1、收稿日期:2022 10 15第一作者:杨洁(1997)，女，汉族，云南昭通人，硕士研究生，控制科学与工程。E mail:jieyang0512163 com改进跟踪微分器在喷头墨点补偿中的应用杨洁1，朱建晓2，黄欣然1，王克1，包建东1*(1 南京理工大学 自动化学院，江苏 南京 210094;2 苏州康尼格电子科技股份有限公司，江苏 常熟 215562)摘要:3D 打印封装技术是电子封装保护领域的新型工艺，双向打印过程中喷头平移和墨滴喷射之间的相对运动使墨滴实际位置与期望位置产生偏差，影响封装效果。在喷头到达打印位置前一段时间(墨滴飞行时间 Tf)喷射可以消除偏差，因此准确获取墨点具体喷射
2、时间至关重要。提出一种改进跟踪微分器估计喷头速度，通过估计的速度值计算采样点到打印位置的移动时间进而得到各墨点喷射时刻，实现喷头墨点补偿。该方法基于位移信息可快速估计速度，有效滤除位置测量时带有的噪声，速度估计比较准确，无需基于对象模型，易于实现。仿真与实验验证该速度估计方法可较准确估计喷头速度值，响应速度较快，有效减小喷头双向打印过程中的墨点偏差，双向打印对准精度在 23 m 以内。关键词:改进跟踪微分器;速度估计;墨点补偿;3D 封装中图分类号:TP23文章编号:1000 0682(2023)02 0034 07文献标识码:ADOI:10 19950/j cnki cn61 1121/th
3、 2023 02 007Improved tracking differentiator application in printhead ink point compensationYANG Jie1，ZHU Jianxiao2，HUANG Xinran1，WANG Ke1，BAO Jiandong1*(1 School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Jiangsu Nanjing 210094，China;2 Suzhou Konig Electronic Technology
4、Co，Ltd，Jiangsu Changshu 215562，China)Abstract:3D printing packaging technology is a new technology in the field of electronic packagingand protection In the process of bidirectional printing，the relative movement between the nozzle transla-tion and the ink drop injection makes the actual position of
5、 the ink drop deviate from the desired position，which affects the packaging effect The deviation can be eliminated by spraying some time before the noz-zle reaches the printing position(the flight time of the ink drop Tf)，so it is very important to accuratelyobtain the specific injection time of the
6、 ink point An improved tracking differentiator is proposed to esti-mate the velocity of the nozzle，and the movement time from the sampling point to the printing position iscalculated by the estimated velocity value，and then the ejection time of each ink point is obtained to re-alize the compensation
7、 of the ink point of the nozzle This method can quickly estimate the velocity basedon the displacement information，effectively filter out the noise during position measurement，and the ve-locity estimation is relatively accurate It does not need to be based on the object model，and is easy toimplement
8、 Simulation and experimental results show that the speed estimation method can estimate thespeed of nozzle accurately，and the response speed is fast It can effectively reduce the ink point devia-tion in the process of bidirectional printing，and the alignment accuracy of bidirectional printing is les
