基于機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的電焊機(jī)焊頭機(jī)構(gòu)自動(dòng)化啟停控制

田 榮，馬素娟

（唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北唐山063000）

基于機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的電焊機(jī)焊頭機(jī)構(gòu)自動(dòng)化啟?？刂?/p>

田 榮，馬素娟

（唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北唐山063000）

高速粘片機(jī)電焊機(jī)焊頭機(jī)構(gòu)的快速啟停動(dòng)作需要保證合理的接觸力和接觸速度以完成粘結(jié)動(dòng)作。本研究提出了直接位移控制模式，并基于機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建立了動(dòng)力學(xué)仿真模型，采用位置最優(yōu)控制方法和調(diào)節(jié)變形量獲得了最佳接觸力和最短穩(wěn)定時(shí)間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，獲得了焊頭機(jī)構(gòu)自動(dòng)化啟停控制系統(tǒng)的最佳控制參數(shù)。

機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)；位移控制；啟停控制

0 前言

高速粘片機(jī)中電焊機(jī)的焊頭機(jī)構(gòu)需要在短時(shí)間內(nèi)完成下移、取晶、固晶和歸位等一系列動(dòng)作，同時(shí)保證芯片粘貼牢固且不被壓碎，因此對(duì)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(guān)。焊頭在短時(shí)間內(nèi)的接觸會(huì)產(chǎn)生較大的瞬間沖擊力，類(lèi)似于碰撞。高速粘片機(jī)的焊頭首先由位移控制，待焊頭接近目標(biāo)后切換為力控制[2]。然而控制模式切換過(guò)程中會(huì)發(fā)生振動(dòng)，影響粘結(jié)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(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建立了焊頭機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制模型，通過(guò)系統(tǒng)仿真和優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了接觸力的精確控制和焊頭機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化啟停控制。

1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型

本研究采用適.01用于多體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)控制方程描述高速粘片機(jī)焊頭系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)[3]，即

式中 M為質(zhì)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(jī)推力。依據(jù)赫茲接觸理論，同時(shí)考慮減小振動(dòng)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(guān)；k僅與材料有關(guān)。

采用式（1）描述電焊機(jī)焊頭機(jī)構(gòu)的啟?？刂颇繕?biāo)為短時(shí)間內(nèi)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(zhuǎn)變，即由

轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

式中 X0和Xf分別為最大開(kāi)度位移和目標(biāo)位移，用于調(diào)節(jié)接觸力。受運(yùn)動(dòng)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(jī)焊頭運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)僅存在一個(gè)自由度，在此將電機(jī)轉(zhuǎn)角視作狀態(tài)變量[4]。

在模態(tài)坐標(biāo)將式（1）展開(kāi)，得到解耦方程

式中 θ為剛體坐標(biāo)；qi和σi分別為第i階模態(tài)的坐標(biāo)和阻尼因子；ωi為圓頻率；i為特征向量矩陣（標(biāo)量）。.

引入狀態(tài)向量[θ1θ2]T，其中θ1=θ，θ2=θ。實(shí)現(xiàn)時(shí)間最優(yōu)控制的目標(biāo)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(jī)構(gòu)幾何關(guān)系和邊界條件可以求解出運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)控制方程。

2 動(dòng)力學(xué)仿真模型

根據(jù)電焊機(jī)焊頭機(jī)構(gòu)的工作原理建立的焊頭動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖1所示。焊頭擺臂在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下做水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，聯(lián)軸器通過(guò)絲桿的上下移動(dòng)帶動(dòng)焊頭擺臂做垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)。采用圓柱體表示芯片，即接觸目標(biāo)。接觸設(shè)置為實(shí)體對(duì)實(shí)體，類(lèi)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(dǎo)程關(guān)系，結(jié)合吸嘴速度和位移可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，并據(jù)此建立的啟?？刂葡到y(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(guò)絲杠導(dǎo)程換算后加上一個(gè)變量，即可得到目標(biāo)轉(zhuǎn)角。通過(guò)變量可以調(diào)節(jié)焊頭的接觸變形量。

