本申请提供一种压电撞击式微喷阀高精度控制方法,考虑压电陶瓷迟滞效应,分别建立与第一微喷阀和第二微喷阀撞针对应的第一动力学模型和第二动力学模型,根据第一动力学模型和第二动力学模型,分别获取在相同下降行程和实际工作频率下第一微喷阀和第二微喷阀撞针的运动速度模拟曲线,以第二微喷阀撞针的运动速度模拟曲线与第一微喷阀撞针的运动速度模拟曲线的误差最小为目标,采用最小二乘法对第二微喷阀的加载电压频率进行优化,获取第二微喷阀的最优加载电压频率,使得第一微喷阀撞针的运动速度模拟曲线与第二微喷阀撞针的运动速度模拟曲线具有较高的一致性,最终实现了不同压电撞击式微喷阀高精度点胶以及点胶质量的高一致性。

　　S2,预设撞针实际下降行程和实际工作频率,所述实际工作频率为实际加载电压频率,

　　S3,分别构建所述第一微喷阀和所述第二微喷阀撞针的非线性迟滞动力学模型,得到第一动力学模型和第二动力学模型,所述第一动力学模型对应所述第一微喷阀,所述第二动力学模型对应所述第二微喷阀,

　　S4,在所述实际下降行程和所述实际工作频率下,分别用所述第一动力学模型和所述第二动力学模型获取第一微喷阀撞针的运动速度模拟曲线和第二微喷阀撞针的运动速度模拟曲线,以所述第一微喷阀撞针的运动速度模拟曲线为撞针标准运动速度模拟曲线,以第二微喷阀撞针的运动速度模拟曲线与所述撞针标准运动速度模拟曲线的误差最小为目标,采用最小二乘法获取第二微喷阀的最优加载电压频率。

　　2.根据权利要求1所述的一种压电撞击式微喷阀高精度控制方法,其特征在于,构建所述第一动力学模型和所述第二动力学模型,包括以下步骤,

　　S301,根据所述第一微喷阀和所述第二微喷阀的构件结构,构建压电撞击式微喷阀的动力学结构模型,

　　S302,根据所述动力学结构模型,构建撞针的非线性迟滞动力学模型,所述动力学模型用于获取撞针的模拟运动速度,

　　S303,识别所述动力学模型中的待辨识参数,组成参数向量,所述参数向量包括模型系数y、模型系数p、模型系数q以及阻尼系数μ,

　　S304,以撞针的实测运动速度与模拟运动速度误差之和最小为目标,构建评价函数,

　　S305,预设测试加载电压频率,所述测试加载电压频率包括第一加载电压频率、第二加载电压频率、第三加载电压频率、第四加载电压频率、第五加载电压频率,

　　S306,在实际下降行程和所述第一加载电压频率下,获取第一微喷阀撞针的实测运动数据,得到第一实测运动数据,所述实测运动数据包括实测运动速度和对应的运动时间,

　　S307,采用粒子群算法以评价函数为目标函数进行迭代计算,获得第一微喷阀在所述第一加载电压频率下所述动力学模型的最优参数向量,设为第一参数向量,

　　S308,参考步骤S306~S307,在所述实际下降行程条件下,分别获取第一微喷阀在所述第二加载电压频率、所述第三加载电压频率、所述第四加载电压频率、所述第五加载电压频率下所述动力学模型的最优参数向量,分别为第二参数向量、第三参数向量、第四参数向量、第五参数向量,

　　S309,在所述第一参数向量、所述第二参数向量、所述第三参数向量、所述第四参数向量、所述第五参数向量中,分别取模型系数y的值,建立模型系数y与加载电压频率之间的关系式,得到第一多项式,

　　S310,参考步骤S309,分别建立模型系数p、模型系数q、阻尼系数μ与加载电压频率之间的关系式,得到第二多项式、第三多项式、第四多项式,所述第二多项式为模型系数p与加载电压频率之间的关系式,所述第三多项式为模型系数q与加载电压频率之间的关系式,所述第四多项式为阻尼系数μ与加载电压频率之间的关系式,

