led粘片機(jī)芯片取放機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及固晶臂的分析研究設(shè)計(jì)【優(yōu)秀畢業(yè)論文 答辯通過(guò)】

1、<p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　LED粘片機(jī)是集機(jī)、光、電、氣于一體的高速度、高精度、高智能化的設(shè)備，也是LED生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接影響到所生產(chǎn)LED的性能、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的合格率。全自動(dòng)LED粘片機(jī)是由上料機(jī)構(gòu)、出料機(jī)構(gòu)、點(diǎn)漿機(jī)構(gòu)、送料機(jī)構(gòu)、晶圓芯

2、片供送系統(tǒng)、刺晶系統(tǒng)、粘片機(jī)構(gòu)及電氣控制系統(tǒng)、圖像識(shí)別系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等組成LED芯片通常是以陣列方式排列在一塊晶圓上，目前可制作的晶圓最大直徑已達(dá)300mm，晶圓進(jìn)一步經(jīng)過(guò)劃片、擴(kuò)晶后，單個(gè)的芯片便以行列的形式粘覆在一個(gè)膠膜上，為便于拾取芯片，常用一個(gè)特制的圓環(huán)將膠膜繃緊固定。晶圓芯片供送系統(tǒng)即是一個(gè)用于連接此晶圓固定圓環(huán)，可在x，y平面內(nèi)精密移動(dòng)的工作臺(tái)。它的主要功能是將晶圓上排列地芯片逐行逐列的送到CCD標(biāo)定（ 吸晶、刺晶）位置處。

3、晶圓供送裝置要求各運(yùn)動(dòng)件剛度高，相互摩擦小，配合精度高，能夠滿足小步距、大行程的要求，且具有微調(diào)和裝卸方便的特點(diǎn)。</p><p><b>　　1.2 課題來(lái)源</b></p><p>　　“失去制造，失去未來(lái)”的認(rèn)識(shí)如今已成為全球的共識(shí)，在21世紀(jì)的國(guó)力競(jìng)爭(zhēng)中，發(fā)達(dá)國(guó)家將制造列為戰(zhàn)略發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域，搶占制造技術(shù)的制高點(diǎn)更是各國(guó)的戰(zhàn)略必爭(zhēng)。</p>&l

4、t;p>　　中國(guó)是個(gè)制造大國(guó)正在向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變，在微電子行業(yè)無(wú)論是消費(fèi)市場(chǎng)還是裝備制造基地都在向中國(guó)轉(zhuǎn)移，中國(guó)正在成為制造大國(guó)和消費(fèi)大國(guó)。</p><p>　　微電子技術(shù)經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，在其產(chǎn)業(yè)內(nèi)部形成了自己特有的產(chǎn)業(yè)分工：材料制備、前道工藝和后道工藝。作為微電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，材料制備早就發(fā)展的比較成熟，而在信息技術(shù)、控制技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)推動(dòng)下，前道工藝的相關(guān)技術(shù)也如日中天，日漸成熟，例如晶元的不斷

5、擴(kuò)大等。但相比較而言微電子制造的后道工藝技術(shù)才剛剛起步，或者說(shuō)相對(duì)而言發(fā)展不是很成熟，因此有必要在微電子制造后道工藝方面做一些技術(shù)研究和改進(jìn)，以適應(yīng)當(dāng)今世界對(duì)微電子產(chǎn)品的需求。</p><p>　　在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域，LED制造技術(shù)具有獨(dú)特的代表性。其中LED封裝工藝屬于后道工藝，LED的固晶過(guò)程（又稱粘片過(guò)程）在封裝工藝中占有極其重要的地位。目前而言國(guó)內(nèi)的廠家所用的設(shè)備大部分都來(lái)自國(guó)外，LED固晶技術(shù)及設(shè)備幾乎被

6、國(guó)外所壟斷，國(guó)內(nèi)廠家即使能仿制一些型號(hào)的產(chǎn)品，但是精度不急國(guó)外產(chǎn)品的二分之一。但慶幸的是這項(xiàng)技術(shù)也還在發(fā)展中，如果加以足夠深度的研究完全可以打破國(guó)外的壟斷。</p><p>　　在對(duì)微電子制造技術(shù)做出簡(jiǎn)單分析之后即可知道，作為極端制造技術(shù)的分支，微電子制造技術(shù)存在著高效、高速與精密之間不可調(diào)和的矛盾，LED封裝同樣面臨此問(wèn)題。要解決此問(wèn)題必須對(duì)LED封裝設(shè)備，即現(xiàn)在市場(chǎng)主流產(chǎn)品——全自動(dòng)LED粘片機(jī)作深入的研究。

7、經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)芯片拾取機(jī)構(gòu)，即固晶臂在整個(gè)粘片工作過(guò)程伴隨著高速、高效、精密的特點(diǎn)，它是全自動(dòng)LED粘片機(jī)的核心部件，也是LED粘片機(jī)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵所在，還是解決 “高速”和“精密”這對(duì)矛盾的關(guān)鍵所在。本課題來(lái)源于工程實(shí)際，以LED封裝著眼于解決企業(yè)中的實(shí)際工程問(wèn)題，落腳點(diǎn)在于解決半導(dǎo)體制造裝備中高速度與高精度之間的矛盾。</p><p>　　1.3 LED課題背景——封裝技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r</p>&

8、lt;p>　　1.3.1 國(guó)內(nèi)LED封裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　半導(dǎo)體照明技術(shù)采用半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管（LED）作為新光源。在同樣的亮度下，半導(dǎo)體燈的耗電量?jī)H為普通白熾燈的1/10，而壽命卻可延長(zhǎng)100倍。此外，由于LED的光譜中只有少量的紫外線或紅外線，半導(dǎo)體燈輻射很低，熱量很小，而且廢棄物可以回收，無(wú)污染，被稱為綠色光源。因此近年來(lái)，美國(guó)、日本、韓國(guó)、歐盟等國(guó)家和地區(qū)都在制定相關(guān)的發(fā)展計(jì)劃以搶占

9、半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)。</p><p>　　半導(dǎo)體照明也引起了我國(guó)相部門(mén)的高度重視。由科技部，信息產(chǎn)業(yè)部等6部委和14個(gè)地方政府共同實(shí)施的“國(guó)家半導(dǎo)體照明工程”相關(guān)項(xiàng)目已經(jīng)正式啟動(dòng)。另外國(guó)家還設(shè)立了“半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開(kāi)發(fā)專項(xiàng)”，以產(chǎn)業(yè)化為目標(biāo)，解決市場(chǎng)急需半導(dǎo)體照明應(yīng)用產(chǎn)品低成本產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，培育新型大功率半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)，重點(diǎn)在大功率、高亮度半導(dǎo)體發(fā)光體芯片制造及封裝產(chǎn)業(yè)化，照明系統(tǒng)技術(shù)及重大應(yīng)用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等倆

10、各個(gè)方面。</p><p>　　我國(guó)LED封裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，目前從業(yè)企業(yè)已超過(guò)400多家，封裝能力超過(guò)200億只，預(yù)計(jì)在今后我國(guó)在LED封裝產(chǎn)業(yè)中要占全球市場(chǎng)的70%左右，封裝規(guī)模生產(chǎn)線及設(shè)備的需求將會(huì)劇增。但我國(guó)的封裝產(chǎn)業(yè)中存在很多問(wèn)題，一是企業(yè)雖有所增多但生產(chǎn)線規(guī)模很小，還有很大一部分企業(yè)是手工或者說(shuō)半自動(dòng)生產(chǎn)作業(yè)，產(chǎn)量也有限；二是產(chǎn)業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)產(chǎn)品都集中在傳統(tǒng)支架式LED且主要是低端產(chǎn)品，在chip-l

11、ed, top-led, power-led, high power-led領(lǐng)域幾乎不成規(guī)模，三是主要封裝設(shè)備像全自動(dòng)粘片機(jī)、引線焊接機(jī)測(cè)試機(jī)、編帶機(jī)等幾乎全部依賴進(jìn)口，即使有一小部分企業(yè)在做封裝設(shè)備的研究，但是主要還是通過(guò)測(cè)繪國(guó)外儀器進(jìn)行復(fù)制，精度差，效率低；四是LED照明需要高效率低成本大功率的LED產(chǎn)品，目前而言我國(guó)的封裝技術(shù)及設(shè)備發(fā)展水平還不是很高。</p><p>　　目前國(guó)產(chǎn)設(shè)備領(lǐng)域LED粘片機(jī)還屬于

