面向IC封装高速轻载机构机械结构优化设计关键技术研究

IC封装等高速精密设备要求高速执行机构的机械结构在满足一定刚度下尽量降低惯性。由于高速机构柔性多体动力学系统受动态约束、刚度和惯性非线性时变的特点，难于将结构优化方法直接应用于该类结构的优化设计中，本项目基于等效静态载荷方法研究将柔性多体动力学结构优化问题转化为系列等效离散结构优化问题。研究内容包括：1)研究机构刚度和惯性变化量和变化率与动力响应变化的关系，在保证精度下选择离散点的位置和数量，得到系列静态载荷等效结构方程，并研究其动态响应的等效性，满足高速轻载机构对动态性能的要求；2)根据相邻离散结构之间刚度和惯性载荷变化量，在ε迭代加速算法基础上研究系列离散方程的快速求解方法，满足柔性多体系统结构优化快速求解需要；3)针对高速机构中质量变化对动态响应的大幅度影响，考虑单元惯性载荷作用，研究高精度高效率的灵敏度分析方法。通过上述研究，为高速轻载机构的机械结构优化设计提供理论方法和软件工具。

微电子封装等高速精密设备要求高速执行机构的机械结构在满足一定刚度下尽量降低惯性，还要有最优的控制方式和创新的执行机构。. 在机械系统优化设计方面，基于等效静态载荷方法的优化方法是近来发展起来的柔性多体动力学优化设计的有效方法。针对高速机构的特点，对该优化方法做了一些改造。为了模拟运动关节影响，采用含有运动学自由度的准静态方法,对离散结构方程进行求解。为了考虑单元修改对惯性载荷的影响，将单元应变能与动能的比值作为单元修改的灵敏度。提出无量纲单元测度，能够综合反应该单元在所有离散点的重要性。所提方法应用于微电子封装摆杆式焊头摆臂的优化设计中，并将三种方法进行了比较，结果表明，含有运动学自由度的准静态分析能够反映机构运动副的影响，当速度非常高时，惯性比刚度对振动的影响更大。数值结果表明本文方法对高速机构的优化设计是有效的。. 在运动控制方面，提出了基于机械系统和控制系统联合仿真优化的运动速度规划，在给定的定位精度约束下缩短了运行时间。另外，对粘片的位力切换接触控制过程，基于赫兹接触理论，将最大接触力约束转化为超调量的约束，实现了位力切换的平滑控制。. 在创新机构方面，研究了宏微复合运动平台，设计了基于预应力薄膜频率可调的柔性铰链放大机构，作为微动平台（压电陶瓷驱动），避免了导轨的摩擦爬行现象。宏动平台为伺服电机驱动的滚珠丝杠导轨，反馈为伺服电机内置的编码盘。微动平台的反馈为装在基座上的光栅尺，获得的是宏动和微动叠加后的运动信息。提出了宏微复合运动控制方法，将定位精度提高一个数量级。针对目前的机构在取晶和固晶时运动部件质量过大，容易产生冲击，设置缓冲弹簧引起振动的矛盾，设计了用于固晶的微型音圈电机，通过低惯量设计和音圈电机超强的力控制性能，实现了高速固晶。. 项目的研究为微电子封装设备的开发提供了机械系统和控制系统的优化方法，并提出了微电子封装的共性技术高速精密定位平台和位力切换控制系统的解决方案。项目发表论文15篇，其中SCI收录2篇，EI收录6篇，申请发明专利3项，实用新型3件，获授权1项。申请软件著作权2件。达到了预期的研究目标。