AOI檢測設(shè)備的直線電機定位精度補償研究

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

隨著手機屏幕分辨率越來越高，電路板上Pad點間距越來越小，對AOI屏幕點亮設(shè)備的探針壓接裝置定位精度要求越來越高。電機帶動探針壓接裝置做直線運動，其定位精度直接影響到探針壓接點亮成功率，因此需要高定位精度的電機驅(qū)動系統(tǒng)。傳統(tǒng)的“滾珠絲杠+伺服電機”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)電機啟動、停車、加減速、正反轉(zhuǎn)等運動時，會有反向間隙、彈性變形等誤差，影響電機定位精度[2]。為了滿足高定位精度要求，克服傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)缺點，采用直線電機驅(qū)動系統(tǒng)。直線電機輸出直線運動，直接驅(qū)動機械執(zhí)行機構(gòu)，消除了中間機械傳動環(huán)節(jié)[3]，同時采用高精度光柵進行運動跟蹤，大大提高了其定位精度[4]。

在AOI檢測設(shè)備中，直線電機的定位精度是影響探針壓接成功的關(guān)鍵。因此，需要對直線電機進行定位精度測量和補償。使用激光干涉儀測量不同工況下的直線電機定位精度，然后找出電機的定位誤差特征，對其進行分段補償，提高電機的定位精度。

1 激光干涉儀直線測量原理

激光干涉儀具有測量精度高、環(huán)境適應(yīng)能力強、性能穩(wěn)定等特點，廣泛應(yīng)用在精密儀器測量和校正工作中[5]。使用雷尼紹公司XL80激光干涉儀(測量精度±0.5 ppm，分辨率1 nm，量程80 m)測量直線電機的定位誤差，其測量原理如圖1所示。激光器發(fā)出兩道波長為0.633 μm的單一頻率光束(f參、f分)，當(dāng)光束到達干涉鏡后，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，由于運動反射鏡是移動的，透射光束f2經(jīng)過反射后變成頻率為f2+Δf的透射光束。兩個光束匯合后產(chǎn)生干涉，得到測量光束f測，f測=f1-(f2+Δf)。f參和f測經(jīng)過減法器、可逆計數(shù)器和計算機的換算得到直線電機定位精度[6]。

圖1 激光干涉儀直線測量原理圖

2 直線電機定位精度測量

直線電機在直線運動過程中，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) 直線電機的邊端效應(yīng)，影響進給單元兩端的力特性，進而影響定位精度[9]。

(3) 電機安裝在機臺上，由于沒有隔振地基，受周圍環(huán)境、其他設(shè)備加減速帶來的振動，影響電機定位精度[10]。

圖2為雷尼紹激光干涉儀對直線電機定位精度測量實驗，直線電機型號為Ticbel TC002-01-L-3M，光柵尺柵距為20 μm。測試環(huán)境參數(shù)如下：空氣溫度25.3 ℃，空氣壓力1 009 mbar，相對濕度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 直線電機定位精度測量實驗

AOI檢測設(shè)備應(yīng)用在全自動無人車間中，對產(chǎn)品節(jié)拍要求很高，這就對直線電機的速度、加速度、定位精度提出了很高的要求。測試現(xiàn)場如圖2所示，由于AOI檢測設(shè)備屬于精對位，運動行程為5 mm，為了能夠全面客觀的反應(yīng)直線電機的定位精度，在5 mm行程范圍內(nèi)平均設(shè)置20個數(shù)據(jù)采集點，測試在不同速度、加速度和位置的條件下直線電機的定位精度，并對其進行分析。為了能夠在系統(tǒng)穩(wěn)定時刻采集數(shù)據(jù)，直線電機在每個數(shù)據(jù)采集點停留3 s。在不同工況下，直線電機定位精度測試數(shù)據(jù)如圖3及表1所示。

圖3 不同工況下直線電機的定位誤差

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

表1 不同工況下直線電機的定位誤差

3 定位精度補償

采用最小二乘法對圖3各點定位精度的平均值進行線性、分段線性和三次樣條擬合[2]，用來減少定位精度誤差。通過擬合得到以下函數(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)

為了驗證對比三種擬合函數(shù)補償后的定位精度，在相同工況下(v=2 mm/s，a=5 mm/s2)，測量直線電機補償后定位精度，如表2和圖4所示。

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

表2 補償后直線電機定位精度

圖4 采用三種補償方式補償前后定位精度

4 結(jié) 論

利用雷尼紹激光干涉儀對AOI檢測設(shè)備中的直線電機進行定位精度測量，并根據(jù)測量結(jié)果進行線性補償、分段補償、三次樣條補償，通過對比分析補償前后測試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)直線電機的速度、加速度對定位精度影響不大，直線電機的定位精度隨著位移增加具有累加性。采用三次樣條補償后電機定位精度最優(yōu)，可以極大地提高直線電機定位精度，從而達到理想狀態(tài)。