　　S311,将所述第一多项式、所述第二多项式、所述第三多项式、所述第四多项式代入所

　　述动力学模型,得到第一微喷阀撞针的非线性迟滞动力学模型,设为第一动力学模型,

　　S312,参考步骤S306~S311,得到第二微喷阀撞针的非线性迟滞动力学模型,设为第二动力学模型。

　　3.根据权利要求2所述的一种压电撞击式微喷阀高精度控制方法,其特征在于,所述评价函数为,

　　式中,δ为撞针的实测运动速度与模拟运动速度的误差,θ为由待辨识参数组成的参数向量,y、p、q、μ,,N表示撞针实测运动数据釆样点的数量,v2表示撞针的实测运动速度,v21表示撞针的模拟运动速度,Ti表示第i个采样点对应的运动时间,1≤i≤N,且为自然数。

　　4.根据权利要求1所述的一种压电撞击式微喷阀高精度控制方法,其特征在于,采用最小二乘法获取第二微喷阀的最优加载电压频率,包括以下步骤,

　　S503,在所述实际下降行程下,将所述优化加载电压频率代入所述第二动力学模型,得到优化模拟曲线,设定最小二乘法终止条件,计算优化模拟曲线与所述撞针标准运动速度模拟曲线的误差,得到第三误差,

　　S506,比较所述第三误差和所述第四误差,保留二者中的最小值及对应的优化加载电压频率,所述最小值作为第三误差继续参与下一次比较,

　　S507,重复执行步骤S505~S506,直至达到所述终止条件时停止计算,然后输出最小值对应的优化加载电压频率,得到最优加载电压频率。

　　5.根据权利要求1所述的一种压电撞击式微喷阀高精度控制方法,其特征在于,根据所述撞针标准运动速度模拟曲线,获得撞针的最佳下降行程,包括以下步骤,

　　S6,获取撞针标准运动速度模拟曲线上最大运动速度对应的运动时间Tv‑max,

　　S7,对0~Tv‑max时间段内撞针的模拟运动速度进行积分,获得撞针的最佳下降行程。

　　6.根据权利要求3所述的一种压电撞击式微喷阀高精度控制方法,其特征在于,采用粒子群算法以评价函数为目标函数进行迭代计算,获得第一微喷阀在所述第一加载电压频率下所述动力学模型的最优参数向量,包括以下步骤,

　　S3071,设定初始条件,所述初始条件包括粒子群规模、迭代次数、粒子最大移动速度、y 的取值范围、p的取值范围、q的取值范围、μ的取值范围,

　　S3072,分别在y的取值范围、p的取值范围、q的取值范围、μ的取值范围内随机获取y值、p值、q值、μ值,组成一组随机参数向量,

　　S3073,将随机参数向量代入所述动力学模型,得到第一微喷阀在所述第一加载电压频率下的随机动力学模型,

　　S3074,根据所述随机动力学模型,在所述实际下降行程和所述第一加载电压频率下,获得撞针的运动速度随机模拟曲线 A

　　S 3075,在所述撞针的运动速度随机模拟曲线上获取运动时间Ti对应的模拟运动速度,1≤i≤N,且为自然数,得到第一模拟运动数据,

　　S3076,将所述第一实测运动数据和所述第一模拟运动数据输入所述评价函数,计算误差δ,得到第一误差,

　　S3078,比较所述第一误差和所述第二误差,保留二者中的最小值及对应的随机参数向量,所述最小值作为第一误差继续参与下一次比较,

　　S3079,重复执行步骤S3077~S3078,直至达到迭代次数,然后输出最小值对应的随机参数向量,得到第一参数向量,所述第一参数向量为第一微喷阀在所述实际下降行程和所述第一加载电压频率下所述动力学模型的最优参数向量。

