用于角位移補(bǔ)償?shù)男滦蚗Yθ微動(dòng)定位平臺(tái)

邱 遷，關(guān)均銘，郭曉暉，湯 暉

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引言

目前精密制造及裝配等操作精細(xì)程度越來(lái)越高，要滿足高精度、多自由度的定位要求就需要研制出新型的精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)[1-2]。晶圓級(jí)芯片封裝是一種經(jīng)過(guò)提高和改進(jìn)的芯片尺寸封裝，為保證芯片封裝的正確性，必須做好高精度定位檢測(cè)工作，高效準(zhǔn)確的檢測(cè)設(shè)備是晶圓級(jí)封裝高質(zhì)量的必要保證[3-4]，其中晶粒中心與元件拾取中心是否保持一致決定了倒裝的成敗。

本文結(jié)合柔性納米定位機(jī)構(gòu)及平面三自由度的定位需求創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種帶角位移誤差補(bǔ)償?shù)奈⒍ㄎ黄脚_(tái)，有效地提高了傳統(tǒng)晶圓檢測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)的性能。

1 3-RRR微動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 柔性鉸鏈

柔順機(jī)構(gòu)能夠傳遞或轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)、力或能量，它不僅由運(yùn)動(dòng)副傳遞運(yùn)動(dòng)，還至少?gòu)钠淙嵝圆考淖冃沃蝎@得一部分運(yùn)動(dòng)。一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)的放大原理和結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，使用的柔性鉸鏈比較少，因而具有較高的傳遞效率，目前應(yīng)用比較廣泛。實(shí)際中，理想狀態(tài)的剛性結(jié)構(gòu)其實(shí)會(huì)發(fā)生輕微彎曲，如圖1所示。

圖1 杠桿位移放大器的受力分析圖

在柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，各柔性鉸鏈不僅發(fā)生了轉(zhuǎn)角變形，同時(shí)也會(huì)有拉伸和壓縮變形產(chǎn)生，從而使柔性鉸鏈的回轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生偏移，影響機(jī)構(gòu)的放大率。設(shè)作用在柔性鉸鏈上的軸向力為F2，反向作用力為F1，力矩為M，柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角為θ，柔性鉸鏈的軸向變形為Δy，輸入力到作用在柔性鉸鏈上的點(diǎn)的距離為l1，柔性鉸鏈總長(zhǎng)為l，Xin為輸入端位移，Xout為輸出端位移。

根據(jù)受力平衡關(guān)系有：

F1+F2=0.

(1)

M-F1l1=0.

(2)

柔性鉸鏈的變形量和受力關(guān)系為：

M=KM×θ.

(3)

F2=KF×Δy.

(4)

由變形幾何關(guān)系，得：

Xout=l×θ-Xin.

(5)

故放大倍率A：

(6)

1.2 3-RRR 微動(dòng)平臺(tái)補(bǔ)償器

基于以上杠桿位移放大器結(jié)構(gòu)的理論分析，本文創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一個(gè)三方向?qū)ΨQ式一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)組成的3-RRR微納運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。將杠桿位移放大器巧妙地設(shè)計(jì)成L型，不僅增大了放大倍數(shù)，還節(jié)省了空間，使得整個(gè)微納補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,其平面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 有限元分析

使用ANSYS軟件，通過(guò)模態(tài)分析驗(yàn)證其動(dòng)態(tài)性能，選用 Al7075-T6 作為微納位移補(bǔ)償裝置的材料。圖3為仿真得到的該3-RRR機(jī)構(gòu)的前6階模態(tài),其中顏色越深代表輸出位移越大，反之越小。第1階模態(tài)頻率為261 Hz表明了該機(jī)構(gòu)具有較大的固有頻率，證實(shí)了該微納定位平臺(tái)擁有較高的帶寬及精密定位性能。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建與測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)中的3-RRR微納位移補(bǔ)償裝置是由一整塊型號(hào)為Al7075-T651的航空鋁通過(guò)電火花線切割方式加工而成，如圖4所示。驅(qū)動(dòng)器使用推疊式壓電陶瓷(型號(hào)為P887.91；行程為32 μm±10%，最大值為38 μm±10%；阻滯力為1 850 N)驅(qū)動(dòng)3-RRR微納位移補(bǔ)償裝置，選用控制卡(型號(hào)為GTS-800-PV-PCI-G，8通道)來(lái)控制運(yùn)動(dòng)，使用光纖位移傳感器檢測(cè)位置誤差。做微動(dòng)部分測(cè)試時(shí)，為了減少外界振動(dòng)干擾，將3-RRR微納位移補(bǔ)償裝置等關(guān)鍵設(shè)備放置于高性能阻尼隔振平臺(tái)上。

圖2 3-RRR微動(dòng)平臺(tái)平面圖

圖3 3-RRR機(jī)構(gòu)的前6階模態(tài)

通過(guò)ANSYS仿真可知，柔性3-RRR機(jī)構(gòu)并不能實(shí)現(xiàn)XY方向的平動(dòng)，為了能夠達(dá)到機(jī)構(gòu)平動(dòng)的目的，我們?cè)谶@里設(shè)置θ′為θ軸的標(biāo)定零點(diǎn)，即在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)初始就設(shè)置(θ=θ′，X=0，Y=0)為運(yùn)動(dòng)相對(duì)零點(diǎn)，并做了以下開(kāi)環(huán)的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。

(1)X單自由度運(yùn)動(dòng)模式，即X軸參考信號(hào)為幅值為20 μm的Sine波，Y軸與θ軸參考信號(hào)保持為零。X軸的軌跡追蹤誤差控制在0.5 μm(誤差率小于0.8%)以下，如圖5所示。

(2) 同理，Y單自由度運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示，Y軸的軌跡追蹤誤差控制在0.7 μm(誤差率小于1.1%)以下。

(3)θ單自由度運(yùn)動(dòng)模式如圖7所示，θ軸的軌跡追蹤誤差控制在0.003°(誤差率小于0.15%)以下。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：①前期建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型精準(zhǔn)，機(jī)構(gòu)的性能滿足設(shè)計(jì)要求；②3-RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的多軸位移耦合特性對(duì)運(yùn)動(dòng)定位精度有一定的影響。

圖4 3-RRR微動(dòng)平臺(tái)實(shí)物圖

圖5X單自由度運(yùn)動(dòng)軌跡圖6Y單自由度運(yùn)動(dòng)軌跡圖7θ單自由度運(yùn)動(dòng)軌跡

4 總結(jié)

基于柔性鉸鏈設(shè)計(jì)了一種新型帶角位移的平面三自由度納米位移補(bǔ)償器，它具有體積小、重量輕、利于集成、減小運(yùn)動(dòng)負(fù)載慣量等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)簡(jiǎn)單開(kāi)環(huán)測(cè)試，其工作行程放大約2倍，定位精度為亞納米級(jí)；通過(guò)使用ANSYS軟件模態(tài)分析，得到的共振頻率高達(dá)261 Hz，具有良好的動(dòng)態(tài)特性。