基于速度阻尼力位切換DSP 算法的引線鍵合機(jī)邦頭設(shè)計(jì)

陳永剛，閻秋生，鞏航軍

(1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東東莞 523808;2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510006)

LED 焊線機(jī)設(shè)備中，鍵合邦頭的運(yùn)動(dòng)過程是LED 芯片焊接的關(guān)鍵。其工作原理是將引線框架固定在加熱塊上，再施加超聲波、鍵合力，在芯片或引腳與金屬線的結(jié)合部位形成金屬焊［1］。從控制理論角度出發(fā)，可以將整個(gè)芯片焊接運(yùn)動(dòng)過程分為以下幾個(gè)部分:位置控制、力控制、力位切換控制［2］。位置控制實(shí)現(xiàn)引線鍵合邦頭在自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的高速高精度控制，包括高速運(yùn)動(dòng)和低速搜索以及金絲線的拉弧運(yùn)動(dòng);力控制是控制芯片焊接時(shí)焊接加力的穩(wěn)定。而力切換控制是實(shí)現(xiàn)鍵合邦頭從位置控制到力控制的連接紐帶，對抑制切換過程中沖擊力的產(chǎn)生有重要作用，目前常采用的直接力位切換算法因?yàn)闆]有抑制力位切換過程中的速度波動(dòng)，造成了力波動(dòng)過大。因此根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以國內(nèi)研發(fā)的最新型全自動(dòng)LED焊線機(jī)為背景，提出一套基于DSP 的速度阻尼力位切換控制系統(tǒng)。

1 力位切換控制分析

如圖1 所示，在芯片焊接過程中，當(dāng)鍵合邦頭在位置控制下完成自由狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)，鍵合邦頭末端劈刀接觸芯片基板準(zhǔn)備加力時(shí)的控制過程，稱之為切換控制。力位切換控制過程是文中研究的重點(diǎn)，目的是實(shí)現(xiàn)迅速穩(wěn)定的力位切換。

圖1 力位切換控制

力位切換控制是眾所周知的一大控制難題，國外最早的研究是關(guān)于機(jī)器操作手臂在抓取物體時(shí)的混合控制［3］。現(xiàn)在，力位切換控制仍然是機(jī)器人及自動(dòng)化控制的前沿研究領(lǐng)域。對于力位切換控制，研究學(xué)者提出了很多新的控制思想與方法，比如動(dòng)態(tài)混合力位控制、阻抗控制、非線性阻尼控制、自適應(yīng)控制等［4－6］。文中從應(yīng)用角度出發(fā)，分析切換過程與影響力位切換的相關(guān)因素，并對實(shí)現(xiàn)力位切換控制的策略作符合實(shí)際應(yīng)用的理論分析與設(shè)計(jì)。

2 基于速度阻尼力位切換方案設(shè)計(jì)

基于速度阻尼的力位切換控制方法設(shè)計(jì)思想是:在鍵合邦頭低速搜索階段，檢測位置偏差作為切換條件;在切換條件達(dá)到閾值時(shí)，將控制器切換到速度環(huán)加電流環(huán)控制環(huán)路方式。即通過速度環(huán)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)力位切換前鍵合邦頭運(yùn)動(dòng)速度的快速抑制，從而達(dá)到平穩(wěn)切換的目的。設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示。

圖2 帶速度阻尼的力位切換框圖

在圖2 中，看上去有3 個(gè)前向通道，實(shí)際上只有兩個(gè)通道:一個(gè)是以位置環(huán)為首組成的位置控制通道;另一個(gè)是以力規(guī)劃器為首組成的力控制通道。參數(shù)控制器只是用來在進(jìn)行力位切換時(shí)改變速度環(huán)參數(shù)用的參數(shù)規(guī)劃表，并不是真正的自成環(huán)路。顯而易見，與直接力位切換控制系統(tǒng)相比，環(huán)路切換開關(guān)提前了。切換條件的選擇仍然是位置環(huán)路的位置偏差。

