用于角位移補償的新型XYθ微動定位平臺

邱 遷，關均銘，郭曉暉，湯 暉

(廣東工業大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006)

0 引言

目前精密制造及裝配等操作精細程度越來越高，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動平臺[1-2]。晶圓級芯片封裝是一種經過提高和改進的芯片尺寸封裝，為保證芯片封裝的正確性，必須做好高精度定位檢測工作，高效準確的檢測設備是晶圓級封裝高質量的必要保證[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。

本文結合柔性納米定位機構及平面三自由度的定位需求創新性地設計了一種帶角位移誤差補償的微定位平臺，有效地提高了傳統晶圓檢測平臺系統的性能。

1 3-RRR微動平臺結構設計

1.1 柔性鉸鏈

柔順機構能夠傳遞或轉換運動、力或能量，它不僅由運動副傳遞運動，還至少從其柔性部件的變形中獲得一部分運動。一級杠桿放大機構的放大原理和結構比較簡單，使用的柔性鉸鏈比較少，因而具有較高的傳遞效率，目前應用比較廣泛。實際中，理想狀態的剛性結構其實會發生輕微彎曲，如圖1所示。

圖1 杠桿位移放大器的受力分析圖

在柔性鉸鏈機構產生運動時，各柔性鉸鏈不僅發生了轉角變形，同時也會有拉伸和壓縮變形產生，從而使柔性鉸鏈的回轉中心產生偏移，影響機構的放大率。設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的距離為l1，柔性鉸鏈總長為l，Xin為輸入端位移，Xout為輸出端位移。

根據受力平衡關系有：

F1+F2=0.

(1)

M-F1l1=0.

(2)

柔性鉸鏈的變形量和受力關系為：

M=KM×θ.

(3)

F2=KF×Δy.

(4)

由變形幾何關系，得：

Xout=l×θ-Xin.

(5)

故放大倍率A：

(6)

1.2 3-RRR 微動平臺補償器

基于以上杠桿位移放大器結構的理論分析，本文創新性地設計了一個三方向對稱式一級杠桿放大機構組成的3-RRR微納運動平臺。將杠桿位移放大器巧妙地設計成L型，不僅增大了放大倍數，還節省了空間，使得整個微納補償裝置結構簡單緊湊,其平面結構如圖2所示。

2 有限元分析

使用ANSYS軟件，通過模態分析驗證其動態性能，選用 Al7075-T6 作為微納位移補償裝置的材料。圖3為仿真得到的該3-RRR機構的前6階模態,其中顏色越深代表輸出位移越大，反之越小。第1階模態頻率為261 Hz表明了該機構具有較大的固有頻率，證實了該微納定位平臺擁有較高的帶寬及精密定位性能。

3 實驗系統搭建與測試

本實驗中的3-RRR微納位移補償裝置是由一整塊型號為Al7075-T651的航空鋁通過電火花線切割方式加工而成，如圖4所示。驅動器使用推疊式壓電陶瓷(型號為P887.91；行程為32 μm±10%，最大值為38 μm±10%；阻滯力為1 850 N)驅動3-RRR微納位移補償裝置，選用控制卡(型號為GTS-800-PV-PCI-G，8通道)來控制運動，使用光纖位移傳感器檢測位置誤差。做微動部分測試時，為了減少外界振動干擾，將3-RRR微納位移補償裝置等關鍵設備放置于高性能阻尼隔振平臺上。

圖2 3-RRR微動平臺平面圖

圖3 3-RRR機構的前6階模態

通過ANSYS仿真可知，柔性3-RRR機構并不能實現XY方向的平動，為了能夠達到機構平動的目的，我們在這里設置θ′為θ軸的標定零點，即在機構運動初始就設置(θ=θ′，X=0，Y=0)為運動相對零點，并做了以下開環的運動控制實驗。

(1)X單自由度運動模式，即X軸參考信號為幅值為20 μm的Sine波，Y軸與θ軸參考信號保持為零。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單自由度運動軌跡如圖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單自由度運動模式如圖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。

通過以上實驗結果可以看出：①前期建立的運動學模型精準，機構的性能滿足設計要求；②3-RRR并聯機構的多軸位移耦合特性對運動定位精度有一定的影響。

圖4 3-RRR微動平臺實物圖

圖5X單自由度運動軌跡圖6Y單自由度運動軌跡圖7θ單自由度運動軌跡

4 總結

基于柔性鉸鏈設計了一種新型帶角位移的平面三自由度納米位移補償器，它具有體積小、重量輕、利于集成、減小運動負載慣量等優點。通過簡單開環測試，其工作行程放大約2倍，定位精度為亞納米級；通過使用ANSYS軟件模態分析，得到的共振頻率高達261 Hz，具有良好的動態特性。