基于改進蜂群PID算法的高速擺臂機構抑振研究

2021-08-10 01:11:50劉廣杰張宇龍葉樂志

電子工業專用設備 2021年4期

郝靖，劉廣杰，張宇龍，葉樂志

(1.北京中電科電子裝備有限公司，北京100176；2.中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176；3.北京工業大學材料與制造學部，北京100124)

隨著集成電路封裝技術的不斷發展，芯片I/O密度越來越高，引線間距越來越小，生產效率的提高對IC封裝設備的響應能力、定位精度、加速度等伺服性能提出了極高的要求[1]，在IC封裝設備中，高速擺臂機構的傳動裝置具有一定彈性，易引起機械諧振[2]，從而影響IC封裝設備的定位精度和效率，甚至會導致芯片鍵合失敗。因此研究IC封裝機構高速運行過程中的諧振抑制具有重要意義。

針對IC封裝設備伺服系統抑振的研究，文獻[3]提出在控制系統中增加加速度控制環可以減少機械諧振。由于對輸入信號響應較慢，極大地限制了控制裝置的性能。文獻[4]、[5]通過設計陷波濾波器進行諧振抑制，對于負載慣量不變的，通過調整陷波器的參數能夠達到很好的效果，對于負載慣量變化的，無法精確控制諧振抑制，需要重新調節陷波器的參數，以消除新的機械諧振。文獻[6]通過借助觀測器對負載速度進行估計的方法，達到振動抑制的目的。而此類方案受限于觀測器的準確性與實時性，無法大面積普及。基于以上原因本文提出一種基于交叉全局人工蜂群PID算法對IC封裝設備中的高速擺臂機構進行諧振控制，能夠快速實時的調整PID參數值來控制伺服系統，它以誤差絕對值和控制輸入平方項的時間積分作為優化目標，經過迭代尋優計算得到系統最優解，從而達到對負載末端機械諧振的抑制。實驗結果表明，定位效率提高了9.1%。

1 結構及工作原理

IC封裝機構主要由伺服電機、聯軸器、帶輪機構、連桿機構、擺臂機構等組成。其工作原理是通過封裝機構中的擺臂機構從晶片載臺吸附芯片，同時擺臂機構通過伺服電機帶動帶輪傳動和連桿機構快速地把芯片轉動到基料載臺進行芯片高精度定位裝片，如圖1（a）所示。其中連桿機構包括曲柄OA、連桿AB、搖桿BO1三部分，OO1為機架，M為質心，P為瞬心（未標出），如圖1（b）所示。由于連桿機構在運動過程中會產生死角，通過測量得出曲柄OA和x方向的角度范圍α為0～160°，而實際應用中為了能讓芯片裝片準確，設置擺臂機構轉動角度范圍為0～90°。

圖1 IC封裝結構原理圖

2 高速運動的諧振形成

2.1 機械諧振形成原因

IC封裝機構可以簡化為電機——負載雙慣量傳動系統，如圖2所示，左邊部分為伺服電機，是整個系統的動力部分。右邊部分為執行機構，即負載。中間部分為具有彈性的傳動機構。其中J1、J2為電機、負載轉動慣量，C1、C2為電機端、負載端阻尼系數，Te為電機電磁轉矩，Tw、T1為傳動軸轉矩、負載轉矩，Cw、K為傳動軸阻尼系數、抗扭剛度，θ1、θ2為電機轉軸、執行機構轉速。由于雙慣量傳動系統中的阻尼系數很小，可以忽略不計，因此通過微分方程和拉普拉斯變換可以推導出電機轉速、負載轉速以及電機電磁轉矩之間的傳遞函數：

圖2 電機—負載雙慣量傳動系統

伺服系統采用位置-速度-電流三環控制。給定信號為位置信號，外環為位置環，APR為位置調節器，對位移進行控制；中環為速度環，ASR為速度調節器；內環為電流環，ACR為電流調節器，其輸出信號為電流控制信號。由于位置環截止頻率低于速度環、電流環，可以簡化為一階系統，如圖3所示。

由圖3可以看出，影響伺服系統的因素主要是電機轉動慣量、負載轉動慣量和抗扭剛度。其中電機轉動慣量是固定的，選用富士電機GYS102DC2-T2，J1為0.0371×10-4kg·m2，負載轉動慣量和抗扭剛度通過以下方式獲得。

圖3 實物系統模型框圖

2.1.1 負載慣量的計算

首先進行負載慣量的計算，由表1得出鍵合機構的參數，設定總的轉動慣量為J，聯軸器的轉動慣量為J0，帶輪傳動的轉動慣量為JL，擺臂的轉動慣量為JB，連桿機構的轉動慣量為Jv。由帶輪、擺臂轉動慣量公式和文獻[7]得出：

