AOI检测设备的直线电机定位精度补偿研究

王瑞亭，徐兴光

(苏州凌云视界智能设备责任有限公司，江苏 苏州 215123)

0 引 言

随着手机屏幕分辨率越来越高，电路板上Pad点间距越来越小，对AOI屏幕点亮设备的探针压接装置定位精度要求越来越高。电机带动探针压接装置做直线运动，其定位精度直接影响到探针压接点亮成功率，因此需要高定位精度的电机驱动系统。传统的“滚珠丝杠+伺服电机”结构存在联轴器、丝杠、轴承、螺母等中间环节[1]，当电机启动、停车、加减速、正反转等运动时，会有反向间隙、弹性变形等误差，影响电机定位精度[2]。为了满足高定位精度要求，克服传统结构缺点，采用直线电机驱动系统。直线电机输出直线运动，直接驱动机械执行机构，消除了中间机械传动环节[3]，同时采用高精度光栅进行运动跟踪，大大提高了其定位精度[4]。

在AOI检测设备中，直线电机的定位精度是影响探针压接成功的关键。因此，需要对直线电机进行定位精度测量和补偿。使用激光干涉仪测量不同工况下的直线电机定位精度，然后找出电机的定位误差特征，对其进行分段补偿，提高电机的定位精度。

1 激光干涉仪直线测量原理

激光干涉仪具有测量精度高、环境适应能力强、性能稳定等特点，广泛应用在精密仪器测量和校正工作中[5]。使用雷尼绍公司XL80激光干涉仪(测量精度±0.5 ppm，分辨率1 nm，量程80 m)测量直线电机的定位误差，其测量原理如图1所示。激光器发出两道波长为0.633 μm的单一频率光束(f参、f分)，当光束到达干涉镜后，被分为两束光(反射光束f1，透射光束f2)，然后两束光被角反射镜反射回干涉镜，由于运动反射镜是移动的，透射光束f2经过反射后变成频率为f2+Δf的透射光束。两个光束汇合后产生干涉，得到测量光束f测，f测=f1-(f2+Δf)。f参和f测经过减法器、可逆计数器和计算机的换算得到直线电机定位精度[6]。

图1 激光干涉仪直线测量原理图

2 直线电机定位精度测量

直线电机在直线运动过程中，影响定位精度的因素很多[7]，主要有：

(1) 光栅尺和直线导轨的制造及安装误差[8]。

(2) 直线电机的边端效应，影响进给单元两端的力特性，进而影响定位精度[9]。

(3) 电机安装在机台上，由于没有隔振地基，受周围环境、其他设备加减速带来的振动，影响电机定位精度[10]。

图2为雷尼绍激光干涉仪对直线电机定位精度测量实验，直线电机型号为Ticbel TC002-01-L-3M，光栅尺栅距为20 μm。测试环境参数如下：空气温度25.3 ℃，空气压力1 009 mbar，相对湿度56%RH，材料温度23.7 ℃，环境系数0.316 μm，膨胀系数11.7 ppm/℃。

图2 直线电机定位精度测量实验

AOI检测设备应用在全自动无人车间中，对产品节拍要求很高，这就对直线电机的速度、加速度、定位精度提出了很高的要求。测试现场如图2所示，由于AOI检测设备属于精对位，运动行程为5 mm，为了能够全面客观的反应直线电机的定位精度，在5 mm行程范围内平均设置20个数据采集点，测试在不同速度、加速度和位置的条件下直线电机的定位精度，并对其进行分析。为了能够在系统稳定时刻采集数据，直线电机在每个数据采集点停留3 s。在不同工况下，直线电机定位精度测试数据如图3及表1所示。

图3 不同工况下直线电机的定位误差

从图3和表1中可以发现：①该直线电机的定位误差随着位移的增加而增加，增长速率基本一致，大体呈现一定的线性增长；②在不同工况下，直线电机的定位误差相差不大，定位精度具有良好的一致性，说明速度、加速度对其定位精度影响不大。

表1 不同工况下直线电机的定位误差

3 定位精度补偿

采用最小二乘法对图3各点定位精度的平均值进行线性、分段线性和三次样条拟合[2]，用来减少定位精度误差。通过拟合得到以下函数：

线性拟合函数公式：

y=-3.1x+1.82

(1)

分段线性拟合函数公式：

(2)

三次样条拟合函数公式：

y=0.06x3-0.63x2-1.34x+0.79

(3)

为了验证对比三种拟合函数补偿后的定位精度，在相同工况下(v=2 mm/s，a=5 mm/s2)，测量直线电机补偿后定位精度，如表2和图4所示。

采用三种不同的补偿方法对直线电机定位误差补偿，线性补偿后直线电机定位精度为1.8 μm，分段补偿后直线电机定位精度为1.5 μm，三次样条补偿后直线电机定位精度为1.4 μm，由于直线电机的定位误差线性比较好，补偿后三种补偿精度差别不是很大，定位精度都控制在2 μm以内，和补偿前比较，直线电机定位精度大大提高。从补偿方式来看，采用三次样条补偿后精度最高，达到1.4 μm。

表2 补偿后直线电机定位精度

图4 采用三种补偿方式补偿前后定位精度

4 结 论

利用雷尼绍激光干涉仪对AOI检测设备中的直线电机进行定位精度测量，并根据测量结果进行线性补偿、分段补偿、三次样条补偿，通过对比分析补偿前后测试结果，可以发现直线电机的速度、加速度对定位精度影响不大，直线电机的定位精度随着位移增加具有累加性。采用三次样条补偿后电机定位精度最优，可以极大地提高直线电机定位精度，从而达到理想状态。