(jī)輸出直線運(yùn)動(dòng)，直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，消除了中間機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)[3]，同時(shí)采用高精度光柵進(jìn)行運(yùn)動(dòng)跟蹤，大大提高了其定位精度[4]。

在AOI檢測(cè)設(shè)備中，直線電機(jī)的定位精度是影響探針壓接成功的關(guān)鍵。因此，需要對(duì)直線電機(jī)進(jìn)行定位精度測(cè)量和補(bǔ)償。使用激光干涉儀測(cè)量不同工況下的直線電機(jī)定位精度，然后找出電機(jī)的定位誤差特征，對(duì)其進(jìn)行分段補(bǔ)償，提高電機(jī)的定位精度。

1 激光干涉儀直線測(cè)量原理

激光干涉儀具有測(cè)量精度高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在精密儀器測(cè)量和校正工作中[5]。使用雷尼紹公司XL80激光干涉儀(測(cè)量精度±0.5 ppm，分辨率1 nm，量程80 m)測(cè)量直線電機(jī)的定位誤差，其測(cè)量原理如圖1所示。激光器發(fā)出兩道波長(zhǎng)為0.633 μm的單一頻率光束(f參、f分)，當(dāng)光束到達(dá)干涉鏡后，被分為兩束光(反射光束f1，透射光束f2)，然后兩束光被角反射鏡反射回干涉鏡，由于運(yùn)動(dòng)反射鏡是移動(dòng)的，透射光束f2經(jīng)過(guò)反射后變成頻率為f2+Δf的透射光束。兩個(gè)光束匯合后產(chǎn)生干涉，得到測(cè)量光束f測(cè)，f測(cè)=f1-(f2+Δf)。f參和f測(cè)經(jīng)過(guò)減法器、可逆計(jì)數(shù)器和計(jì)算機(jī)的換算得到直線電機(jī)定位精度[6]。

圖1 激光干涉儀直線測(cè)量原理圖

2 直線電機(jī)定位精度測(cè)量

直線電機(jī)在直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，影響定位精度的因素很多[7]，主要有：

(1) 光柵尺和直線導(dǎo)軌的制造及安裝誤差[8]。

(2) 直線電機(jī)的邊端效應(yīng)，影響進(jìn)給單元兩端的力特性，進(jìn)而影響定位精度[9]。

(3) 電機(jī)安裝在機(jī)臺(tái)上，由于沒(méi)有隔振地基，受周圍環(huán)境、其他設(shè)備加減速帶來(lái)的振動(dòng)，影響電機(jī)定位精度[10]。

圖2為雷尼紹激光干涉儀對(duì)直線電機(jī)定位精度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，直線電機(jī)型號(hào)為Ticbel TC002-01-L-3M，光柵尺柵距為20 μm。測(cè)試環(huán)境參數(shù)如下：空氣溫度25.3 ℃，空氣壓力1 009 mbar，相對(duì)濕度56%RH，材料溫度23.7 ℃，環(huán)境系數(shù)0.316 μm，膨脹系數(shù)11.7 ppm/℃。

圖2 直線電機(jī)定位精度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

AOI檢測(cè)設(shè)備應(yīng)用在全自動(dòng)無(wú)人車間中，對(duì)產(chǎn)品節(jié)拍要求很高，這就對(duì)直線電機(jī)的速度、加速度、定位精度提出了很高的要求。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示，由于AOI檢測(cè)設(shè)備屬于精對(duì)位，運(yùn)動(dòng)行程為5 mm，為了能夠全面客觀的反應(yīng)直線電機(jī)的定位精度，在5 mm行程范圍內(nèi)平均設(shè)置20個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，測(cè)試在不同速度、加速度和位置的條件下直線電機(jī)的定位精度，并對(duì)其進(jìn)行分析。為了能夠在系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)刻采集數(shù)據(jù)，直線電機(jī)在每個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)停留3 s。在不同工況下，直線電機(jī)定位精度測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3及表1所示。

圖3 不同工況下直線電機(jī)的定位誤差

從圖3和表1中可以發(fā)現(xiàn)：①該直線電機(jī)的定位誤差隨著位移的增加而增加，增長(zhǎng)速率基本一致，大體呈現(xiàn)一定的線性增長(zhǎng)；②在不同工況下，直線電機(jī)的定位誤差相差不大，定位精度具有良好的一致性，說(shuō)明速度、加速度對(duì)其定位精度影響不大。

表1 不同工況下直線電機(jī)的定位誤差

3 定位精度補(bǔ)償

采用最小二乘法對(duì)圖3各點(diǎn)定位精度的平均值進(jìn)行線性、分段線性和三次樣條擬合[2]，用來(lái)減少定位精度誤差。通過(guò)擬合得到以下函數(shù)：

線性擬合函數(shù)公式：

y=-3.1x+1.82

(1)

分段線性擬合函數(shù)公式：

(2)

三次樣條擬合函數(shù)公式：

y=0.06x3-0.63x2-1.34x+0.79

(3)

為了驗(yàn)證對(duì)比三種擬合函數(shù)補(bǔ)償后的定位精度，在相同工況下(v=2 mm/s，a=5 mm/s2)，測(cè)量直線電機(jī)補(bǔ)償后定位精度，如表2和圖4所示。

采用三種不同的補(bǔ)償方法對(duì)直線電機(jī)定位誤差補(bǔ)償，線性補(bǔ)償后直線電機(jī)定位精度為1.8 μm，分段補(bǔ)償后直線電機(jī)定位精度為1.5 μm，三次樣條補(bǔ)償后直線電機(jī)定位精度為1.4 μm，由于直線電機(jī)的定位誤差線性比較好，補(bǔ)償后三種補(bǔ)償精度差別不是很大，定位精度都控制在2 μm以內(nèi)，和補(bǔ)償前比較，直線電機(jī)定位精度大大提高。從補(bǔ)償方式來(lái)看，采用三次樣條補(bǔ)償后精度最高，達(dá)到1.4 μm。

表2 補(bǔ)償后直線電機(jī)定位精度

圖4 采用三種補(bǔ)償方式補(bǔ)償前后定位精度

4 結(jié) 論

利用雷尼紹激光干涉儀對(duì)AOI檢測(cè)設(shè)備中的直線電機(jī)進(jìn)行定位精度測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行線性補(bǔ)償、分段補(bǔ)償、三次樣條補(bǔ)償，通過(guò)對(duì)比分析補(bǔ)償前后測(cè)試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)直線電機(jī)的速度、加速度對(duì)定位精度影響不大，直線電機(jī)的定位精度隨著位移增加具有累加性。采用三次樣條補(bǔ)償后電機(jī)定位精度最優(yōu)，可以極大地提高直線電機(jī)定位精度，從而達(dá)到理想狀態(tài)。