直線電機在劃片機中的應用

樸宇

摘要：隨著計算機、通信、高性能消費電子等行業的快速發展，我國對集成電路的需求不斷增加，國內包裝產量遠遠不能滿足國內市場需求。在集成電路的后封裝過程中，半導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。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用。

關鍵詞：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。受工藝設備條件、技術水平和生產成本的制約。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。

1.劃片機的結構設計與誤差分配

在結構設計中，傳動鏈應盡可能短，機構應盡量簡化，減少零件數量，減少誤差源。提高了結構的剛度和剛度，減小了變形誤差和振動的影響。盡可能采用運動學結構，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，獲得較高的經濟加工精度。根據上述原理設計了劃片機Y軸驅動定位系統。

結構設計完成后，根據各部件對機床精度的不同影響程度，并根據實現的可能性，對各部件提出不同的精度要求和適當的精度分配，允許較大的誤差和較小的誤差，使各部件的誤差機構中元件的尺寸與誤差傳遞函數成反比，保證了元件的準確分配。合理經濟，實現功能與成本的最佳匹配。通過反復的分配和調整，實現了誤差的分配，從而得到較為理想的結果。驅動系統的核心部件是步進電機，步進電機直接驅動滾珠絲杠和螺母副，使旋轉變為主軸的運動。

2.直線電機結構及工作原理

2.1基本結構

與旋轉電機相比，直線電機的接頭相當于徑向切割旋轉電機，形成平面。它包括相當于定子部分的一次部分和相當于轉子部分的二次部分。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生。驅動力是在行波磁場和二次永磁體的作用下產生的，從而實現運動部件的直線運動。在實際應用中，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

一旦旋轉電機在頂部位置出現徑向切割且圓周出現拉直情況時，，旋轉電機就自然而然轉變為直線電機。如果三相繞組受到三相對稱正交電流的動力作用時，就會產生一定的磁場。當沒有將縱向邊緣效應考慮在內時，氣隙磁場就會沿著延伸的直線出現正弦分布。除此之外，當三相電流隨時間發生一定變化時，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，在二次回路中產生感應電流。該電流會與主磁場相互作用進而產生一定的電磁力，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設為1，一旦三相交流電流在一段時間內發生變化時，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表面上的旋轉磁場的線速度相同。當定子產生的磁場在定子和電動機之間的氣隙中旋轉時，磁場將切斷轉子并使轉子產生感應電流。然后將電流感應到原始磁場，產生電磁轉矩并使轉子旋轉。

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。根據這一原理，直線異步電動機可以直線往復運動。

3.直線電機的特點

旋轉感應電機的同步速度取決于頻率f和極數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。對于旋轉電機來說，很容易使轉速n接近同步轉速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，可以通過調低同步速度Vs來實現目的。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上便會出現一些問題。當依據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/質量比等新的評價標準對其性能進行評估時，直線電機又變成了高性能裝置。

4.直線電機的發展趨勢

直線電機可以直接驅動負載直線運動，也可以直接驅動圓盤式機械在無齒輪轉換裝置的情況下低速旋轉。它在工業上有很高的價值，應用范圍廣闊，發展速度迅速。該電機具有極其簡單的結構、相對較低的能耗和較為理想的工作效率等特點。當前，其主要向如下方向發展：新原理直線電機的出現，如薄膜直線電機;研究與開發，以薄膜材料為電機的定、動基板，使電機結構簡單化;在結構設計中注重模塊化、標準化、系列化，形成功能部件;在技術性能上發展到高精度;在控制技術上向數字化方向發展。將直線電機的生產商業化，盡快研究和解決關鍵問題，成果轉化為商品。

5.直線電機的應用效果

隨著高速加工技術的飛速發展，對傳動和控制系統的要求越來越高，使得直線電機驅動技術的研究越來越深入。目前，直線電機已經克服了許多缺點，其動態性能更加優異。直線驅動技術的研究不僅是技術發展的越來越快的趨勢，而且能夠為企業帶來更大的社會經濟效益，成為未來發展的必然趨勢。實際應用證明，直線電機具有以下優點：

5.1高速響應性

由于系統中直接消除了一些響應時間常數較大的機械傳動部件，如絲杠等，大大提高了整個控制系統的響應性能，響應非常靈敏、快速。

5.2高精度性

考慮到它從本質上就消除了部分絲杠等機械機構引起的固有傳動誤差，同時在一定程度上減少了傳動系統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

它可以實現起動時的瞬時高速和高速時的瞬時準停機。

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，所以維護極為方便。

6.結論

綜上所述，直線電機在劃片機精確定位和步進進給中的應用只是一個初步嘗試。結果表明，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。隨著進線電機生產技術的不斷完善和成熟，必將在工業生產中得到更廣泛的應用。

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（作者單位：沈陽和研科技有限公司）