表1 裝片機構的參數

式中：m1、m2、m3、m4分別為聯軸器、大帶輪、擺臂、連桿質量；

D、D0、D1、D2分別為大帶輪和連桿相連的軸、聯軸器、小帶輪、大帶輪直徑；

J1、J2、J3分別為曲柄、連桿、搖桿轉動慣量；

MP、AP、OA、BP、O1B分別為連桿機構之間的距離。

基于以上公式得出不同角度下的轉動慣量值，如圖4所示。因連桿機構轉動角度范圍為0～90°，則轉動慣量J的值為3.16×10-6～2.97×10-5kg·m2。

圖4 不同角度下連桿機構的轉動慣量值

2.1.2 抗扭剛度的計算

其次進行抗扭剛度的計算，根據抗扭剛度的公式可得：

式中：G為彈性模量；IP為極慣性矩；l為長度。

綜上所述，得出負載轉速響應的幅頻特性曲線，如圖5所示。其中a、b為不同轉動慣量下的諧振頻率和幅值增益值，頻率范圍區間為275～372 Hz，幅值增益區間為202～212 dB，根據伺服驅動器RYC102D3-VVT2附加的公式得出速度n≥600 r/min時速度會出現震蕩現象。

圖5 負載轉速伯德圖

2.2 機械諧振對系統性能影響

通過Matlab仿真分析得出電機位置階躍響應曲線，設置移動位置為20 mm，轉速和轉動慣量J固定，調試PID參數值，達到快速響應、無超調和無穩態誤差的目標，如圖6所示。

圖6 電機位移階躍響應

仿真分析負載位置階躍響應曲線，如圖7所示。為了能更加直觀地分析負載位置階躍響應曲線，本文將圖7（a）中的關鍵信息進行局部放大，如圖7（b）所示。設置PID參數值與電機仿真PID參數值一樣，通過仿真分析得出，負載位置會出現振蕩現象，調節時間ts為115 ms時趨于穩定，帶寬為±80μm。

圖7 負載機械諧振仿真結果

3 基于交叉全局人工蜂群PID算法的諧振抑制

人工蜂群算法（ABC-PID）是一種新的群體智能優化算法，具有參數設置簡單、易于實現等特點。蜜蜂分為采蜜蜂、觀察蜂、偵查蜂，它們之間通過舞蹈傳遞食物源信息。蜂群尋找食物源的過程就是在尋找優化問題最優解的過程。由于人工蜂群算法收斂速度緩慢、容易出現早熟的問題[8]，本文提出一種基于交叉全局人工蜂群PID算法（CGABC-PID）進行諧振抑制，如圖8(a)和8(b)所示，可以看出CGABC-PID在優化精度和優化速度上明顯優于ABC-PID和常規PID算法。

圖8 算法仿真結果

CGABC-PID流程圖如圖9所示，為便于比較，本文選取絕對偏差積分性能指標，其表達式為：

圖9 CGABC流程圖

式中：t為時間；e(t)為位置誤差。

首先初始化種群，產生的解依次賦予給PID控制器的參數Kp、Ki、Kd然后運行控制系統簡化模型如圖10所示，得到其對應的性能指標，該性能指標傳遞到交叉全局人工蜂群算法中，判斷是否可以退出算法。

圖10 CGABC-PID實物系統簡化模型圖

CGABC-PID的負載位置諧振抑制曲線如圖11所示，設置移動位移為20 mm，轉速和轉動慣量J固定。為了能更加直觀地分析負載位置階躍響應曲線，本文將圖11（a）中的關鍵信息進行局部放大，如圖11（b）所示。可以看出負載位置震蕩受到了很大的抑制，調節時間ts降為100 ms時趨于穩定，定位效率提高了13%。

圖11 CGABC-PID的諧振抑制

4 實驗

4.1 搭建平臺

本文搭建如圖12所示的實驗平臺，由伺服電機帶動擺臂機構在高速運動過程中進行芯片裝片，通過伺服電機帶動擺臂機構在高速運動過程中進行芯片鍵合，并對比擺臂末端振動情況。

圖12 IC封裝機構的實驗平臺

4.2 分析

當轉動速度n為600 r/min會出現震蕩現象，為了驗證轉動速度n小于600 r/min時的擺臂機構末端位置是否會出現震蕩現象，本文設置速度n為100 r/min，位移為20 mm，常規控制IC封裝機構，當擺臂末端位置超過20 mm時，通過高速攝像機對擺臂機構末端位置進行捕捉和分析，如圖13所示，結果顯示調節時間為15 ms趨于穩定，穩態誤差為20μm。隨后設置速度n為600 r/min，常規控制IC封裝機構，結果顯示帶寬為±60μm，調節時間為22 ms趨于穩定，如圖14所示。由此得出速度n小于600 r/min時，擺臂機構末端震蕩現象明顯減小；速度n≥600 r/min時，擺臂機構末端震蕩現象明顯加劇。