12、開(kāi)發(fā)研究的初期階段，各廠家都在使用ASM的產(chǎn)品或者是仿制的ASM的全自動(dòng)粘片機(jī)，設(shè)備昂貴，企業(yè)壓力大。但是近年來(lái)也有不少單位、企業(yè)在這方面做出了努力，為L(zhǎng)ED封裝產(chǎn)業(yè)做出了一定的貢獻(xiàn)，比如四十五所也能獨(dú)立自主的生產(chǎn)高水平的全自動(dòng)粘片機(jī)；另外在廣州深圳等地方也有幾家企業(yè)能夠獨(dú)立自主的研發(fā)相關(guān)設(shè)備。</p><p>　　1.3.2全自動(dòng)LED粘片機(jī)的國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　國(guó)外全自動(dòng)

13、LED粘片機(jī)的主要生產(chǎn)廠家是位于新加坡的ASM公司，另外我國(guó)的香港，馬來(lái)西亞也有ASM的分公司。其生產(chǎn)的AD809、AD809-03、AD8930等機(jī)型占據(jù)了大部分市場(chǎng)份額，其技術(shù)形式也基本代表了LED粘片機(jī)設(shè)備發(fā)展的方向。</p><p>　　1.3.3國(guó)內(nèi)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠家在線的LED粘片機(jī)大約有600 臺(tái)以上, 我國(guó)LED 產(chǎn)量從2000 年

14、84億只增加到2003年的200億只, 平均每年新增粘片機(jī)在100臺(tái)以上, 業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)2004 年LED 產(chǎn)量可突破300億只, 新增粘片機(jī)將會(huì)在150臺(tái)以上。未來(lái)5 年內(nèi),將是LED 產(chǎn)業(yè)大發(fā)展時(shí)期, 中國(guó)將會(huì)成為世界LED后封裝的最大生產(chǎn)基地, 這將會(huì)有一大批規(guī)模( 年產(chǎn)10億只以上) 型企業(yè)誕生( 注: 我國(guó)目前只有兩三家年產(chǎn)5億只以上的企業(yè)) 。</p><p>　　1.3.4 發(fā)展方向與前景</p&

15、gt;<p>　　一個(gè)固晶周期包括固晶，提升，抓取，旋轉(zhuǎn)，下降，粘片以及回復(fù)動(dòng)作。國(guó)家對(duì)環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品的支持，國(guó)際市場(chǎng)對(duì)節(jié)能產(chǎn)品的追逐，必將迎來(lái)led產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展。企業(yè)將在提高效率方面下大功夫，效率的提高必定大大提升產(chǎn)能。針對(duì)國(guó)際市場(chǎng)上的LED粘片機(jī)周期在300ms左右，現(xiàn)在新研究的粘片機(jī)推出的理論周期值在160ms，發(fā)展前景會(huì)非常的好。</p><p>　　1.4 全自動(dòng)LED粘片機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及工作

16、原理</p><p>　　LED粘片機(jī)實(shí)際與視覺(jué)檢測(cè)的全自動(dòng)粘片控制系統(tǒng)，融合了圖像處理、模式識(shí)別、光電檢測(cè)、控制理論、機(jī)電一體化等多門(mén)學(xué)科的知識(shí)理論。但是整機(jī)的設(shè)計(jì)是在固晶臂（用于粘片的核心部件）設(shè)計(jì)研究基礎(chǔ)上進(jìn)行的，所有的軟件、電氣、控制部件、機(jī)械部件的設(shè)計(jì)都是圍繞固晶臂的設(shè)計(jì)而展開(kāi)的。</p><p>　　LED粘片機(jī)的主要機(jī)構(gòu)如下圖1.1所示：</p><p&g

17、t;　　圖1.1 led粘片機(jī)主要機(jī)構(gòu)圖</p><p>　　整個(gè)工作過(guò)程在圖像識(shí)別系統(tǒng)的監(jiān)控下進(jìn)行，通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)傳輸機(jī)構(gòu)的控制配合點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)及拾取粘片機(jī)構(gòu)的工作。工作流程如下圖1.2：</p><p>　　圖1.2 LED粘片機(jī)工作過(guò)程</p><p>　　現(xiàn)有的比較高端的粘片機(jī)固晶臂回轉(zhuǎn)時(shí)，峰值加速度達(dá)到79g,峰值速度達(dá)到12m/s，封裝度的達(dá)到5次/s。另外

18、，由上圖可見(jiàn)LED固晶過(guò)程中固晶臂的作用十分重要，它是LED粘片機(jī)的核心部件。</p><p>　　1.4.1 LED封裝工藝流程簡(jiǎn)述</p><p>　　LED 封裝工藝流程如下所述：</p><p>　　(1) 排支架前站:擴(kuò)晶①溫度:調(diào)整50-60攝氏度 預(yù)熱十分種 擴(kuò)晶時(shí)溫度設(shè)為65-75攝氏度。(2) 點(diǎn)膠①調(diào)節(jié)點(diǎn)膠機(jī)時(shí)間:0.2-0.4秒.氣壓

19、表旋紐 0.05-0.52mPa .要調(diào)節(jié)點(diǎn)膠旋紐使出膠標(biāo)準(zhǔn)。②冰箱取出膠,解凍三十分鐘,安全解凍后攪拌均勻(20-30分鐘)③銀膠高度在晶片高度后1/3以下,1/4以上,偏心距離小于晶片直徑的1/3.(3) 固晶①固晶臂與固晶平面保持30-45度.直至壓到臂尖頂部。②固晶順序從上到下,從左到右。③用固晶筆將晶黏固到支架,腕部絕緣膠中心。(4) 固晶烘烤①烤 溫度定 150攝氏度②1.5小時(shí)后出烤(5) 一般固晶不良

20、品為:固騙、固漏、 固斜、少膠、多晶、芯片破損、短墊(電極脫落)、芯片翻轉(zhuǎn)、銀膠高度超過(guò)芯片的1/3(多膠) 晶片粘膠焊點(diǎn)粘膠(6) 焊線①機(jī)太溫度為170-220攝氏度 單線:220度 雙線:180度</p><p>　?、诤妇€拉力715g③焊線弧度高于晶片高度小于晶片3倍高度④焊點(diǎn)全球直徑為全線直徑的2-3倍.焊點(diǎn)應(yīng)用2/3以上電極上注:一般焊線不良品: 晶片破損 掉

21、晶 掉晶電極 交晶 晶片翻轉(zhuǎn) 電極粘膠 銀膠過(guò)多超過(guò)晶片 銀膠過(guò)少(幾乎沒(méi)有) 塌線 虛焊 死線 焊反線 漏焊 弧度高和低 斷線 全球過(guò)大或小。</p><p><b>　　(7) 補(bǔ)充說(shuō)明：</b></p><p>　?、贁U(kuò)晶，把排列的密密麻麻的晶片弄開(kāi)一點(diǎn)便于固晶。 　　</p><p>　?、诠叹В谥Ъ艿撞奎c(diǎn)上導(dǎo)電/不導(dǎo)電的膠水(導(dǎo)電與

22、否視晶片是上下型PN結(jié)還是左右型PN結(jié)而定）然后把晶片放入支架里面。 　　</p><p>　?、鄱炭?，讓膠水固化焊線時(shí)晶片不移動(dòng)。 　　</p><p>　?、芎妇€，用金線把晶片和支架導(dǎo)通。 　　</p><p>　?、萸皽y(cè)，初步測(cè)試能不能亮。 　　</p><p>　?、薰嗄z，用膠水把芯片和支架包裹起來(lái)。 　　</p>&l

23、t;p>　?、唛L(zhǎng)烤，讓膠水固化。 　　</p><p>　?、嗪鬁y(cè)，測(cè)試能亮與否以及電性參數(shù)是否達(dá)標(biāo)。 　　</p><p>　　⑨分光分色，把顏色和電壓大致上一致的產(chǎn)品分出來(lái)。 　　</p><p><b>　?、獍b。</b></p><p>　　1.5 本文研究的內(nèi)容</p><p>

