大功率LED倒裝機(jī)運(yùn)動平臺橫梁的定位誤差實(shí)驗(yàn)分析

李雪麗, 張璐凡

(1.中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院， 河南 鄭州450007； 2.河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 河南 鄭州 450001)

伴隨著LED半導(dǎo)體工業(yè)朝著高亮度和大功率的方向發(fā)展，采用傳統(tǒng)引線正裝結(jié)構(gòu)封裝方式對大功率LED芯片進(jìn)行封裝越來越不能滿足要求[1-3]，而采用倒裝結(jié)構(gòu)封裝是一個發(fā)展方向。將倒裝結(jié)構(gòu)封裝用于大功率LED芯片封裝中可實(shí)現(xiàn)LED芯片的高效散熱、功率增強(qiáng)和使用壽命延長等[4-6]。然而，LED倒裝芯片封裝對封裝設(shè)備的定位精度、運(yùn)動速度和穩(wěn)定性等都提出了極高的要求，因此國內(nèi)外學(xué)者對大功率LED倒裝機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)開展了相關(guān)研究。大功率LED倒裝機(jī)在不同工況下進(jìn)行高速定位運(yùn)動時，橫梁響應(yīng)的快慢對整個芯片的精確定位和LED倒裝機(jī)的高效工作具有重要影響。

為進(jìn)一步提高大功率LED倒裝機(jī)的定位精度和改善整機(jī)性能，本文針對不同工況下大功率LED倒裝機(jī)XY運(yùn)動平臺在不同定位速度和定位位移要求下進(jìn)行定位運(yùn)動時橫梁右端產(chǎn)生的定位誤差規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，為誤差補(bǔ)償提供參考，從而進(jìn)一步提高大功率LED倒裝機(jī)XY運(yùn)動平臺的定位精度。

1 大功率LED倒裝機(jī)上的XY運(yùn)動平臺

大功率LED倒裝機(jī)是集機(jī)械、電氣和控制系統(tǒng)于一體的高速精密芯片封裝設(shè)備(見圖1)，它主要由XY運(yùn)動平臺、綁頭機(jī)構(gòu)、LED支架和晶圓盤等模塊組成。XY運(yùn)動平臺的三維模型如圖2所示，它主要由X軸、Y軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)組成，工作時主要負(fù)責(zé)把LED芯片從晶圓盤上幫送到LED支架上。橫梁作為大功率LED倒裝機(jī)XY運(yùn)動平臺的關(guān)鍵構(gòu)件，承載著綁頭機(jī)構(gòu)[6]，綁頭機(jī)構(gòu)在XY運(yùn)動平臺的驅(qū)動下對承載芯片的晶圓盤進(jìn)行精確定位并實(shí)現(xiàn)芯片的拾取和分揀等關(guān)鍵工序。

圖1 大功率LED倒裝機(jī)圖

圖2 XY運(yùn)動平臺三維模型

在實(shí)際工作中，大功率LED倒裝機(jī)XY運(yùn)動平臺需實(shí)現(xiàn)往復(fù)啟停的循環(huán)定位運(yùn)動過程，具體為：按照最大行程和高加速度規(guī)劃,在X軸伺服電機(jī)驅(qū)動下，綁頭機(jī)構(gòu)在橫梁上以一定的速度沿X軸正方向運(yùn)動到X軸預(yù)定位置，在滿足X軸定位精度的條件下，電機(jī)停止驅(qū)動；然后在Y軸伺服電機(jī)驅(qū)動下，橫梁承載著綁頭機(jī)構(gòu)和X軸絲杠等以一定的速度沿Y軸正方向運(yùn)動到Y(jié)軸預(yù)定位置，在滿足Y軸定位精度的條件下，電機(jī)停止驅(qū)動；完成正向定位之后，系統(tǒng)分別沿X軸和Y軸以同樣的速度向相反方向進(jìn)行定位，如此循環(huán)往復(fù)運(yùn)動。

2 實(shí)驗(yàn)平臺搭建和實(shí)驗(yàn)設(shè)計

在實(shí)際工作中，綁頭機(jī)構(gòu)可能處在橫梁的不同位置，本文將綁頭機(jī)構(gòu)分別處在橫梁左端、中間、右端時視為3種不同工況。由于XY運(yùn)動平臺為龍門架結(jié)構(gòu)，其Y軸方向左側(cè)導(dǎo)軌采用電機(jī)和絲杠驅(qū)動，右側(cè)導(dǎo)軌為滑動，故當(dāng)橫梁承載著綁頭機(jī)構(gòu)在上述3種不同工況下，隨XY運(yùn)動平臺在Y軸方向進(jìn)行不同速度不同位移的快速定位時，橫梁右端將不可避免地產(chǎn)生相應(yīng)的定位誤差，最終將影響大功率LED倒裝機(jī)運(yùn)動平臺的定位精度。

為探究大功率LED倒裝機(jī)XY運(yùn)動平臺沿Y軸方向進(jìn)行定位運(yùn)動時橫梁右端產(chǎn)生的定位誤差變化規(guī)律，本文根據(jù)上述大功率LED倒裝機(jī)XY運(yùn)動平臺的實(shí)際情況，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺。在綁頭機(jī)構(gòu)分別處在橫梁左端、中間和右端3種不同工況下，針對XY運(yùn)動平臺沿Y軸進(jìn)行不同速度相同位移或相同速度不同位移的快速定位時橫梁右端產(chǎn)生的定位誤差的變化規(guī)律展開實(shí)驗(yàn)探究，以便掌握不同工況下橫梁右端產(chǎn)生的定位誤差變化規(guī)律。

