固晶机摆臂的动力学建模与运动控制系统设计

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LED固晶机是LED生产过程中封装环节的关键设备之一,正朝着高速高精度的方向发展。随着固晶机生产节拍的加快,固晶机摆臂末端的振动问题也愈发严重,这对摆臂末端的定位精度产生了严重影响。因而,深入研究固晶机摆臂的动力学模型和驱动系统的性能十分必要,以进一步开发摆臂的优化控制算法,减小或抑制摆臂高速运动时的末端振动。针对固晶机摆臂运动的末端振动问题,本文开展了摆臂动力学建模、摆臂系统机电联合仿真以及摆臂运动控制系统设计的研究,具有重要的应用价值。本文主要完成了以下工作:(1)建立了摆臂的动力学模型。根据固晶机摆臂的结构,采用牛顿欧-拉法对摆臂进行动力学建模,借助Sym Pybotics工具包求解摆臂的关节力矩表达式,并使用matlab机器人工具箱验证所得力矩表达式的正确性。(2)建立了摆臂机械系统的多刚体模型和刚柔耦合模型。首先根据固晶机摆臂的工程图和装配图,利用Solidworks三维造型软件建立摆臂机构的三维模型,然后再将该三维模型导入ADAMS中,按实际的结构添加约束后,得到摆臂多刚体动力学模型。为考虑摆臂的柔性,利用ANSYS软件把摆臂柔性化后,再采用三点定位法替换原来的刚性摆臂,得到摆臂刚柔耦合动力学模型。(3)开展了摆臂运动控制系统的机电联合仿真。建立摆臂伺服驱动系统数学模型,并在simulink环境下,结合从ADAMS导出的摆臂控制框图,组成多刚体和刚柔耦合机电联合仿真模型;分别利用T型和S型速度曲线,设计了联合仿真模型的输入曲线并进行仿真,比较这两种输入曲线对摆臂末端振动的影响;将摆臂关节力矩表达式作为摆臂系统机电联合仿真平台的前馈输入并进行仿真,探究力矩前馈对摆臂末端振动的影响。(4)设计了摆臂运动控制系统。根据摆臂运动控制系统的性能指标要求,利用机电联合仿真得到的控制参数,分别从关键硬件选型和上位机软件设计两个方面设计出摆臂运动控制系统,并将其应用到工程样机上。通过对摆臂系统的建模仿真,导出固晶机摆臂系统的运动学和动力学参数,并给出基于力矩前馈的摆臂运动控制系统控制算法,最终固晶机的产量超过1万件每小时,XY定位精度达到±50μm。
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