24、　　機(jī)構(gòu)是LED粘片機(jī)的核心部件，因此固晶臂的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因此本課題主要圍繞固晶臂的研究而進(jìn)行，主要研究?jī)?nèi)容如下：</p><p>　　(1) 固晶臂的工作過(guò)程優(yōu)化；</p><p>　　(2) 固晶臂的動(dòng)態(tài)特性分析；</p><p>　　(3) 固晶臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析及優(yōu)化，包括固晶臂的模態(tài)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)；</p><p>　　1.6 本

25、文研究的目的與意義</p><p>　　由LED封裝工藝可以看出固晶這一過(guò)程在整個(gè)封裝流程中至關(guān)重要，本課題主要著眼于固晶這一過(guò)程進(jìn)行相關(guān)研究及相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)、分析等。</p><p>　　粘片機(jī)是完成固晶過(guò)程的主要設(shè)備，而現(xiàn)在市場(chǎng)上的全自動(dòng)粘片機(jī)主要是ASM的產(chǎn)品。我國(guó)要發(fā)展自己的LED產(chǎn)業(yè)，就必須擺脫對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的依賴，就必須有自己的一套裝備及相關(guān)理論和研究。因此本課題的研究

26、有著十分重要的意義。本課題的研究也將為我國(guó)做LED封裝設(shè)備的各種企業(yè)提供一定的參考，對(duì)我國(guó)LED裝備企業(yè)的發(fā)展也會(huì)有很大的好處。另外也可以為中小企業(yè)提供參考，使之在各自領(lǐng)域形成自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，有助于企業(yè)轉(zhuǎn)型。</p><p>　　此外本課題提出的自適應(yīng)、閉環(huán)的分析優(yōu)化方法也可以促進(jìn)虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，使虛擬設(shè)計(jì)突破目前設(shè)計(jì)與分析優(yōu)化分離的瓶頸。作為極端制造的產(chǎn)品如航空件、風(fēng)電、橋梁、建筑等，本課題的研究還將為這類

27、產(chǎn)品的研制提供很好的產(chǎn)考。</p><p>　　2 LED粘片機(jī)芯片取放機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)</p><p>　　裝配設(shè)計(jì)LED芯片取放機(jī)構(gòu)圖2.1如上。設(shè)計(jì)分為旋轉(zhuǎn)電機(jī)，圓柱直線電機(jī)，固晶臂，旋轉(zhuǎn)軸，聯(lián)軸器等主要設(shè)備元器件組成。</p><p>　　圖2.1 LED粘片機(jī)芯片取放機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)圖 <

28、;/p><p>　　LED粘片機(jī)是旋轉(zhuǎn)電機(jī)與直線電機(jī)的組合式運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)直線電機(jī)以及固晶臂做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，直線電機(jī)帶動(dòng)固晶臂做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。固晶臂在兩電機(jī)的作用下實(shí)現(xiàn)上移，旋轉(zhuǎn)（90°）下移，旋轉(zhuǎn)（90°）。要求旋轉(zhuǎn)的頻率較高，同時(shí)要求旋轉(zhuǎn)電機(jī)的頻率要高，同時(shí)直線運(yùn)動(dòng)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)4mm左右，需要保證運(yùn)動(dòng)的震動(dòng)型，避免頻率形同引起共振。與直線電機(jī)相連的軸直徑需要滿足疲勞強(qiáng)度，直徑至少13mm 實(shí)心。

29、通過(guò)聯(lián)軸器連接。最終選用實(shí)心 14mm 鋁合金材料的軸。聯(lián)軸器選擇與軸相配合的法蘭，法蘭與直線電機(jī)相連。</p><p>　　2.2連接設(shè)備的設(shè)計(jì)</p><p>　　在連接部件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，滿足許用力非常關(guān)鍵。下面是針對(duì)銷的設(shè)計(jì)計(jì)算：</p><p><b>　　銷如圖2.2示：</b></p><p><b>

30、;　　圖2.2 連接銷</b></p><p>　??； （2.1）</p><p>　??； （2.2）</p><p>　　若傳遞功率單位為馬力（PS

31、)時(shí), 由于PS=735.5N·m/s；</p><p><b>　??；滿足扭矩要求，</b></p><p>　　軸的材料選用鋁合金；鋁合金的許用剪應(yīng)力為60Mpa；T=24.5Nm</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　取直徑為13mm。如果采用空心軸的話

32、，則最小直徑>12.7mm，也可取13mm。如果采用40Cr，其抗拉強(qiáng)度為981Mpa，C42—— 熱處理， </p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　mm，取直徑可取8mm。</p><p>　　2.3運(yùn)動(dòng)的時(shí)間分配以及電機(jī)負(fù)載慣量分析</p><p>　　2.3.1 時(shí)間分配<

33、/p><p>　　共160ms(reference)；</p><p><b>　　表2-1時(shí)間分配</b></p><p>　　轉(zhuǎn)動(dòng)90度大概用36毫秒；</p><p>　　時(shí)間分配圖2.3譜如下（時(shí)間單位為ms）:</p><p><b>　　36</b></p>

34、;<p><b>　　10</b></p><p><b>　　1717</b></p><p><b>　　1717</b></p><p><b>　　1010</b></p><p>　　圖2.3 運(yùn)動(dòng)時(shí)間簡(jiǎn)圖</p>

35、;<p>　　擺臂平均每分鐘達(dá)到的轉(zhuǎn)速為：；</p><p>　　轉(zhuǎn)動(dòng)90度大概用36毫秒；直線電機(jī)17ms運(yùn)動(dòng)4mm</p><p><b>　　2.3.2慣量系統(tǒng)</b></p><p>　　擺臂：0.002kg*m² 重量：0.44 kg 材料: 鋁合金</p><p>　　左右轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的

36、生成及疊加：</p><p>　　擺臂：J1=0.00284569 kg. m2；</p><p>　　軸套：J2=0.00001458kg. m2；</p><p>　　法蘭：J3=0.00003386kg. m2；</p><p>　　筒套：J4= 0.00001113 kg. m2；</p><p>　　鎢鋼吸嘴

37、：J5=0.000003562 kg.m2；</p><p>　　法蘭2：J6=0.00001356 kg.m2；</p><p>　　法蘭軸上總轉(zhuǎn)動(dòng)量：J花總=J1+J2+J3+J4+J5+ J6 =0.002921692kg.m2</p><p>　　由于傳動(dòng)比為1，因此折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變即J花總=J折=0.002921692kg.m2。</p&g

38、t;<p>　　總的負(fù)載慣量為：J負(fù)載=J折算=0.002921692kg.m2</p><p><b>　　2.4電機(jī)的選擇</b></p><p>　　2.4.1電機(jī)加速度的選擇</p><p>　　為了算出設(shè)備所需要的扭矩，合適的功率，去找適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先對(duì)機(jī)構(gòu)在不同加速度運(yùn)轉(zhuǎn)下需要的電機(jī)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)計(jì)算，從

39、而為所需要的參數(shù)下的電機(jī)提供理論基礎(chǔ)。 </p><p>　　假設(shè)1：在30ms內(nèi)，擺臂轉(zhuǎn)過(guò)，前15ms內(nèi)角加速度為正轉(zhuǎn)過(guò)45度，后15ms內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)45度，角加速度為負(fù)，則在15ms內(nèi)速度加到最大值，其平均速度為： （2.5）</

40、p><p>　　,,因此其平均角加速度</p><p><b>　　（2.6）</b></p><p>　　算出電機(jī)的負(fù)載力矩：,則電機(jī)的負(fù)載功率為： （2.7）</p><p>　　假設(shè)2：在40ms內(nèi)擺臂轉(zhuǎn)過(guò)90度，在前20ms加速，后20ms減速，則

41、其加速時(shí)平均角速度為，其最大角速度為，其平均角加速度為，算出起負(fù)載力矩為， </p><p>　　負(fù)載功率 （2.8）</p><p>　　假設(shè)3：在50ms內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)90度，在前25ms加速，后25ms減速，則其平均角速度為，其最大角速度為，其平均角 加速度為，</p><p>　　算出起負(fù)載力矩為

42、 （2.9）</p><p><b>　　負(fù)載功率，</b></p><p>　　2.4.2 電機(jī)選擇設(shè)計(jì)方案</p><p>　　用36ms轉(zhuǎn)過(guò)90度。直線電機(jī)用18ms走完4mm。</p><p>　?。?）用多項(xiàng)式求解電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)</p><p><b>

43、　　用5次多項(xiàng)式逼近時(shí)</b></p><p><b>　　表2-2 關(guān)鍵參數(shù)</b></p><p>　　Maximun values</p><p><b>　　旋轉(zhuǎn)電機(jī)：</b></p><p><b>　?。?.10）</b></p><

44、p><b>　　每分鐘轉(zhuǎn)速為：</b></p><p>　　電機(jī)最大負(fù)載力矩為： （2.11）</p><p>　　負(fù)載功率為： （2.12）</p><p><b>　　用9次多項(xiàng)式逼近：</b></p><p><b>　　表2-3 關(guān)鍵參數(shù)&

45、lt;/b></p><p>　　Maximun values</p><p>　?。?）旋轉(zhuǎn)電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p><b>　　(2.13)</b></p><p><b>　　每分鐘轉(zhuǎn)速： ；</b></p><p><b>　?。?

