直線電機在劃片機中的應(yīng)用

樸宇

摘要：隨著計算機、通信、高性能消費電子等行業(yè)的快速發(fā)展，我國對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過程。由于直線電機對精度的要求較高，在我國自行研制的切屑劃線機中，采用直線電機作為高精度定位送料機構(gòu)。本文從直線電機的工作原理和基本特性入手，分析了直線電機在劃片機上的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：直線電機;劃片機;高精度定位

引言

劃片機是精密切割的專用設(shè)備，其主要運動是主軸沿Y軸方向的定位和步進運動。由于主運動的定位精度決定了劃片機的切割精度，對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上，直線電機用于高精度的定位送料機構(gòu)。

1.劃片機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與誤差分配

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，傳動鏈應(yīng)盡可能短，機構(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的影響。盡可能采用運動學(xué)結(jié)構(gòu)，通過最小化點接觸，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)濟加工精度。根據(jù)上述原理設(shè)計了劃片機Y軸驅(qū)動定位系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，根據(jù)各部件對機床精度的不同影響程度，并根據(jù)實現(xiàn)的可能性，對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，實現(xiàn)功能與成本的最佳匹配。通過反復(fù)的分配和調(diào)整，實現(xiàn)了誤差的分配，從而得到較為理想的結(jié)果。驅(qū)動系統(tǒng)的核心部件是步進電機，步進電機直接驅(qū)動滾珠絲杠和螺母副，使旋轉(zhuǎn)變?yōu)橹鬏S的運動。

2.直線電機結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1基本結(jié)構(gòu)

與旋轉(zhuǎn)電機相比，直線電機的接頭相當(dāng)于徑向切割旋轉(zhuǎn)電機，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，行波磁場與交變磁場是做平行式運動的，且是由初級繞組中的多相交流電產(chǎn)生。驅(qū)動力是在行波磁場和二次永磁體的作用下產(chǎn)生的，從而實現(xiàn)運動部件的直線運動。在實際應(yīng)用中，一次和二次的長度是不同的。電機運行時，一次和二次應(yīng)相對運動。一級和二級的長度不能相等。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。

2.2工作原理

一旦旋轉(zhuǎn)電機在頂部位置出現(xiàn)徑向切割且圓周出現(xiàn)拉直情況時，，旋轉(zhuǎn)電機就自然而然轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€電機。如果三相繞組受到三相對稱正交電流的動力作用時，就會產(chǎn)生一定的磁場。當(dāng)沒有將縱向邊緣效應(yīng)考慮在內(nèi)時，氣隙磁場就會沿著延伸的直線出現(xiàn)正弦分布。除此之外，當(dāng)三相電流隨時間發(fā)生一定變化時，氣隙磁場會沿A、B和C進行線性移動，行波磁場也會切斷二次回路，在二次回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流。該電流會與主磁場相互作用進而產(chǎn)生一定的電磁力，該電磁力在一定程度上能夠促進初級和次級磁場的相對運動。倘若電動機的極對數(shù)設(shè)為1，一旦三相交流電流在一段時間內(nèi)發(fā)生變化時，行波磁場就會在繞組延伸的方向上移動兩次。值得一提的是，行波磁場的速度與定子內(nèi)表面上的旋轉(zhuǎn)磁場的線速度相同。當(dāng)定子產(chǎn)生的磁場在定子和電動機之間的氣隙中旋轉(zhuǎn)時，磁場將切斷轉(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，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機定子繞組中電源的相序，行波磁場就會向相反的方向運動。根據(jù)這一原理，直線異步電動機可以直線往復(fù)運動。

3.直線電機的特點

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

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來實現(xiàn)目的。但是如果使極距和頻率f極其小，那么在機械加工方面或在技術(shù)上便會出現(xiàn)一些問題。當(dāng)依據(jù)電機的效率或成功率來衡量直線機的工作性能時，直線電機性能較差。需要注意，如果以推力/輸入比和推力/質(zhì)量比等新的評價標(biāo)準(zhǔn)對其性能進行評估時，直線電機又變成了高性能裝置。

4.直線電機的發(fā)展趨勢

直線電機可以直接驅(qū)動負(fù)載直線運動，也可以直接驅(qū)動圓盤式機械在無齒輪轉(zhuǎn)換裝置的情況下低速旋轉(zhuǎn)。它在工業(yè)上有很高的價值，應(yīng)用范圍廣闊，發(fā)展速度迅速。該電機具有極其簡單的結(jié)構(gòu)、相對較低的能耗和較為理想的工作效率等特點。當(dāng)前，其主要向如下方向發(fā)展：新原理直線電機的出現(xiàn)，如薄膜直線電機;研究與開發(fā)，以薄膜材料為電機的定、動基板，使電機結(jié)構(gòu)簡單化;在結(jié)構(gòu)設(shè)計中注重模塊化、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.直線電機的應(yīng)用效果

隨著高速加工技術(shù)的飛速發(fā)展，對傳動和控制系統(tǒng)的要求越來越高，使得直線電機驅(qū)動技術(shù)的研究越來越深入。目前，直線電機已經(jīng)克服了許多缺點，其動態(tài)性能更加優(yōu)異。直線驅(qū)動技術(shù)的研究不僅是技術(shù)發(fā)展的越來越快的趨勢，而且能夠為企業(yè)帶來更大的社會經(jīng)濟效益，成為未來發(fā)展的必然趨勢。實際應(yīng)用證明，直線電機具有以下優(yōu)點：

5.1高速響應(yīng)性

由于系統(tǒng)中直接消除了一些響應(yīng)時間常數(shù)較大的機械傳動部件，如絲杠等，大大提高了整個控制系統(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械機構(gòu)引起的固有傳動誤差，同時在一定程度上減少了傳動系統(tǒng)在插補時的滯后引起的跟蹤誤差。

5.3速度快、加速度過程短

它可以實現(xiàn)起動時的瞬時高速和高速時的瞬時準(zhǔn)停機。

5.4運動安靜、噪聲低

由于消除了傳動螺桿等零件的機械摩擦，大大降低了其運動噪聲。

5.5維護方便

由于直線電機是以一個整體出現(xiàn)，所以維護極為方便。

6.結(jié)論

綜上所述，直線電機在劃片機精確定位和步進進給中的應(yīng)用只是一個初步嘗試。結(jié)果表明，直線電機的使用滿足了切割工藝的要求，取得了滿意的效果。隨著進線電機生產(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）