9、sthan 23 mKeywords:improved tracking differentiator;speed estimation;dot compensation;3D packaging0引言在新冠疫情、逆全球化、贸易保护主义抬头及俄乌冲突等多种影响下，全球产业链供应链深受打击，43工业仪表与自动化装置2023 年第 2 期增材制造技术(3D 打印)是多数国家认可的解决供应链问题和工业制造的新方案1。电子制造产业是我国重要支柱产业之一，目前电子元器件愈趋于微密化、高度集成化、应用复杂化2 3，电子封装技术趋于自动化、高效化、高密集化、环保化，化学灌封、三防涂覆、点胶等传统封装保护工艺
10、4 6 已无法满足日趋严格的封装保护需求。3D 封装设备采用3D 打印技术，使用可喷墨打印胶水，对印制电路板组件(PCBA)7 进行封装保护，适用于高精密封装场景，弥补传统工艺固化时间长、封装精度低、存在气泡等缺点。实际工程中，墨点会以抛物线运动轨迹落在需封装的电路板上，导致实际封装位置与期望位置产生偏差，降低封装精度。为了减少墨滴飞行呈抛物线对打印质量的影响，文献 8开发了一个电压补偿器自动采集精确位置进行处理双向打印。文献 9 通过在匀速阶段提前几个像素点开始打印，利用经典根轨迹法设计超前滞后补偿器，这种方法对速度控制精度要求高且限制打印区域。文献 10基于喷印过程中造成定位误差的多种因素
11、，建立墨滴飞行定位误差模型，采用前馈+反馈的复合控制方法研发喷印墨滴多误差定位控制系统。有的研究者采用提前喷射的方式消除墨滴落点偏差，通过预测喷头实时速度，进而获取每个墨点具体喷射时间。文献 11利用神经网络构建速度预估器，输入节点越多导致系统过拟合及复杂化，但输入节点过少，速度估计精度低，故节点数量选取困难。文献 12 13分别采用卡尔曼滤波算法和扩张状态观测器预测喷头速度进而实现喷墨打印补偿，这两种算法需要建立准确的对象模型，但模型参数在实际工程中无法精确选取，且卡尔曼滤波算法响应速度慢，计算复杂，对实时性要求较高的场景不适合。针对项目应用场景需要一种易于实现，动态响应快，具有抑噪能力，估
12、计精度较高的速度估计算法，只需提供位移信息就可得到喷头实时速度。该文在反双曲函数和双曲函数14 基础上，加入终端吸引子函数作为综合控制函数构建跟踪微分器作为速度估计器估计喷头速度，用于 3D 封装设备墨点补偿方案中，该跟踪微分器无需建立对象模型，形式简单，具有优良的动态响应和滤波能力，提高墨点补偿效果，能满足项目应用需求。1跟踪微分器1 1经典跟踪微分器针对实际工程中输入信号是带有噪声或不连续导致提炼出的连续输入信号和微分信号不够准确，中科院韩京清15 提出了利用最速开关系统构建非线性跟踪 微分器(TD)。因纯开关形式的“跟踪 微分器”存在颤振现象，韩京清和袁露林16 利用“等时区方法”确定出
13、二阶离散系统最速控制综合函数为:g(z)=u(x1，x2)=rsat(g(z)，)z2sign(z1)rh 8|z1|r+h()22，|z1|1;z2+z1h，|z1|1;=hr;1=h;z1=x1+hx2;z2=x2(1)1 2改进跟踪微分器离散跟踪微分器具有良好的跟踪效果和微分效果，无颤振但它采用了复杂的开关函数，参数整定较困难。近年诸多学者选取不同加速度函数构建新型的跟踪微分器，选取的函数不仅具有线性函数的特性，还具备非线性函数的特性，增强跟踪微分器抑制噪声能力，避免颤振现象，提高性能。比如反正切、Sigmoid 激励函数、双曲正弦等特殊函数构造跟踪微分器的控制综合函数。文献 17利用神
14、经网络的正切 Sigmoid 函数和终端吸引子函数作为加速度函数，仿真结果证明此函数构造的跟踪微分器(TSTD)相比反正切、Sigmoid 等跟踪微分器跟踪精度相对较高。文献 18基于双曲正切函数作为加速度函数的跟踪微分器(Tanh TD)，并将其应用于磁浮列车悬浮间隙处理，Tanh TD 滤波能力有效消除悬浮间隙突变，提高系统稳定性。基于本项目需求，受加入终端吸引子函数，增强系统噪声抑制能力17的启发，将反双曲正弦与双曲正切作为加速度函数的基础上，整合功能重叠的参数，减少调参数目。该文采用的控制综合函数为:u=2(a1|z1(t)|barsinh(z1(t)a2|z2(t)|btanh(z2
15、(t)(2)其中:，a1，a2，b 为系统参数且 0，a10，a20，0 b 1。532023 年第 2 期工业仪表与自动化装置采样步长为 T，得到离散化的改进跟踪微分作为速度估计器:x1(k+1)=x1(k)+Tx2(k)x2(k+1)=x2(k)+T2 a1|x1(k)p(k)|barsinh(x1(k)p(k)a2x2(k)btanhx2(k)()()(3)其中:x1为跟踪位移信号;x2是速度信号;p 是输入位移信号。其中 a1，a2是双曲线的幅值参数，b 是终端吸引子参数。双曲线函数无突变、切换部分，整个函数平滑连续，跟踪误差较大时，具有非线性，误差较小时，具有线性特性，形式更为简易，
16、利于系统分析且参数调整方便。2数值仿真在 Matlab 中搭建跟踪微分器模型，验证其性能及作用效果是否满足实际工程需求，也为后期实验验证的参数选取提供参考思路。为了方便，全文将采用的改进跟踪微分器简称为 AT TD，即速度估计器。2 1参数设定对跟踪微分器(AT TD)的影响为验证参数 对 AT TD 影响，设定参数 a=3，a2=3，b=0 01，分别取 20，40，80，120，200，仿真位移输入信号为掺杂 0 1 到 0 1 的随机均匀噪声，频率为 1 Hz 的方波信号，采样步长取 0 001 s。从图 1、2 位移信号与速度信号效果图可以看出，响应速度随 值的增大而增大，但 越大，去噪效果不好。分析参数 a1对跟踪微分器中的影响，设定参数=80，a2=3，b=0 01，a1取 0 5，1，2，4，10。仿真信号及其他参数设置同上述 参数仿真一致。由图 3、4 可知，a1与跟踪速率呈正比，a1过大导致超调现象产生。设 =80，a1=3，b=0 01，a2取 0 5，1，2，4，10。验证 a2对跟踪微分器中的影响，仿真信号及其他参数设置同上。从仿真效果图 5、6 可以看出，a2