46、 </b></p><p><b>　??；</b></p><p>　　電機(jī)最大負(fù)載力矩為： </p><p>　　圖2.4 運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖</p><p>　　勻速時(shí)間為零，停止時(shí)間為零。</p><p>　?。?）計(jì)算負(fù)載慣量及慣量比</p>&l

47、t;p>　　=+J9=0.002075966+0.000006608 =0.002024901kg.m^2</p><p>　　連接裝置慣量為0.00006514kg.m^2</p><p>　　J總負(fù)= J負(fù)載+J聯(lián)軸器=0.0020924901+0.00006514=0.002990041kg.m^2</p><p>　　預(yù)選取3kw的電機(jī)400 MSME

48、 3.0kw[低慣量 中容量]</p><p>　　轉(zhuǎn)子慣量——（無(wú)制動(dòng)器）</p><p><b>　?。ㄓ兄苿?dòng)器）</b></p><p>　　慣量比計(jì)算：倍<10倍， 符合要求。 (2.15)</p><p><b>　　（4）計(jì)算轉(zhuǎn)速：</b>&l

49、t;/p><p>　　轉(zhuǎn)動(dòng)距離為，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為36ms=0.036s；</p><p>　　加速時(shí)間為0.018s,減速時(shí)間為0.018s;</p><p><b>　　;</b></p><p><b>　　(2.16)</b></p><p>　　加速度=6997 (rad/s

50、^2)</p><p><b>　　(2.17)</b></p><p><b>　　(5)計(jì)算轉(zhuǎn)矩：</b></p><p><b>　　(2.18)</b></p><p><b>　　有效轉(zhuǎn)矩：</b></p><p>　　&

51、lt;47.7Nm(瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩)</p><p>　　≈1.6kw<3kw (2.19)</p><p>　　松下電機(jī)：400MSME，3.0kw[低慣量 中容量]電機(jī)滿足要求。</p><p>　?。?）直線電機(jī)的選擇。</p><p>　?、俅_定機(jī)構(gòu)部件：定子，電機(jī)直連機(jī)構(gòu)。擺動(dòng)臂。</p>

52、;<p>　　②確定運(yùn)動(dòng)模式：直線運(yùn)動(dòng)。加速運(yùn)動(dòng)，減速運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　③計(jì)算負(fù)載慣量及慣量比：</p><p>　　=+J9=0.002+0.00000663 =0.002024901kg.m2</p><p>　　連接裝置慣量為0.00006514kg.m2，因此總負(fù)載慣量為J總負(fù)= J負(fù)載+J聯(lián)軸器=0.0020924901+0.000

53、06514=0.002990041kg.m^2</p><p><b>　　vmax== ;</b></p><p><b>　　amax==; </b></p><p><b>　　jmax==;</b></p><p>　　電機(jī)最大負(fù)載力矩為：；</p>&l

54、t;p><b>　　電機(jī)負(fù)載功率為：;</b></p><p>　　選擇滿足要求的電機(jī)：行程4.6mm，持續(xù)推力136N，最大推力424N,負(fù)載功0.2KW。線性馬達(dá)圖示如下圖2.5：</p><p>　　圖2.5 線性馬達(dá)</p><p>　　3 固晶臂的研究分析</p><p>　　全自動(dòng)LED 粘片機(jī)是一個(gè)

55、高精密機(jī)構(gòu)。芯片拾放裝置是粘片機(jī)最重要的部件，其功能是將晶圓上已切割分離成一粒粒的芯片逐個(gè)吸起，傳送并放置到引線框架上涂有銀漿的裝載杯中，使芯片在引線框架上被粘焊固定。芯片拾放裝置需要精確、快速、平穩(wěn)地往返于拾片和粘片兩個(gè)位置，實(shí)現(xiàn)拾取、傳送和放置芯片等動(dòng)作。擺桿是芯片拾放機(jī)構(gòu)中最重要的部件。擺桿既要精密、輕巧又要?jiǎng)偠雀?。擺桿質(zhì)量的好壞直接影響到粘片機(jī)速度的提高。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)只是要求擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)半徑要達(dá)到要求，盡量省材料。擺桿在工作過(guò)程中，當(dāng)

56、擺到引線框架上方時(shí)，壓縮空氣通到吸嘴，迅速將芯片吹出釋放，并通過(guò)吸嘴對(duì)芯片施加壓力將芯片放置在引線框架上涂有銀漿的位置。為此通過(guò)對(duì)擺臂進(jìn)行靜力學(xué)分析以及振動(dòng)分析來(lái)模擬擺臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中即將出現(xiàn)的問(wèn)題，同時(shí)為盡可能地滿足生產(chǎn)要求提供一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。</p><p><b>　　圖3.1 擺臂</b></p><p>　　工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的是連接套與擺臂相連，也有三段的連接體

57、，如圖示：</p><p>　　圖3.2 三段連接體</p><p>　　二段以上的擁有緩沖的優(yōu)勢(shì)，在嵌套上面連接傳感器，保證晶體破壞，但是二段及以上段在高速運(yùn)轉(zhuǎn)（160ms的周期運(yùn)轉(zhuǎn)）下固連部件容易出現(xiàn)松動(dòng)，影響精度。</p><p>　　3.1固晶臂靜力學(xué)分析</p><p>　　LED 粘片機(jī)關(guān)鍵部件是焊頭運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。焊頭主運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)要求在

58、垂直平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng), 在高速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還要求定位高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。焊頭的作用是將晶圓( wafer) 上已切割</p><p>　　分離成一片片的芯片逐個(gè)吸起, 傳送并放置到引線框架上, 使得芯片在引線框架上被粘焊頭通常由兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)。為了使焊頭運(yùn)動(dòng)平穩(wěn), 在設(shè)計(jì)機(jī)架的時(shí)候一定要使機(jī)架固有頻率避開(kāi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)頻率及倍頻, 以減少共振。</p><p>　　3.1.1有限元分析的

59、工具</p><p>　　通常, 使用ANSYS 建立復(fù)雜的三維實(shí)體模型比較麻煩, 所以在一般情況下使用三維軟件( 例如SolidWorks、CATIA等) 來(lái)建立幾何模型, 同時(shí)將該模型轉(zhuǎn)換為ANSYS 認(rèn)可的文件格式, 例如IGES 格式和parasolid格式。將IGES 格式的模型文件導(dǎo)人ANSYS, 可以發(fā)現(xiàn)該模型往往存在或多或少的缺陷, 例如線或面之間存在小間隙、出現(xiàn)多余的圖元等, 這都是模型文件進(jìn)行

60、轉(zhuǎn)換時(shí)所造成的不良影響。我們可以使用ANSYS 中的幾何和拓?fù)湫迯?fù)工具對(duì)這些缺陷進(jìn)行修復(fù)和完善, 有時(shí)候效果并不是很好, 這對(duì)分析結(jié)果會(huì)造成影響。同時(shí), ANSYS 的操作界面不是很友好, 有時(shí)還需要進(jìn)行文字命令輸入, 而且在進(jìn)行模態(tài)以及諧響應(yīng)分析時(shí), 占 用的內(nèi)存資源過(guò)多, 并會(huì)消耗大量的時(shí)間。有限元靜力學(xué)分析方程靜力學(xué)分析是指求解不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)平衡問(wèn)題,如線彈性系統(tǒng)的應(yīng)力等。線性方程的等效方程為</p><p