　　7.根据权利要求2所述的一种压电撞击式微喷阀高精度控制方法,其特征在于,所述第一多项式、所述第二多项式、所述第三多项式、所述第四多项式均为4次多项式。

　　[0001] 本发明涉及集成电路点胶技术领域,特别涉及一种压电撞击式微喷阀高精度控制方法。

　　[0002] 点胶技术是大规模集成电路生产中的关键技术之一,它将胶液精确分配到指定位置,从而实现包括芯片在内的电子元件固定、包封、焊接等功能。随着这些领域技术的发展,迫切要求点胶分配技术向更快速、更微量、更精确且实用性更强的方向发展,特别是对于高粘度胶液分配成为重点研究方向。其中压电撞击式喷射技术因其控制方便、喷射频率高且可用于高粘度胶液喷射等优点而受到广泛的关注。通常压电撞击式微喷阀基本都是通过撞针撞击来实现胶液的喷射分配,其中撞针的撞击速度、撞击行程等动力学特性参数对喷射效果的影响起着主要作用。而撞针的动力学特性直接由控制状态下压电陶瓷的动态特性所决定。目前,为了保证撞针足够大的速度,压电撞击式微喷阀是在压电控制器控制输出的梯形电场作用下高频往复运动,对应的加载电压的驱动波形为梯形波,如图1所示,其中加载电压时间t1、卸载电压时间t3极短,以保证撞针运动速度快且作用力大。压电控制器可以对加载电压时间t1、保持电压时间t2、卸载电压时间t3以及开阀等待时间t4四个时间段进行设置,以控制不同的压电撞击式微喷阀的工作状态,从而使压电陶瓷驱动撞针实现撞针下降、闭阀停顿、撞针上升以及开阀停顿四个不同动作。

　　[0003] 一方面,因压电撞击式微喷阀各零部件存在制造精度误差、装配精度误差等不确定性因素。另一方面,电撞击式微喷阀驱动元件‑压电陶瓷本身制作差异也存在不一致性,且压电陶瓷内在的迟滞、蠕变非线性和结构振动特性严重影响了压电陶瓷的动力学特性。因此不同的压电撞击式微喷阀的运动特性也是不同的,如图2所示为利用激光测振仪对一批同一型号压电撞击式微喷阀在相同控制条件下的撞针运动速度测试结果,可以看出,即使同一个型号压电撞击式微喷阀,在相同的加载电压驱动波下,不同的压电撞击式微喷阀撞针的整个运动速度曲线之间存在明显差异性,撞针运动速度最大值差异达到10%以上,说明了即使同一型号不同的压电撞击式微喷阀之间也存在制造精度和内在特性差异。因此不同的压电撞击式微喷阀在简单采用梯形波控制下,要想高精度控制压电陶瓷驱动撞针进行高度一致的点胶分配是非常困难的,比如同时对某一个大规模集成电路进行多点点胶,需要相同的喷胶量,但不同微喷阀由于制造精度和自身特性的差异,导致喷胶量及撞击力一致性较低,造成集成电路产品质量差异和不稳定。

　　[0004] 综上,对于压电撞击式微喷阀,研究如何提高不同压电撞击式微喷阀撞针运动速度的一致性,实现点胶质量高度一致是非常有必要的。

　　[0005] 鉴于以上问题,本申请旨在提供一种压电撞击式微喷阀高精度控制方法,考虑压电陶瓷迟滞效应,建立压电撞击式微喷阀撞针的动力学模型,然后通过采用最小二乘法对

　　不同微喷阀的加载电压频率进行优化,使得不同压电撞击式微喷阀获得高度一致的撞针运动速度,实现高精度高一致性点胶。

　　[0006] 本申请提供一种压电撞击式微喷阀高精度控制方法,包括以下步骤,

　　S2,预设撞针实际下降行程和实际工作频率,所述实际工作频率为实际加载电压频率,

　　S3,分别构建所述第一微喷阀和所述第二微喷阀撞针的非线性迟滞动力学模型,得到第一动力学模型和第二动力学模型,所述第一动力学模型对应所述第一微喷阀,所述第二动力学模型对应所述第二微喷阀,