圖1 焊頭動(dòng)力學(xué)仿真模型

圖2 啟停控制系統(tǒng)框圖

首先將啟?？刂葡到y(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(shè)為1，通過(guò)系統(tǒng)仿真得到焊頭的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖3所示。由圖3可知，系統(tǒng)穩(wěn)定后的時(shí)間為1.501 s，接觸力為21 N。接觸力明顯過(guò)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(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間是焊頭機(jī)構(gòu)啟?？刂葡到y(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)。在焊頭機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，接觸力基本為0，若將控制目標(biāo)設(shè)置為接觸力，自動(dòng)控制是根據(jù)目標(biāo)接觸力與實(shí)際接觸力的恒定偏差來(lái)控制焊頭速度，使其做加速運(yùn)動(dòng)。

接觸力不為0時(shí)，焊頭速度瞬間減為0，并隨之產(chǎn)生較大的沖擊力。所以，應(yīng)對(duì)位移以及速度進(jìn)行控制，使焊頭靜止后的接觸力穩(wěn)定，同時(shí)接觸速度導(dǎo)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(biāo)時(shí)，依次實(shí)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(diào)整目標(biāo)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(yīng)曲線

2.2 參數(shù)優(yōu)化

將最短穩(wěn)定時(shí)間作為控制目標(biāo)，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化過(guò)程如表1所示。由表1可知，經(jīng)過(guò)迭代[5]，穩(wěn)定時(shí)間由初始的2.472 s，縮短為0.403 s。焊頭在優(yōu)化過(guò)程中的響應(yīng)曲線如圖4所示，由圖4可知，接觸力達(dá)到最大值所需時(shí)間為403 ms，所耗時(shí)間仍然較長(zhǎng)。

將電機(jī)的最大扭矩?cái)U(kuò)大10倍，繼續(xù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到焊頭的響應(yīng)曲線如圖5所示，穩(wěn)定時(shí)間縮短為111 ms，但是隨之增大的超調(diào)量增大了接觸力。

設(shè)置無(wú)超調(diào)約束，對(duì)焊頭機(jī)構(gòu)的啟?？刂葡到y(tǒng)繼續(xù)優(yōu)化，得到的響應(yīng)曲線如圖6所示。由圖6可知，超調(diào)量幾乎為0，但是穩(wěn)定時(shí)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(yùn)動(dòng)目標(biāo)即焊頭坐標(biāo)不變，采用上述扭矩增大后無(wú)超調(diào)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(jī)的工藝需求。

表1 參數(shù)優(yōu)化過(guò)程

圖4 焊頭在優(yōu)化過(guò)程中的響應(yīng)曲線

3 結(jié)論

基于機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，建立了高速粘片機(jī)焊頭機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型。通過(guò)建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，采用位置最優(yōu)控制方法和調(diào)節(jié)變形量獲得了最佳接觸力和最短穩(wěn)定時(shí)間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，同時(shí)獲得了焊頭機(jī)構(gòu)自動(dòng)化啟停控制系統(tǒng)的最佳控制參數(shù)。

圖5 焊頭在扭矩增大后的響應(yīng)曲線

圖6 焊頭在無(wú)超調(diào)約束下的響應(yīng)曲線

圖7 焊頭在調(diào)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(jī)構(gòu)接觸力分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（1）：172-173.

[2]袁清珂，劉大慧，曾德東，等.焊頭機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)建模與仿真技術(shù)的研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（2）：317-320.

[3]張松，喬鳳斌，劉玉來(lái)，等.基于ADAMS的攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真分析[J].電焊機(jī)，2012，42（6）：113-117.

[4]彭衛(wèi)東，陳新，李克天，等.IC芯片粘片機(jī)并聯(lián)焊頭機(jī)構(gòu)的彈性動(dòng)力學(xué)分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，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(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，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(xué)“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(jī)械工程的研究工作。