61、>　　［K］×｛u｝=｛F｝ （1）</p><p>　?。跭］×｛u｝＝｛Fa｝+｛F r｝ （2）</p><p>　　式中：［K］為總剛度矩陣，［K］＝n m=1ΣKe，｛u｝為節(jié)點(diǎn)位移矢量，n 為單元數(shù)，［Ke］為單元?jiǎng)偠染仃?，｛F r｝為支反載荷矢量，｛Fa｝為所受的總外載荷。</p><p>　　通過(guò)式（1）和式（2）得出各點(diǎn)

62、的位移矢量｛u｝。根據(jù)位移插值函數(shù)，由彈性力學(xué)中的應(yīng)變和唯一、應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系，得出節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力表達(dá)式：</p><p>　?。舉｝l =［B］×｛u｝-｛εth｝ （3）</p><p>　?。遥?［D］×｛εe｝l （4）</p><p>　　式中，｛εe｝l 為由應(yīng)力引起的應(yīng)變，［B］為節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)變-位移矩陣，｛u｝為節(jié)點(diǎn)上的位移矢

63、量，｛εth｝為熱應(yīng)變矢量（本文不考慮），｛σ｝為應(yīng)力矢量，［D］為彈性矩陣系數(shù)。求解式（3）和式（4），得到各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力。</p><p>　　3.1.2擺臂靜力學(xué)分析</p><p>　?。?）在HyperWorks 里可以先劃網(wǎng)格，然后再定義單元類型，對(duì)劃好的單元賦以材料屬性. HyperWorks 的幾何模型從CATIA三維CAD 軟件導(dǎo)入. 進(jìn)行有限元分析時(shí)，如果要準(zhǔn)確模擬這些特

64、征，需要用到很多小單元，導(dǎo)致求解時(shí)間延長(zhǎng)。FEA 只需要簡(jiǎn)化的幾何模型，因此需要對(duì)模型部件的一些細(xì)節(jié)信息進(jìn)行簡(jiǎn)化，以便于網(wǎng)格劃分和分析。此外，模型的一些幾何信息在導(dǎo)入時(shí)可能會(huì)出錯(cuò)，如導(dǎo)入曲面數(shù)據(jù)時(shí)可能會(huì)存在縫隙、重疊、邊界錯(cuò)位等缺陷，導(dǎo)入單元質(zhì)量不高，求解精度差。一般，所有的有限元軟件的單位都是需要用戶自己定義。不過(guò)有些軟件也有一些默認(rèn)的單位，例如長(zhǎng)度單位是mm、質(zhì)量單位是kg 等。用戶在設(shè)置單位的時(shí)候要注意所有的單位要形成一個(gè)“封閉的

65、回路”。例如，當(dāng)質(zhì)量的單位是kg，時(shí)間的單位是s，長(zhǎng)度單位是m，那么根據(jù)牛頓第二定律：F=ma，即F 的單位為N。</p><p>　　把三維軟件的幾何模型導(dǎo)入到HyperMesh 之前最好把零件組裝成裝配體的形式，因?yàn)閷?duì)幾何模型進(jìn)行切分在三維軟件里操作要比在CAE 軟件里操作起來(lái)方便多了。另外，由于只是對(duì)擺桿的中間部分進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)把中部分修改了尺寸（局部修改），擺桿最左邊的部分和最右邊的部分的網(wǎng)格可以完全不作

66、改變，只需要把中間部分的幾何模型重新導(dǎo)入，再單獨(dú)對(duì)這一</p><p>　　部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分就可以了。當(dāng)然，由于這里的擺桿整體模型也不是很復(fù)雜，上面提到的這些操作也可以在HyperWorks 里完成。</p><p>　?。?） 擺桿約束和載荷</p><p>　　擺桿靜力分析主要是為了算出沒(méi)有優(yōu)化前的擺桿在受力情況下的位移。根據(jù)實(shí)際工作中的要求，擺桿在豎直方向的位

67、移要求小于50μm，擺桿在受到電機(jī)扭矩作用后水平方向的位移要求在6-7μm 之間。擺桿和抱夾零件的材料類型采用鋁合金，彈片的材料類型采用碳素鋼。整個(gè)擺桿采用CATIA單元。CATIA單元是實(shí)際分析中比較常用的單元。常見(jiàn)的實(shí)體單元有六面體單元，四面體和棱柱體六面體單元，五面體單元和帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體單元，這些單元的計(jì)算精度都是很高的，它們的區(qū)別在于：一個(gè)六面體單元只有8 個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算規(guī)模小，但是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)很難劃分出好的六面體單元，帶中間節(jié)

68、點(diǎn)的四面體單元恰好相反，不管結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜，總能輕易地劃分出四面體，但是，由于每個(gè)單元有10 個(gè)節(jié)點(diǎn)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)比較多，計(jì)算量會(huì)增大很多。在只考慮只受慣性沖擊力的作用下，整個(gè)擺桿也可以采用梁?jiǎn)卧蛘逽hell 單元。由于在吸嘴部位有孔存在，采用梁?jiǎn)卧皇呛芎线m。如果只是從靜力分析的角度考慮，用Shell 單元是很合適的。整個(gè)擺桿采用Shell 單元，抽取中面劃2D 網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量比較少，分析比較快。但是，由于考慮到后面將要做拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行初步

69、概念設(shè)計(jì)和接下來(lái)要</p><p>　?。?）擺桿靜力學(xué)分析計(jì)算</p><p>　　擺臂在速781r/min.加速度7000rad/.材料選擇鋁合金。結(jié)果通過(guò)有限元catia分析</p><p><b>　　圖3.3 分析結(jié)果</b></p><p>　　軟件，分析出擺臂的應(yīng)力分布圖3.3。網(wǎng)格的應(yīng)力集中分布點(diǎn)。位移結(jié)

70、果如下圖3.4所示</p><p><b>　　圖3.4 位移結(jié)果</b></p><p>　　擺臂的振動(dòng)幅度在3%左右，滿足位移滿足設(shè)計(jì)要求。但是，現(xiàn)在的擺桿質(zhì)量還是比較大，擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)迎風(fēng)面積也是比較大，而且轉(zhuǎn)動(dòng)中心和重心偏離比較遠(yuǎn)，所以需要要進(jìn)一步優(yōu)化。</p><p>　　圖3.5 進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)果</p><p>

71、;　　以下圖紙為靜力學(xué)分析的報(bào)告：</p><p>　　圖3.6 靜力學(xué)分析報(bào)告</p><p>　　3.2 對(duì)有擺臂限元分析要注意的事項(xiàng)</p><p>　　幾何模型的“質(zhì)量”直接影響到分析的結(jié)果。有些復(fù)雜的機(jī)械零件或者裝配體, 動(dòng)輒幾百、幾千萬(wàn)節(jié)點(diǎn)、單元,計(jì)算機(jī)的分析能力也時(shí)有限的, 用原型進(jìn)行有限元分析也時(shí)不現(xiàn)實(shí)的[3]。所以在進(jìn)行有限元分析之前要對(duì)幾何模型進(jìn)

72、行合理的簡(jiǎn)化。傳統(tǒng)的方法多采用相似性原理來(lái)簡(jiǎn)化，是對(duì)于形狀相對(duì)復(fù)雜的零件, 尤其是裝配體, 建立簡(jiǎn)化模型也很困難。模態(tài)分析為我們建立一個(gè)合理、合適的模型提供了較好的方法。用于模態(tài)分析的模型由SotidWork, 實(shí)體三維建模完成。所謂簡(jiǎn)化就是去除一些小孔、小的圓角, 小的臺(tái)階等次要特征。因?yàn)檫@些小的臺(tái)階, 小的圓角, 小的孔很容易造成網(wǎng)格化時(shí)生成畸形的網(wǎng)格, 最終導(dǎo)致有限元分析不能進(jìn)行下去。這里的“小”是一個(gè)相對(duì)的概念?！靶　笔窍鄬?duì)于整