　　S4,在所述实际下降行程和所述实际工作频率下,分别用所述第一动力学模型和所述第二动力学模型获取第一微喷阀撞针的运动速度模拟曲线和第二微喷阀撞针的运动速度模拟曲线,以所述第一微喷阀撞针的运动速度模拟曲线为撞针标准运动速度模拟曲线,以第二微喷阀撞针的运动速度模拟曲线与所述撞针标准运动速度模拟曲线的误差最小为目标,采用最小二乘法获取第二微喷阀的最优加载电压频率。

　　[0007] 根据本申请实施例提供的技术方案,构建所述第一动力学模型和所述第二动力学模型,包括以下步骤,

　　S301 ,根据所述第一微喷阀和所述第二微喷阀的构件结构,构建压电撞击式微喷阀的动力学结构模型,

　　S302,根据所述动力学结构模型,构建撞针的非线性迟滞动力学模型,所述动力学模型用于获取撞针的模拟运动速度,

　　S303,识别所述动力学模型中的待辨识参数,组成参数向量,所述参数向量包括模型系数y、模型系数p、模型系数q以及阻尼系数μ,

　　S304,以撞针的实测运动速度与模拟运动速度误差之和最小为目标,构建评价函数,

　　S305,预设测试加载电压频率,所述测试加载电压频率包括第一加载电压频率、第二加载电压频率、第三加载电压频率、第四加载电压频率、第五加载电压频率,

　　S306,在实际下降行程和所述第一加载电压频率下,获取第一微喷阀撞针的实测运动数据,得到第一实测运动数据,所述实测运动数据包括实测运动速度和对应的运动时间,

　　S307,采用粒子群算法以评价函数为目标函数进行迭代计算,获得第一微喷阀在所述第一加载电压频率下所述动力学模型的最优参数向量,设为第一参数向量,

　　S308,参考步骤S306~S307,在所述实际下降行程条件下,分别获取第一微喷阀在所述第二加载电压频率、所述第三加载电压频率、所述第四加载电压频率、所述第五加载电压频率下所述动力学模型的最优参数向量,分别为第二参数向量、第三参数向量、第四参数向量、第五参数向量,

　　S309,在所述第一参数向量、所述第二参数向量、所述第三参数向量、所述第四参数向量、所述第五参数向量中,分别取模型系数y的值,建立模型系数y与加载电压频率之间的关系式,得到第一多项式,

　　S310,参考步骤S309,分别建立模型系数p、模型系数q、阻尼系数μ与加载电压频率之间的关系式,得到第二多项式、第三多项式、第四多项式,所述第二多项式为模型系数p与加载电压频率之间的关系式,所述第三多项式为模型系数q与加载电压频率之间的关系式,所述第四多项式为阻尼系数μ与加载电压频率之间的关系式,

　　S311 ,将所述第一多项式、所述第二多项式、所述第三多项式、所述第四多项式代入所述动力学模型,得到第一微喷阀撞针的非线性迟滞动力学模型,设为第一动力学模型,

　　S312,参考步骤S306~S311 ,得到第二微喷阀撞针的非线性迟滞动力学模型,设为第二动力学模型。

　　式中,δ为撞针的实测运动速度与模拟运动速度的误差,θ为由待辨识参数组成的参数向量,y、p、q、μ, ,N表示撞针实测运动数据釆样点的数量,v2表示撞针的实测运动速度,v 21表示撞针的模拟运动速度,Ti表示第i个采样点对应的运动时间,1≤i≤N,且为自然数。

　　[0009] 根据本申请实施例提供的技术方案,采用最小二乘法获取第二微喷阀的最优加载电压频率,包括以下步骤,

　　S503,在所述实际下降行程下,将所述优化加载电压频率代入所述第二动力学模型,得到优化模拟曲线,设定最小二乘法终止条件,计算优化模拟曲线与所述撞针标准运动速度模拟曲线的误差,得到第三误差,

