光電子封裝用柔性并聯(lián)運動平臺的設(shè)計與仿真*

黃 凱, 高兆康, 羅定輝

0 引 言

應(yīng)用于光電子封裝的運動系統(tǒng)設(shè)計自20世紀90年代以來，引起了國外學者的重視。Rensselaer Polytechnic Institute的自動化技術(shù)中心研制了應(yīng)用于光電子的微裝配系統(tǒng)，能夠在大范圍內(nèi)進行粗動，并配置了同樣具有4個自由度的精動平臺，平動精度為0.02 μm，轉(zhuǎn)動精度為0.05°。德國PI公司研發(fā)的H206型光器件耦合對準平臺采用并聯(lián)式設(shè)計[1]，可以實現(xiàn)6個自由度，最小平動精度能達到0.1 μm，最小轉(zhuǎn)動精度可以達到2μrad。駿河精機的ES6701自動6軸耦合調(diào)節(jié)架[2]，采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，所有方向均可控制，適用于單芯光纖、光纖陣列、光波導及各種光學元件等所有器件的自動調(diào)芯，平動分辨率可達1 μm，轉(zhuǎn)動分辨率可達0.002 5°。由于串聯(lián)式的平臺組合精度差、剛度不足、誤差有累積、回程間隙無法避免，而并聯(lián)運動平臺采用具有高精度、結(jié)構(gòu)緊湊、高剛度、無累積誤差等優(yōu)勢[3，4]，更適合用于光電子封裝場合。傳統(tǒng)運動副會使平臺存在摩擦、回程間隙和爬行等問題，使其高精度特性大打折扣。柔性鉸鏈通過自身的形變產(chǎn)生角位移，具有無摩擦、高精度、高分辨率、無回程間隙等特點。

本文針對光電子封裝的應(yīng)用背景，針對運動平臺的精度、行程等設(shè)計要求，提出了一種高精度、大行程的柔性并聯(lián)運動平臺。平臺需要實現(xiàn)6個自由度的運動，其運動副低摩擦或無摩擦并且無間隙，平臺具有較高的幾何精度，驅(qū)動部件有較高的精度和平穩(wěn)性。設(shè)計使運動平臺具有亞微米級的精度[5](平動精度達到0.86 μm，轉(zhuǎn)動精度達到0.03°)，滿足了光電子封裝中光器件精準耦合的需求。

1 柔性鉸鏈形式的選擇

柔性鉸鏈是柔性并聯(lián)運動平臺的關(guān)鍵部件，柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動能力和轉(zhuǎn)動精度直接影響了運動平臺的行程和精度。柔性鉸鏈是構(gòu)建高精密柔性機構(gòu)的基本單元，基于柔性鉸鏈和并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的柔性并聯(lián)運動平臺承載能力強，剛度高，無累積誤差，能夠使運動平臺達到很高的精度和分辨率[6,7]。

柔性鉸鏈通過自身的形變產(chǎn)生位移，沒有運動副本身的相對運。利用有限元仿真的方法先對幾種典型的柔性鉸鏈進行仿真，得到對應(yīng)的最大位移如表1所示。

表1 5種典型的柔性鉸鏈性能對比 mm

可以看出，相較于其他常用結(jié)構(gòu)的柔性鉸鏈，圓角直梁型的柔性鉸鏈具有更好的結(jié)構(gòu)特征和機械性能。因此,選擇圓角直梁型柔性鉸鏈作為柔性并聯(lián)運動平臺的運動副。

利用有限元軟件進行模態(tài)計算，導入機械系統(tǒng)動力學自動分析(automatic dynamic analysis of mechanical systems,ADAMS)軟件的Flex模塊，可以將模態(tài)線性疊加到模擬對象以凸顯其變形情況，得到柔性鉸鏈的模型如圖1所示。

圖1 柔性鉸鏈

2 柔性并聯(lián)平臺仿真

2.1 柔性并聯(lián)平臺模型建立

在模型建立過程中，需要在保持并聯(lián)平臺主參數(shù)和運動特性不變的情況下，對并聯(lián)平臺模型進行簡化，達到既保持虛擬樣機的力學模型和運動學模型與并聯(lián)機器人一致，又去掉大部分對仿真結(jié)果無影響的細微結(jié)構(gòu)或零件，從而提高仿真效率。將ADMAS中已經(jīng)導入模型的鉸鏈全部刪除，然后再將圖1中所構(gòu)建的柔性鉸鏈添加到模型當中，添加好約束，如圖2所示。