73、個(gè)幾何模型或者裝配體模型而言。當(dāng)然, 這里的簡(jiǎn)化也要時(shí)針對(duì)分析目標(biāo)。在不影響分析目標(biāo)結(jié)果的情況下, 我們才可以合理簡(jiǎn)</p><p>　　化。至于簡(jiǎn)化后的模型是否和原型有相似的動(dòng)態(tài)特性, 可以通過(guò)對(duì)原型和模型的模態(tài)分析比較來(lái)驗(yàn)證。由于模態(tài)分析,尤其是低階模態(tài)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性影響較大, 因此通過(guò)比較模型的低階模態(tài)和原型的低階模態(tài), 一般兩者相差不超過(guò)3%就應(yīng)該認(rèn)為簡(jiǎn)化是合理的。</p><p&g

74、t;<b>　　3.2.1優(yōu)化分析</b></p><p>　　單擊“COSMOSWorks”, 新建一個(gè)算例, 算例類型選“優(yōu)化”。右鍵單擊“優(yōu)化”算例下的“目標(biāo)”, 選擇質(zhì)量最小。在設(shè)置“設(shè)計(jì)變量”前要將相關(guān)的特征尺寸顯示出來(lái)。在FeatureManager 中右鍵單擊第一個(gè)“注解”, 選擇“顯示特征尺寸”。將不相關(guān)的尺寸隱藏起來(lái), 然后把相關(guān)的尺寸重新命名。其方法是選中相關(guān)的尺寸, 右

75、鍵單擊, 選擇“屬性”, 更改尺寸的名稱。在這里要注意的是, 新建的算例也好, 尺寸的名稱也好, 最好只用英文或者英文字符( 即拼音字母) 。有時(shí)候用中文字符會(huì)造成分析的失敗。設(shè)置相關(guān)尺寸的名稱最好在分析之前完成。右鍵單擊“設(shè)計(jì)變量”, 選擇“ 添加”,然后用鼠標(biāo)選擇相關(guān)的尺寸。其他的設(shè)置按照要求完成就行了。添加約束的方法和添加設(shè)計(jì)變量的方法類似。設(shè)置完成后, 右鍵單擊“優(yōu)化”, 選擇“運(yùn)行”。本次優(yōu)化的最后結(jié)果如圖：。</p&g

76、t;<p>　　圖3.7 固晶臂優(yōu)化結(jié)果圖</p><p>　　最終的總質(zhì)量為433g, 模式1 的頻率為67.26Hz,符合開(kāi)始的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)對(duì)材料的金屬材料進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)實(shí)驗(yàn)（以下會(huì)提及）分析，在剛度越大，有助于提高固有頻率，選擇輕型，剛度大的材料進(jìn)行分析也是今后研究的方向。</p><p>　　在實(shí)踐中，經(jīng)常需要對(duì)變截面梁或變截面軸進(jìn)行動(dòng)力分析，求其橫向振動(dòng)的固有頻率

77、。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將變截面梁看成一系列集中質(zhì)量、無(wú)質(zhì)量的梁和支承一個(gè)接著一個(gè)連接而成的系統(tǒng)這種力學(xué)模型顯然是不精確的。為提高計(jì)算精度，勢(shì)必要增加分割單元的數(shù)目，則計(jì)算工作量隨之而增加。如果采用連續(xù)體力學(xué)模型來(lái)計(jì)算變截面梁橫向振動(dòng)的固有頻率，則計(jì)算精度必然大為提高。但按傳統(tǒng)的計(jì)算方法是很繁瑣的：按梁的不同剛度分段分別建立以撓度表示的高階微分方程；考慮段與段連接處內(nèi)力、變形的連續(xù)條件，求出此高階微分方程的通解；再由梁兩端邊界條件，最后求出梁自

78、由振動(dòng)時(shí)階固有頻率。求解方程過(guò)程復(fù)雜，難以編制適合于不同形狀、剛度的變截面梁求解固有頻率的通用計(jì)算機(jī)程序，不利于工程設(shè)計(jì)的應(yīng)用。</p><p>　　采用連續(xù)體作為力學(xué)模型，但提出的方法與傳統(tǒng)方法不同。傳統(tǒng)方法分析梁的橫向振動(dòng)</p><p>　　時(shí)，是求解同一種變量（撓度）表示的高階微分方程；而本研究將四種變量（撓度、轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力）作為混合變量（稱為狀態(tài)變量），它代表了梁一個(gè)截面的變

79、形和內(nèi)力的狀態(tài)。建立了以狀態(tài)變量表示的、僅為一階齊次常微分方程，形式簡(jiǎn)單，極易求解。矩陣表示了梁段兩端狀態(tài)變量的傳遞關(guān)系。它普遍適用于求解各種邊界條件下的階梯梁及帶集中質(zhì)量和彈性支承梁的橫向振動(dòng)固有頻率，具有普遍性。</p><p>　　4 固晶臂彎曲振動(dòng)固有頻率和振型函數(shù)</p><p>　　4.1 固有頻率理論研究</p><p>　?。?）鋁合金密度-ρ；楊氏

80、模量—E</p><p>　　ρ=2705kg/m^3; E= pa；。</p><p>　?。?）計(jì)算單位長(zhǎng)度質(zhì)量-ρL；截面慣性矩—Ia；</p><p><b>　　(4.1)</b></p><p>　　擺臂尺寸如圖4.1示： </p><p><b>　　圖4.1</b

81、></p><p>　　b=15;h=40;l'=233；l=260;</p><p>　?。?）第一、二、三階固有頻率（橫向，扭轉(zhuǎn)）：</p><p>　　等截面處理：橫向振動(dòng) 懸臂梁邊界條件： </p><p>　　特征方程為： (4.2)</p><p>

82、;　　固有頻率： (4.3)</p><p><b>　　振型函數(shù)為：，，</b></p><p>　　其中：前三階特征根的平方為：0.5、3.134、8.775 。</p><p><b>　　(4.4)</b>&

83、lt;/p><p><b>　　(4.5)</b></p><p><b>　　(4.6)</b></p><p><b>　　(4.7)</b></p><p>　　理論得出前三階段的固有頻率：</p><p>　　表4-1前三階段固有頻率</p&g

84、t;<p><b>　　4.2動(dòng)態(tài)分析</b></p><p>　?。?）整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以看成是一個(gè)振動(dòng)過(guò)程，求出其動(dòng)態(tài)響應(yīng)：此過(guò)程與 動(dòng)柔度、動(dòng)剛度、等有關(guān)。利用傅里葉變換、傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)將化成的形式，找出與固有頻率接近的諧頻，在頻域中求出其幅值，回答引起共振的時(shí)間及振動(dòng)幅值的問(wèn)題。</p><p>　　（2）將軸——擺臂看成是一個(gè)扭振系統(tǒng)，不考慮整個(gè)

85、運(yùn)動(dòng)過(guò)程，只考慮運(yùn)動(dòng)停止時(shí)的振動(dòng)情況，即此時(shí)的激勵(lì)為零，近似無(wú)阻尼——微振動(dòng)情況。解決問(wèn)題的初步方案：利用無(wú)阻尼、無(wú)激勵(lì)性質(zhì)，求出系統(tǒng)的振動(dòng)微分方程，求出其固有頻率，根據(jù)求解出擺臂末端位移，即末端振幅。另外有必要考慮一下單個(gè)擺臂作為懸臂梁處理的情況，及對(duì)變截面懸</p><p>　　臂梁振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，求出其固有頻率，根據(jù)求解出擺臂末端位移，即末端振幅。</p><p>　　4.3運(yùn)用分

86、析軟件對(duì)擺臂進(jìn)行模態(tài)分析</p><p>　　4.3.1懸臂梁彎曲振動(dòng)模態(tài)分析具體步驟</p><p>　　懸臂梁彎曲振動(dòng)模態(tài)分析具體步驟如下：</p><p><b>　?。?）進(jìn)入動(dòng)態(tài)分析</b></p><p><b>　　圖4.2 動(dòng)態(tài)分析</b></p><p>　

87、?。?）劃分網(wǎng)格以及添加材料，</p><p>　?。?）定義實(shí)常數(shù)： </p><p>　　Preprocessor Real Constants</p><p>　?。?）定義梁的面積、慣性矩和高度 </p><p><b>　?。?）定義截面屬性</b></p><p>　　Preproc

