基于惯性能时空最优分布的高加速轻载机构精密定位方法.pdfVIP

Research Mechanical Engineering—Article 基于惯性能时空最优分布的高加速轻载机构 精密定位方法 * 陈新， 白有盾， 杨志军， 高健， 陈贡发 摘要：高速运动精密定位是微电子封装设备中高加速轻载执行 机构频繁的高加速运动将产生较大的惯性力，导致弹性 机构的基本运动需求。本文推导了高加速机构瞬态非线性动力学 部件的变形，引起强烈的振动而无法实现急停精密定位， 响应方程，揭示了刚度、频率、阻尼(与材料空间布局相关)和驱 导致机构磨损乃至失效[1]。因此，必须寻找新方法对高 动频率(与运动规划相关)是主要影响因素。据此，在满足高加 加速轻载机构进行动态优化设计。 速机构精密定位的条件下，笔者提出了一种基于最优非线性动力 当机构运动进入“高速”区域时，运动部件实际上变 学响应的结构优化和速度规划新方法。在结构优化中，首先分析 为“柔性体”，因此，整个机构成为一个柔性多体动力学 了目前流行的基于等效静态载荷的柔性多体动力学优化方法未 系统，此时刚体运动伴随着弹性变形的发生。因此，由于 充分考虑惯性载荷的不足，然后提出了基于等效模态的柔性多体 机构部件之间间隙的存在及部件的刚体运动与其弹性变形 动力学最优动态响应优化新方法；在速度规划上，针对传统的几 耦合等问题，动力学模型将以变系数、非光滑、多非线性 何光滑方法不能反映系统动态特性的缺陷，提出了基于变边界 项甚至强非线性项组合的高维微分方程组形式出现，给建 条件非线性动力学响应优化的速度规划新方法。将所提方法应 模分析和优化带来困难[2]。近二十年来虽然柔性多体系 用到高速固晶焊头的优化设计中，通过结构优化，降低振幅超过 统动力学和运动学方面的研究取得巨大的进展[3]，但高 20 %，再经非对称变加速规划，缩短定位时间超过40 %。本文提 速机构的柔性多系统动力学的优化问题仍未解决。 出的方法为微电子封装类装备等高加速轻载机构精密定位的实 由Park 等提出的等效静态载荷方法(ESLM) [4–10] 是 现提供了有效的理论支撑和解决途径。 目前最有效的柔性机构动力学优化方法，已经在著名的商 业软件HyperWorks 中实现，并成功用于汽车碰撞动力学 关键词：高加速轻载机构，精密定位，时空分布，惯性能，等效静 和波音飞机机翼结构[9] 的动态设计。由于该方法的思想 态载荷方法，速度规划 是将含有时间参数的非线性动力学响应方程在空间上离散 成一系列载荷等效的静态响应方程，将动力学优化问题转 1 引言 化为静力学优化问题[4–10]。当前，拓扑优化方法仅考虑 某些固有频率，相关的振型可能不会反映真实的变形。另 随着电子制造工艺的进步和市场的快速发展，电子 一个重要因素是运动规划。在运动规划方面，目前也停留 封装类装备执行机构高加速高精度的需求越来越突出。 在几何光滑方面，忽略了曲线参数对动力学响应的影响。 例如，电子封装设备的执行机构往复运动达到20 000~ S 形运动曲线与简单的梯形曲线相比，其加速度变化过程 –1 . g g μ 24 000 次 h ，加速度最高达12 ~15 ，定位精度为2~5 m 。 平缓，可以在一定程度上减少残余振动[11, 12]。数字滤 The Key Laboratory of Mechanical Equipment Manufacturing Control Technology of Ministry of Education, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China * Correspondence author.