圖2 柔性并聯(lián)平臺

在ADAMS中檢驗?zāi)Ｐ停摍C構(gòu)具有6個自由度,說明模型建立正確。

2.2 柔性并聯(lián)平臺平動仿真

首先給動平臺施加一個平動位移，實現(xiàn)其從原點向y軸正方向運動1 μm，而其他5個方向的位移均保持不變時，6個支鏈的驅(qū)動位移如圖3所示。

圖3 柔性并聯(lián)平臺平動仿真

可以看出，當動平臺實現(xiàn)Y正方向1 μm的運動時，運動方向與Y軸相同的2個支鏈part16，part21驅(qū)動位移比較大，達到1 μm，而運動方向與Y軸相垂直的4個支鏈part6,part11,part26,part31的驅(qū)動位移很小，只有0.4 μm。由于動平臺在實現(xiàn)Y軸方向的運動時，需要Y方向的驅(qū)動位移，因此支鏈part16,part21驅(qū)動位移會比較大；而動平臺的位移會使得支鏈part11,part26,part31與動平臺的鉸點發(fā)生位移，由于支鏈的長度固定，所以支鏈part16,part21必然要發(fā)生位移，而支鏈part16,part21的運動方向是與X軸垂直的Y軸方向，所以在Y軸有微小的位移。由結(jié)果分析可知：動平臺在X方向運動1 μm時，在X和Y方向的位移分別為0.4 μm和1 μm，其平均位移(μm)為

由于選定的驅(qū)動部件定位精度優(yōu)于0.2 μm，得到動平臺的平移運動精度(μm)為

X=0.2/0.6×1=0.33

而設(shè)計目標精度為0.87 μm，可以認為，動平臺平移運動精度達到了設(shè)定值。

2.3 柔性并聯(lián)平臺轉(zhuǎn)動仿真

給動平臺施加一個轉(zhuǎn)動位移，實現(xiàn)其從位置原點繞Y軸旋轉(zhuǎn)0.03°，而其他5個方向的位移均保持不變時，6個支鏈的驅(qū)動位移如圖4所示。

圖4 柔性并聯(lián)平臺轉(zhuǎn)動仿真

可以看出，當動平臺繞Y軸轉(zhuǎn)動0.03°時，支鏈Part16，part21驅(qū)動位移比較大，分別為15.6μm和13.7 μm，支鏈part6,part11,part26,part31驅(qū)動位移較小，為6.1 μm。由于動平臺繞X軸轉(zhuǎn)動角度很小時，6個支鏈與動平臺的鉸點均在Z軸方向有微小位移，由于支鏈的長度固定，所以支鏈和底座的鉸點位置發(fā)生改變。由結(jié)果分析可知:動平臺繞X軸轉(zhuǎn)動0.03°時，在X方向的支鏈驅(qū)動分別為15.6 μm和13.7 μm，Y方向的支鏈驅(qū)動為6.1 μm。其平均位移(μm)為

由于驅(qū)動部件的定位精度優(yōu)于0.2 μm，通過計算，動平臺的轉(zhuǎn)動運動精度(°)為

θ=0.2/8.95×0.03=0.000 67

而設(shè)計目標的精度為0.03°，因此,可以認為，動平臺的旋轉(zhuǎn)運動精度完全滿足設(shè)定值。

3 結(jié) 論

1)構(gòu)建了一種剛?cè)峄旌系娜嵝圆⒙?lián)與動平臺，為仿真分析提供了模型。

2)通過對柔性并聯(lián)平臺的仿真，可以得到該平臺的位置精度和旋轉(zhuǎn)精度，與設(shè)計要求的精度進行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)滿足設(shè)計要求，說明可以將剛?cè)峄旌系娜嵝圆⒙?lián)運動平臺應(yīng)用于光電子封裝制造的場合。

參考文獻:

[1] 董 為.基于大行程柔性鉸鏈的6自由度并聯(lián)機器人系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2007.

[2] 齊立民.基于大行程柔性鉸鏈的精密并聯(lián)機器人研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2009.

[3] Kuo S K，Menq C H．Modeling and control of a six-axis precision motion control stage[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2005，10(1)：50-59.

[4] Hatheway A E.Optomechanical and precision instrument design[C]∥SPIE Optomechanical Design and Precision Instruments,San Diego：SPIE， 1995：60-85.

[5] 陽 波.陣列波導器件的模場耦合與對準方法研究[D].長沙：中南大學,2013.

[6] Tseytlin Y.Note:Rotational compliance and instantaneous center of rotation in segmented and V-shaped notch hinges[J].Review of Scientific Instruments,2012,83(2):026102-1-026102-3.

[7] Vuilleumier A,Eigenmann M,Bergander A,et al.Development of a fine pointing and trim mechanism[C]∥The 14th ESMATS Constance,Germany,2011.