88、essor Sections Beam Common Sections 。</p><p>　　擺臂前三階振型理論與數(shù)值結(jié)果基本一致。</p><p>　　電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的頻率為f=27.77HZ.遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到共振的頻率。分析軟件模擬出來(lái)在27HZ.附近的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如圖所示：</p><p><b>　　圖4.3 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)</b><

89、/p><p>　　擺動(dòng)的幅度在2%，在可控范圍內(nèi)。所以符合預(yù)期。</p><p>　　下圖為在固有頻率近的擺動(dòng)狀況：</p><p><b>　　圖4.4 擺動(dòng)狀況</b></p><p>　　盡可能的提高擺臂的固有頻率，使運(yùn)動(dòng)頻率與機(jī)器的固有頻率差距變大，遠(yuǎn)離共振區(qū)域，防止發(fā)生共振。</p><p>

90、;<b>　　4.4扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析</b></p><p><b>　　扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的分析：</b></p><p><b>　　(4.8)</b></p><p><b>　　(4.9)</b></p><p><b>　　表4-2 固有頻率<

91、/b></p><p>　　4.5 運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析</p><p>　　根據(jù)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的分析，按照激振力為周期160ms，將激振力F（t）以周期函數(shù)的形式給出得出運(yùn)動(dòng)的大致函數(shù)圖象22：</p><p>　　圖4.5擺臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程</p><p>　　5 固晶臂的變截面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究</p><p>　　5 固晶臂的變

92、截面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究</p><p>　　5.1擺臂的長(zhǎng)度問(wèn)題研究</p><p>　　軸-臂扭振系統(tǒng)分析：</p><p><b>　　忽略軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，</b></p><p><b>　　圖5.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量</b></p><p>　　J=0.002kg/m^2)</

93、p><p>　　(軸原長(zhǎng)260mm是大約一半的長(zhǎng)度并非懸伸，故此處取其一半長(zhǎng)度，即l=130)。</p><p><b>　　振動(dòng)微分方程為：；</b></p><p><b>　　(5.1)</b></p><p><b>　　(5.2)</b></p><p

94、><b>　　由此得出：</b></p><p>　　軸長(zhǎng)越小剛度越大，有助于提高固有頻率；擺臂越短，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，有助于提高固有頻</p><p><b>　　率。</b></p><p>　　5.2 不同質(zhì)量的有限元分析研究</p><p>　　相同結(jié)構(gòu)的擺臂，如果質(zhì)量屬性不同，在同一頻率

95、的振動(dòng)下，擺動(dòng)的狀態(tài)也不一樣。</p><p>　　如圖結(jié)構(gòu)的梁，其固有頻率的計(jì)算如下</p><p><b>　　圖5.2 梁</b></p><p>　　， (5.3)</p><p><

96、b>　　(5.4)</b></p><p>　　其中越大即質(zhì)量越大，其固有頻率越小。由于一般的的振動(dòng)頻率都低于產(chǎn)品的固有頻率，降低固有頻率會(huì)導(dǎo)致機(jī)器的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率接近固有頻率，產(chǎn)生共振。所以降低質(zhì)量會(huì)提高擺臂的固有頻率。但是不同的金屬的剛度不盡相同，一般密度大的剛度強(qiáng)。但是新型金屬材料的應(yīng)用如鈦合金，納米合金，碳合金等產(chǎn)品，密度小，剛度大，是本文研究采用的金屬。運(yùn)用CATIA分析軟件，采用不同的金屬

97、材料在同一頻率下進(jìn)行分析驗(yàn)證擺臂的對(duì)產(chǎn)品的影響。</p><p><b>　　鋁合金材料的分析。</b></p><p>　　圖5.3 合金鋼度材料的分析：</p><p>　　考慮經(jīng)濟(jì)型最終選取鋁合金材料的擺臂作為接下來(lái)的研究。</p><p>　　5.3研究變截面擺臂的分析</p><p>　

98、　以上研究已得知，擺臂的質(zhì)量越小，固有頻率越高。現(xiàn)在通過(guò)研究擺臂的結(jié)構(gòu)問(wèn)題來(lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在同一金屬材料下，降低它的質(zhì)量是關(guān)鍵，可以采取剛度不受影響的情況下選擇去處材料。有限元靜態(tài)分析，擺臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)力集中分布現(xiàn)象，采取在應(yīng)力不集中區(qū)域剔出材料，如選擇打工藝孔，在非核心受力區(qū)打凹槽處理。</p><p>　　下圖為對(duì)比分析的不同尺寸去除材料的受力分析圖：</p><p>　　圖5.4

99、 厚度為1mm的頻率模態(tài)分析</p><p>　　圖 5.5 厚度為3mm的受力分析</p><p>　　經(jīng)過(guò)對(duì)比，厚度為1的固有頻率較厚度為三的頻率要低，同時(shí)由于厚度1mm的震動(dòng)幅度過(guò)大，導(dǎo)致擺臂在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)疲勞受損。經(jīng)過(guò)多次對(duì)比研究，最終選擇：經(jīng)過(guò)對(duì)不同的工藝孔 ，凹槽應(yīng)力分析最終選取 厚度為3m，深度為12mm，工藝孔如圖： </p><p>　　圖5.

100、6 擺臂工藝孔</p><p><b>　　設(shè)計(jì)圖紙如下：</b></p><p>　　圖5.7 擺臂設(shè)計(jì)圖</p><p>　　6 創(chuàng)新點(diǎn)以及遇到的問(wèn)題</p><p>　　6.1 本課題的創(chuàng)新點(diǎn)</p><p>　　本課題著眼于解決企業(yè)中的實(shí)際工程問(wèn)題，落腳點(diǎn)在于解決半導(dǎo)體制造裝備中高速度與高

101、精度之間的矛盾，由于這一矛盾一直沒(méi)有得到很好的解決，國(guó)內(nèi)幾乎沒(méi)有廠家或者學(xué)者對(duì)這一矛盾進(jìn)行深入地研究，因此本課題的提出本身就是一大創(chuàng)新之舉。在這個(gè)大的創(chuàng)新背景之下還有如下幾點(diǎn)創(chuàng)新之處：</p><p>　　（1）采用以優(yōu)化驅(qū)動(dòng)分析方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的分析與優(yōu)化集成的功能；</p><p>　?。?）傳統(tǒng)的有限元分析方法是已知質(zhì)量分布求其受力情況等的分析，而本課題是以質(zhì)量作

102、為約束來(lái)解其分布的逆命題；</p><p>　　6.2 已有的工作條件和出現(xiàn)的問(wèn)題</p><p>　　6.2.1已有的工作條件</p><p>　　有必要介紹一款功能強(qiáng)大的軟件——OPTIMUS，OPTIMUS作為多學(xué)科的仿真集成平臺(tái)，能夠集成并自動(dòng)化用戶的多學(xué)科仿真分析流程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)-修改-再分析自動(dòng)化，能應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法（至少包括試驗(yàn)設(shè)計(jì)、敏感度分析、響應(yīng)面建

103、模、參數(shù)優(yōu)化、參數(shù)識(shí)別、可靠性設(shè)計(jì)、魯棒性設(shè)計(jì)）實(shí)現(xiàn)綜合優(yōu)化和自動(dòng)化分析。</p><p>　　軟件涉及的學(xué)科包括幾何造型、結(jié)構(gòu)分析、計(jì)算流體力學(xué)、控制、動(dòng)力學(xué)、沖擊碰撞、震動(dòng)噪聲和疲勞等領(lǐng)域。要求能夠集成這些學(xué)科所涉及到的CAD/CAE 商用軟件、以及用戶自開(kāi)發(fā)的（基于C/C++、Visual Basic、Fortran、Java以及其他編程語(yǔ)言）的程序代碼。OPTIMUS 具備形成完整的集成優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合環(huán)境，

