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《上海交通大学》 2007年
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面向芯片封装的高加速度高精度气浮定位平台的研究

李运堂  
【摘要】: 随着半导体制造技术的飞速发展,芯片集成度不断增大,管脚数量迅速增多,引线间距日益减小,芯片封装成本在整个半导体产业链中的比重越来越突出。迫切需要新一代封装设备来大幅度提高生产效率、改善产品质量和降低制造成本。而高加速度高精度定位平台是芯片封装设备的核心部件之一,其快速启/停和高精度定位是高效完成芯片封装任务的前提和保证。 为满足新一代芯片封装设备对定位平台性能的要求,本文旨在研究设计一种全新的高推重比直接驱动气浮定位平台及其相应的位置伺服控制系统。通过协调机电系统的多影响参数,使平台在高加速度运动后,快速达到稳定状态。实现概念设计、详细设计、仿真实验以及系统的综合性能评估,提供面向芯片封装的高加速度高精度定位平台的单元级和原型级设计方法及关键技术的解决方案。主要工作及取得的成果如下: 一、综合考虑串并联机构的优缺点及直线电机直接驱动的优势,为消除摩擦力对定位平台性能的影响,设计了由直线电机直接驱动的广义并联气浮定位平台并获得发明专利(授权号:ZL 2004 1 0017014.0)。利用三维建模软件Pro/E的参数化造型方法构造零件的三维模型,通过对三维零部件结构特征的修改,使机构的空间布局合理,以满足装配、制造等方面的要求。利用有限元分析软件ANSYS对所设计的平台进行静力学和动力学分析,以寻求最佳设计参数的组合,使气浮面在自重下的变形小于0.1μm,在重力、气体压力和电机最大推力共同作用下的变形小于3μm,同时。尽量减小移动构件的质量,X和Y方向移动构件质量分别为8.61 Kg和7.00Kg。 二、通过仿真分析和实验验证的方法研究了小孔节流式静压空气轴承的几何参数对轴承性能的影响,得出轴承具有较高的承载能力、刚度和较小气体流量时各几何参数的合理比例,同时给出轴承设计和预测轴承内是否会出现超音速气流的简便方法。分析中还发现,随着节流孔直径和气膜厚度的减小,忽略节流孔长度对轴承性能的影响将带来较大的误差(这一点被以往研究者们所忽略)。以上研究成果为气浮导轨的节流孔和气腔尺寸的设计提供了依据。 三、给出气浮导轨性能计算的有限元方法和角刚度计算的误差公式,并用Matlab编写了相应的计算程序。为避免气浮面大、节流孔数量多使导轨的加工难度和制造成本增加、内部气体流出导轨的时间延长和灰尘、热变形以及外力作用致使导轨卡死的危险加大,对节流孔直径、数量、分布和气膜厚度进行了优化,使导轨性能在满足要求的同时,气浮面积和节流孔数量最小,并通过实验证明了计算结果可靠,气浮导轨的承载能力(承受压力和扭矩)满足设计要求。对气浮导轨性能分析的结果表明,当采用双排节流孔时,节流孔的排距和气浮面宽度之比为0.38时,轴承能承受的扭矩和角刚度都达到最大值。 四、针对当前商业化运动控制器封闭性的特点,利用MCT8000F4开放式运动控制器搭建成开放式运动控制软硬件系统,以满足高加速度高精度气浮定位平台对控制系统的可编程性和实时性的要求。系统中控制计算机用来对运动控制器下达运动参数,绘制运动曲线,以便对平台的性能做出评估。根据芯片封装运动特点编写的控制算法在运动控制器的高性能处理器中运行,可同时满足可编程性和实时性的要求。所编写的软件获得了软件著作权(登记号:2006SR09105)。 五、基于结构参数,采用简洁的直线电机推力模型,建立了平台的动力学模型,并通过仿真和扫频实验对所建模型加以验证。针对气浮导轨摩擦阻尼小,容易产生振荡的特点,通过调整控制器中速度环参数,并在位置环中加入微分控制来改善系统的阻尼,从而提高平台的性能。在速度环中采用极点配置并加入适当的前馈补偿,使平台达到很高的加速度和定位精度(X轴和Y轴最大加速度分别为8.00g和7.34g时,定位精度为±2μm),达到了平台设计的预期目标。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN405

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【参考文献】
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