利用速度閉環(huán)構(gòu)成的速度阻尼對切換速度精確的控制作用，使得鍵合邦頭在力位切換過程中，緩沖鍵合邦頭金屬球與基板之間的碰撞力［7］，使得金屬球能夠快速穩(wěn)定，從而使得加力過程更平穩(wěn)、力波動(dòng)更小。雖然與直接力位切換控制系統(tǒng)相比，多保留了一個(gè)速度環(huán)，但實(shí)際控制起來并不是想象中的那么簡單。對于運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)，從先前的雙環(huán)控制，然后到模擬量力位切換，到保留一環(huán)并改變環(huán)路的參數(shù)，這樣的一個(gè)“熱”轉(zhuǎn)變，還是很難做到的。

3 基于速度阻尼力位切換DSP 算法設(shè)計(jì)

圖3 帶速度阻尼的力位切換算法流程圖

基于速度阻尼力位切換DSP 算法設(shè)計(jì)，類似于直接力位切換DSP 算法設(shè)計(jì)，所不同的是在力位切換時(shí)，通過切換條件，保留了速度環(huán)，并通過設(shè)定速度環(huán)的參數(shù)，進(jìn)而構(gòu)成速度阻尼的作用。系統(tǒng)算法流程如圖3 所示。

4 參數(shù)調(diào)試

為了使系統(tǒng)控制性能達(dá)到最優(yōu)，必須對其環(huán)路控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)?；谒俣茸枘岬牧ξ磺袚Q控制系統(tǒng)，有3 個(gè)方面的控制參數(shù)需要調(diào)節(jié):位置環(huán)路的控制參數(shù)、速度阻尼參數(shù)、力控制環(huán)路參數(shù)。

(1)位置環(huán)路的控制參數(shù)的調(diào)試，目標(biāo)是使系統(tǒng)具有良好的跟蹤定位精度，實(shí)現(xiàn)高速高精度的運(yùn)動(dòng)控制性能。包含位置環(huán)路的PID 參數(shù)、速度前饋與加速度前饋系數(shù)、速度環(huán)路的PID 參數(shù)共8 個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)。一般選擇從內(nèi)環(huán)往外環(huán)調(diào)試，即先調(diào)節(jié)速度環(huán)路，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，再調(diào)節(jié)位置環(huán)路。速度環(huán)路調(diào)節(jié)完畢后，調(diào)節(jié)位置環(huán)路的Kp、速度前饋、加速度前饋3 個(gè)系數(shù)。調(diào)節(jié)好這3 個(gè)參數(shù)后，然后通過調(diào)節(jié)Ki使得系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差，調(diào)節(jié)Kd抑制系統(tǒng)的超調(diào);

(2)速度阻尼參數(shù)的調(diào)試，目標(biāo)是盡量降低力位切換過程中的速度波動(dòng)，使得加力過程更加平穩(wěn)。通過改變速度環(huán)路控制律的參數(shù)，主要是Kp，使得速度環(huán)路構(gòu)成一個(gè)阻尼器，以使系統(tǒng)更加穩(wěn)定;

(3)力控制環(huán)路參數(shù)的調(diào)試，目標(biāo)是使加力過程更加平穩(wěn)，力波動(dòng)盡可能地小。力控制律設(shè)計(jì)為PD控制器。調(diào)節(jié)過程分為兩個(gè)步驟:首先將Kp盡可能地放大，以快速抑制系統(tǒng)的振動(dòng);然后將Kp減小，同時(shí)加大Kd，使得系統(tǒng)的超調(diào)大大減少。

5 結(jié)束語

采用三角波速度信號作為力位切換的激勵(lì)信號。設(shè)定的焊接力有兩段:第一段力為0.75 N，第二段力為1.05 N，加力時(shí)間均為5 ms，實(shí)際力響應(yīng)曲線如圖4 所示。

圖4 帶速度阻尼的力位切換算法力響應(yīng)曲線

從圖5 可以看出:相比于直接力位切換控制，基于速度阻尼的力位切換控制效果要好得多，力波動(dòng)明顯減小，沖擊力最大為0.41 N，反彈力為0，加力段力波動(dòng)效果接近±0.03 N 設(shè)計(jì)要求范圍。這說明:在整個(gè)力位切換過程中，加力平穩(wěn)，鍵合邦頭在力位切換過程中的振動(dòng)得到了很好的抑制，也即速度阻尼的作用效果明顯。

圖5 直接力位切換算法的力響應(yīng)曲線

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