　　S506,比较所述第三误差和所述第四误差,保留二者中的最小值及对应的优化加载电压频率,所述最小值作为第三误差继续参与下一次比较,

　　S507,重复执行步骤S505~S506,直至达到所述终止条件时停止计算,然后输出最小值对应的优化加载电压频率,得到最优加载电压频率。

　　[0010] 根据本申请实施例提供的技术方案,根据所述撞针标准运动速度模拟曲线,获得撞针的最佳下降行程,包括以下步骤,

　　S6,获取撞针标准运动速度模拟曲线上最大运动速度对应的运动时间Tv‑max,

　　S7,对0~Tv‑max时间段内撞针的模拟运动速度进行积分,获得撞针的最佳下降行程。

　　[001 1] 根据本申请实施例提供的技术方案,采用粒子群算法以评价函数为目标函数进行迭代计算,获得第一微喷阀在所述第一加载电压频率下所述动力学模型的最优参数向量,包括以下步骤,

　　S3071 ,设定初始条件,所述初始条件包括粒子群规模、迭代次数、粒子最大移动速度、y的取值范围、p的取值范围、q的取值范围、μ的取值范围,

　　S3072,分别在y的取值范围、p的取值范围、q的取值范围、μ的取值范围内随机获取y值、p值、q值、μ值,组成一组随机参数向量,

　　S3073,将随机参数向量代入所述动力学模型,得到第一微喷阀在所述第一加载电

　　S3074,根据所述随机动力学模型,在所述实际下降行程和所述第一加载电压频率下,获得撞针的运动速度随机模拟曲线,在所述撞针的运动速度随机模拟曲线上获取运动时间Ti对应的模拟运动速度,1≤i≤N,且为自然数,得到第一模拟运动数据,

　　S3076,将所述第一实测运动数据和所述第一模拟运动数据输入所述评价函数,计算误差δ,得到第一误差,

　　S3078,比较所述第一误差和所述第二误差,保留二者中的最小值及对应的随机参数向量,所述最小值作为第一误差继续参与下一次比较,

　　S3079,重复执行步骤S3077~S3078,直至达到迭代次数,然后输出最小值对应的随机参数向量,得到第一参数向量,所述第一参数向量为第一微喷阀在所述实际下降行程和所述第一加载电压频率下所述动力学模型的最优参数向量。

　　[0012] 根据本申请实施例提供的技术方案,所述第一多项式、所述第二多项式、所述第三多项式、所述第四多项式均为4次多项式。

　　[0013] 综上,本申请公开有一种压电撞击式微喷阀高精度控制方法,基于上述方案产生的有益效果是,考虑压电陶瓷迟滞效应,建立第一微喷阀和第二微喷阀撞针的非线性迟滞动力学模型,所述第一微喷阀对应所述第一动力学模型,所述第二微喷阀对应所述第二动力学模型,根据所述第一动力学模型,获取在实际下降行程和实际工作频率下第一微喷阀撞针的运动速度模拟曲线,设为撞针标准运动速度模拟曲线,根据所述第二动力学模型,获取在实际下降行程和实际工作频率下第二微喷阀撞针的运动速度模拟曲线,由于压电陶瓷迟滞效应,在相同的实际工作频率和实际下降行程内,第一微喷阀和第二微喷阀撞针的运动速度模拟曲线存在不一致性,导致了点胶质量不一致,故以第一微喷阀撞针的运动速度模拟曲线为撞针标准运动速度模拟曲线,以第二微喷阀撞针的运动速度模拟曲线与所述撞针标准运动速度模拟曲线的误差最小为目标,采用最小二乘法对第二微喷阀的实际工作频率进行优化,获取第二微喷阀的最优加载电压频率,使得在相同的实际下降行程内,第一微喷阀在实际工作频率,第二微喷阀在最优加载电压频率下,第一微喷阀撞针的运动速度模拟曲线与第二微喷阀撞针的运动速度模拟曲线具有较高的一致性,最终实现了不同压电撞击式微喷阀高精度点胶以及点胶质量的高一致性。

