精密电子组装设备动力学建模和力/位置控制问题研究

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运动/力协同控制技术是制约我国精密电子组装生产的技术难题之一,它涉及基于视觉的高速运动、精确定位与恰当力的优化控制等核心科学问题。随着日益增长的电子元器件组装需求,开展运动/力控制方面的前沿探索研究工作具有重大的理论意义和应用价值。   目前国外电子组装产品几乎全部采用视觉检测→运动/位置/力控制的半闭环控制处理方法(即对待组装元器件位置和角度偏差进行反馈控制,而对运动和力控制采取开环控制方式),未考虑为保证组装生产的可靠性,组装过程中元器件和PCB种类的不同需施加力控制也不同。本文就精密电子组装中最具代表性的表面组装设备以例,分析了其运动控制的关键问题。将表面组装设备的运动控制系统分解成轨迹跟踪控制和力控制两个子系统:轨迹跟踪控制主要以提高精度为目标;力控制系统主要以提供适当的贴装力为目标。本文的研究主要集中以下几个方面:   1.精密电子组装设备动力学模型的建立。首先以精密电子组装中一种典型的表面组装设备为例,根据其运动控制系统在组装过程中的运动特点,分别建立了表面组装设备各运动机构的动力学模型。将整个运动控制系统分成轨迹控制和力控制两个子系统,分别分析了两个控制系统的特性,为此后对表面组装设备的运动/力协同控制器设计奠定基础。   2.基于优化轨迹跟踪的鲁棒控制器设计。考虑到在组装过程中,表面组装设备的运动机构的速度跟踪性能会影响图像采集的精度,且与组装生产的可靠平稳性也有着密切的联系,因此讨论了三种优化的速度轨迹运动模式。并针对在优化轨迹运动模式下表面组装设备运动控制系统的不确定性和具有非线性干扰等特点,给出一种鲁棒控制律,实现组装过程中轨迹跟踪系统的跟踪精度。由于鲁棒控制器参数的选择存在下限,且过大的反馈系数也会导致高频振颤。因此在实际问题中也要考虑在合理的范围内选择最佳的参数组合。   3.实现鲁棒控制器参数的自适应调整。为了实现鲁棒控制器参数的自适应调整,设计了基于改进的模拟退火算法,并搜索到表面组装设备轨迹跟踪系统的鲁棒控制器参数的最优组合,使得运动机构的各轴分别在梯形,S形和直线+抛物线形三种速度轮廓运动模式下的跟踪性能均满足精度控制要求。   4.基于迭代学习方法的力/位置控制器设计。表面组装设备组装头的运动与组装力有着最直接的关系,因此组装头的力和位置控制必须两者兼顾。在分析了组装头的力控制模型的基础上,设计了基于一种开闭环PD型迭代学习控制律的力/位置协同策略,在提高轨迹跟踪精度的同时提供适当的贴装力,并讨论了该方法的收敛性。实现力和位置控制在学习之后能收敛于期望指标。   最后本文在总结现有研究成果的基础上,提出了一些值得思考和探索的问题,并对精密电子组装中运动/力协同控制技术的发展方向做了一些展望。
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