圖3為基于大功率LED倒裝機(jī)搭建的振動位移測量實(shí)驗(yàn)平臺示意圖。實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法為：在綁頭機(jī)構(gòu)分別處在橫梁的左端、中間和右端3種不同工況時，運(yùn)動平臺沿Y軸方向分別以0.2 m/s、0.4 m/s、0. 6 m/s， 0.8 m/s和1.0 m/s的速度運(yùn)行，在每種速度下沿Y軸方向均運(yùn)行±50 mm、±100 mm、±150 mm、±200 mm、±250 mm的位移?；谝陨弦?，橫梁隨XY運(yùn)動平臺進(jìn)行定位運(yùn)動，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定位置突然停止時，利用多普勒激光測振儀HSV2000測量倒裝機(jī)橫梁右端的加速度，利用示波器分析出加速度與時間的關(guān)系曲線，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機(jī)，通過Matlab軟件計算出位移與時間的關(guān)系，最后得出橫梁右端在不同速度不同位移下的最大振動位移，即橫梁右端產(chǎn)生的定位誤差。當(dāng)綁頭機(jī)構(gòu)分別處在橫梁左、中、右不同位置，橫梁隨XY運(yùn)動平臺以不同速度到達(dá)不同預(yù)定位置停止時，對橫梁右端的測量點(diǎn)進(jìn)行測量，且3種情況的橫梁右端測量點(diǎn)為同一位置，測量點(diǎn)示意圖如圖4所示。

圖3 測振實(shí)驗(yàn)平臺示意圖

圖4 測量點(diǎn)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法對綁頭機(jī)構(gòu)分別處在橫梁左端、中間和右端3種工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)深入分析得出以下規(guī)律：

(1) 當(dāng)綁頭機(jī)構(gòu)分別處在橫梁左端、中間和右端3種工況時，在每種工況下橫梁隨XY運(yùn)動平臺分別以0.2 m/s、0.4 m/s、0.6 m/s、0.8 m/s和1.0 m/s的速度沿Y方向分別進(jìn)行±50 mm、±100 mm、±150 mm、±200 mm、±250 mm位移的定位運(yùn)動，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定位置停止時橫梁右端產(chǎn)生的定位誤差規(guī)律如圖5所示。

(a) 綁頭機(jī)構(gòu)在橫梁左端

(b) 綁頭機(jī)構(gòu)在橫梁中間

(c) 綁頭機(jī)構(gòu)在橫梁右端圖5 綁頭在橫梁左、中、右端時不同速度不同位移下橫梁右端產(chǎn)生的定位誤差

由圖5可知，綁頭機(jī)構(gòu)分別處在橫梁左端、中間和右端3種工況時，隨著定位位移的增大，不同速度下橫梁右端產(chǎn)生的定位誤差變化趨勢基本相似；當(dāng)綁頭機(jī)構(gòu)處在橫梁左端或右端時，其產(chǎn)生的最大定位誤差均為0.06 mm左右，當(dāng)綁頭機(jī)構(gòu)處在橫梁中間時，其產(chǎn)生的最大定位誤差為0.1 mm左右。

(2) 當(dāng)綁頭機(jī)構(gòu)分別處在橫梁左端、中間和右端3種不同工況，每種工況下橫梁隨XY運(yùn)動平臺均以1.0 m/s的速度沿Y方向分別運(yùn)動±50 mm、±100 mm、±150 mm、±200 mm、±250 mm的位移時，每種工況下橫梁右端產(chǎn)生的定位誤差如圖6所示。

圖6 綁頭在橫梁左、中、右不同位置時相同速度不同位移下橫梁右端產(chǎn)生的定位誤差

由圖6容易看出，當(dāng)綁頭機(jī)構(gòu)處在橫梁左、中、右不同位置，橫梁隨XY運(yùn)動平臺以1.0 m/s的速度沿Y軸方向進(jìn)行不同位移的定位運(yùn)動時，橫梁右端產(chǎn)生的定位誤差變化趨勢基本相似，在-250 ～250 mm位移范圍內(nèi)，綁頭機(jī)構(gòu)處在橫梁中間位置時橫梁右端產(chǎn)生的最大定位誤差大于綁頭機(jī)構(gòu)分別處在橫梁左、右兩端時橫梁右端產(chǎn)生的最大定位誤差。

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)探究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)綁頭機(jī)構(gòu)處在橫梁左、中、右不同位置，橫梁隨XY運(yùn)動平臺分別以0.2 m/s、0.4 m/s、0.6 m/s、0.8 m/s和1.0 m/s的速度沿Y軸方向分別進(jìn)行±50 mm、±100 mm、±150 mm、±200 mm、±250 mm位移的定位運(yùn)動時，隨著定位位移的增大，不同速度下橫梁右端產(chǎn)生的定位誤差變化趨勢基本相似，位移大時產(chǎn)生的誤差稍微高于位移小時產(chǎn)生的誤差，綁頭機(jī)構(gòu)處在橫梁中間位置時橫梁右端產(chǎn)生的最大誤差比綁頭機(jī)構(gòu)處在橫梁左、右兩端時大，這是由于綁頭機(jī)構(gòu)處在橫梁中間位置時橫梁產(chǎn)生了最大的動撓度。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果對橫梁右端定位誤差規(guī)律的掌握及補(bǔ)償具有重要參考意義，對進(jìn)一步提高大功率LED倒裝機(jī)運(yùn)動平臺的定位精度提供一定的理論支持。