　　[0014] 本申请某一优化方案,对于高粘度胶液,获取所述撞针标准运动速度模拟曲线上最大运动速度对应的运动时间Tv‑max,并对0~Tv‑max时间段内撞针的模拟运动速度进行积分,获得撞针的最佳下降行程,使得撞针在最佳下降行程内运动速度逐渐增大,并达到最大运动速度,从而使撞针可以以最大的撞击力挤压高粘度胶液,保证了高粘度胶液喷射的稳定性和点胶质量的高一致性。

　　[0015] 通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述,本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

　　[0017] 图2为利用激光测振仪对同一型号不同压电撞击式微喷阀在相同加载电压频率下的撞针运动速度测试结果。

　　[0018] 图3为同一个压电撞击式微喷阀在不同加载电压频率下的撞针运动速度曲线为本申请压电撞击式微喷阀的动力学结构模型。

　　[0020] 图5为本申请压电撞击式微喷阀在0. 1ms、0. 15ms、0.2ms、0.25ms和0.3ms加载电压频率下撞针运动速度模拟曲线为本申请撞针标准运动速度模拟曲线与第二微喷阀加载电压频率优化前后撞针的运动速度模拟曲线。

　　[0022] 下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明,而非对该发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与发明相关的部分。下面参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

　　[0023] 压电陶瓷的迟滞特性是一种复杂的非线性特征,具体表现为在加载电压上升时的压电陶瓷加载电压‑位移的输出曲线和卸载电压下降时卸载电压‑位移的输出曲线并不是重合的。在压电撞击式微喷阀实际控制中,压电陶瓷的迟滞特性不只体现出多值性,还与加载电压输入值历史及输入频率密切相关。

　　[0024] 本申请考虑加载电压频率对压电陶瓷迟滞特性的影响,并基于动态迟滞模型‑Duhem模型,对压电陶瓷的动态迟滞特性进行表征,建立压电撞击式微喷阀精确的非线性迟滞动力学模型。

　　式中,x1为压电叠堆的迟滞输出位移,dx1/dt为x1对t的导数,t为加载电压的时间,α为权重系数,且α(0)V为加载电压,dV/dt为V对t的导数,f(V)为分段光滑、单调递增的奇函数,g(V)为分段连续的偶函数。

　　[0026] 其中,本申请加载电压频率指压电控制器控制输出电压从零到额定电压的时间,即图1中加载电压时间t1 ,反映加载电压从零达到额定电压的快慢。

　　[0028] 叠堆型压电陶瓷具有响应频率快、位移小、输出力量大、精度高等特点,常用于压电撞击式微喷阀,叠堆型压电陶瓷输出力为非线性力。因压电陶瓷的输出力受加载电压、加载电压频率、压电叠堆的迟滞输出位移和压电叠堆运动速度的影响,所以具有非线性迟滞特性的压电叠堆输出力的表达式为,

　　式中,F为压电叠堆输出力,f为加载电压频率,V为加载电压,x1为压电叠堆的迟滞

　　输出位移,t为加载电压的时间,其取值范围为0~f,v1为压电叠堆运动速度,y(f) 、p(f) 、q (f)均为模型系数,具体是与加载电压频率f相关的函数。

　　[0029] 压电撞击式微喷阀的基本结构主要是采用杠杆原理对压电叠堆的迟滞输出位移进行放大,使撞针在压电叠堆和大小弹簧的共同作用力下上下运动,以实现撞针高速度大位移输出。为了建立压电撞击式微喷阀精确的非线性迟滞动力学模型,根据压电撞击式微喷阀构件结构建立如图4所示的压电撞击式微喷阀的动力学结构模型。

　　[0030] 参考如图4所示的压电撞击式微喷阀的动力学结构模型,在加载电压过程中,根据牛顿第二定律可建立压电叠堆的运动方程为,

　　式中,Mpe为压电叠堆的等效质量,v1´为压电叠堆的运动加速度,Kp为压电叠堆自身的刚度,x1为压电叠堆的迟滞输出位移,F为压电叠堆输出力,F1为压电叠堆作用在杠杆上的力。