104、能夠很方便地集成已有的成熟仿真工作流程并且自動(dòng)運(yùn)行。OTIMUS建立的工作流應(yīng)能作為模板保存使用。工作流的管理可以定制，并支持遠(yuǎn)程調(diào)用和基于計(jì)算機(jī)集群的并行運(yùn)行方式，充分利用硬件資源，提升運(yùn)行速度。OPTIMUS 的集成優(yōu)化能力及可靠性經(jīng)過(guò)十年以上業(yè)界工程驗(yàn)證，達(dá)到通用商業(yè)化工程軟件水平，在國(guó)內(nèi)外有廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　OPTIMUS具備強(qiáng)大的設(shè)計(jì)優(yōu)化能力，內(nèi)置經(jīng)多年驗(yàn)證的企業(yè)級(jí)優(yōu)化算法庫(kù)，幫助用戶解

105、決各種優(yōu)化問(wèn)題。包括單目標(biāo)優(yōu)化、多目標(biāo)優(yōu)化、局部?jī)?yōu)化、全局優(yōu)化、連續(xù)量?jī)?yōu)化、離散量?jī)?yōu)化、參數(shù)標(biāo)定等。各種優(yōu)化算法的參數(shù)設(shè)置直觀、簡(jiǎn)潔，并有完整的幫助文檔對(duì)各種算法及其參數(shù)設(shè)置進(jìn)行解釋。</p><p>　　另外，OPTIMUS提供多學(xué)科軟件集成的平臺(tái)，具有集成商用CAD/CAE軟件的通用接口，如UG、Pro/Engineer、CATIA、SolidWorks、PATRAN、NASTRAN、ADAMS、ANSYS、

106、ABAQUS、MATLAB/Simulink、dSPACE、AMESIM、Star-CD、FLUENT、LS-DYNA、ANSA、MADYMO 等。</p><p>　　此軟件給以后的類似的研究提供了一個(gè)參考。</p><p>　　6.2.2 出現(xiàn)的問(wèn)題</p><p>　　出現(xiàn)的問(wèn)題在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面可能會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)閷W(xué)校及公司暫無(wú)比較高端的實(shí)驗(yàn)室及儀器能夠?qū)?yōu)化固晶臂

107、的性能進(jìn)行測(cè)試及與優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)較實(shí)驗(yàn)。</p><p><b>　　小結(jié)</b></p><p>　　長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)的半導(dǎo)體制造設(shè)備研發(fā)一直局限于對(duì)國(guó)際主流機(jī)型的被動(dòng)跟隨模仿，研究工作停留在使用現(xiàn)有模塊快速集成組裝為整機(jī)的表面層次，缺乏對(duì)設(shè)備共性核心技術(shù)的持續(xù)深入研究。共性核心技術(shù)的欠缺已經(jīng)成為導(dǎo)致我國(guó)微電子制造裝備業(yè)與國(guó)際主流水平巨大差距的重要因素之一。打破具體設(shè)備的

108、界限對(duì)運(yùn)動(dòng)控制等共性核心技術(shù)進(jìn)行集中深入的研究是目前實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)微電子制造裝備行業(yè)跨越式發(fā)展十分緊迫的任務(wù)。</p><p>　　新型的半導(dǎo)體封裝設(shè)備等對(duì)機(jī)械部件的要求集中體現(xiàn)在對(duì)精度和速度同時(shí)的超高要求上。在設(shè)備設(shè)計(jì)中精度和速度上的要求是一對(duì)難以調(diào)和的矛盾。精度上的要求必然要減小設(shè)備的運(yùn)行速度，速度的提高也一定會(huì)降低精度的指標(biāo)。因此對(duì)精度和速度同時(shí)的超高要求是半導(dǎo)體封裝設(shè)備等設(shè)備的開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)難點(diǎn)。</p&

109、gt;<p>　　前人也對(duì)LED粘片機(jī)的核心部件——固晶臂做了研究，但是只局限于簡(jiǎn)單的靜力學(xué)分析，大部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成，這大大阻礙了作為極端制造技術(shù)在LED封裝領(lǐng)域的發(fā)展。</p><p>　　全自動(dòng)LED粘片機(jī)屬于新一代的半導(dǎo)體封裝設(shè)備，它對(duì)運(yùn)動(dòng)指標(biāo)的極限要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了一般運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的能力范疇。現(xiàn)在對(duì)LED封裝設(shè)備提出的要求是每小時(shí)固晶18000次以上，也就是說(shuō)每秒鐘固晶臂來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)5次

110、以上，固晶壁的末端的加速度是很大的，而且要有很好的起、停特性。針對(duì)這類設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究也在廣度和深度上大大超出一般意義上的運(yùn)動(dòng)控制。不再局限于常規(guī)的運(yùn)動(dòng)控制器和運(yùn)動(dòng)控制算法，而是同等地涉及到作為完整運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的有機(jī)組成部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電機(jī)/驅(qū)動(dòng)以及控制器/算法。</p><p>　　本文主要在機(jī)械結(jié)構(gòu)上做相應(yīng)的研究，以下是以機(jī)械結(jié)構(gòu)為背景所作的分析。高精度的要求需要設(shè)備具有在高速運(yùn)動(dòng)下抵抗振動(dòng)的極大剛度，通常

111、對(duì)應(yīng)著厚重的機(jī)械結(jié)構(gòu)；而極高的速度要求又必需輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)以便盡量減輕負(fù)載。因此對(duì)高精度和高速度的要求促使機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向兩個(gè)截然相反的方向發(fā)展，存在著本質(zhì)的矛盾。這也正是新型半導(dǎo)體封裝設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的困難和挑戰(zhàn)所在。</p><p>　　新型半導(dǎo)體封裝設(shè)備的送料機(jī)構(gòu)，也就是固晶機(jī)構(gòu)是設(shè)備的核心部件，其機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要在保證精度所需的結(jié)構(gòu)剛度的前提下，盡量減少移動(dòng)件的重量以提高速度。更為重要的是，新型半導(dǎo)體封裝設(shè)備的

112、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了常規(guī)的幾何形狀/公差、負(fù)載及應(yīng)力/應(yīng)變等靜態(tài)指標(biāo)而必須深入考慮共振頻率和模態(tài)形狀等動(dòng)態(tài)因素。</p><p>　　當(dāng)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)處在高速運(yùn)動(dòng)所需的極高加速度之下時(shí)，產(chǎn)生加速度的驅(qū)動(dòng)力和相應(yīng)的反作用力極易激發(fā)機(jī)械結(jié)構(gòu)的共振模態(tài)，使得在低速條件下完全剛性的結(jié)構(gòu)顯示出顯著的柔性，產(chǎn)生大幅的振動(dòng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)在高速運(yùn)動(dòng)下的柔性使系統(tǒng)的非線性顯著增加，導(dǎo)致基于系統(tǒng)線性模型的常規(guī)控制方法有效性下降。這

113、些都極大地影響設(shè)備的性能。設(shè)備的研制急需建立一套系統(tǒng)、完整的在空間尺寸、負(fù)載等約束條件下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到抗振能力等動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)并為運(yùn)動(dòng)控制策略和算法提供實(shí)用依據(jù)的有效、可行的方法。針對(duì)設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的高速動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題，需要進(jìn)行下面三個(gè)方面的研究。</p><p>　　首先進(jìn)行針對(duì)柔性多體結(jié)構(gòu)的數(shù)值方法建模和分析，建立一套準(zhǔn)確、高效、可行的設(shè)備典型運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的仿真方法。設(shè)備受激產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)不僅取決于其中單

114、個(gè)零件本身的柔性模態(tài)，很大程度上還決定于零件間導(dǎo)軌等界面的交互作用，整個(gè)結(jié)構(gòu)在高速運(yùn)動(dòng)下</p><p>　　成為柔性多體動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。這種情況下復(fù)雜的柔性模態(tài)及邊界和約束條件使對(duì)系統(tǒng)整體的建模和分析十分困難，對(duì)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的整體優(yōu)化及有效控制提出了極大的挑戰(zhàn)。目前有限元等方法對(duì)物體間界面力學(xué)交互作用（赫茲接觸壓力、接觸/脫離判斷等）這樣的非線性行為的分析都局限在時(shí)間域，而模態(tài)分析等頻率域仿真則完全基于線性理論的

115、前提。因此物體間非線性界面力學(xué)的理論無(wú)法應(yīng)用到結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析中。在實(shí)際建模分析中必須在有限元頻率域理論允許的范圍內(nèi)策略地處理結(jié)構(gòu)中零件間界面的交互作用。一般情況下零件間界面分兩種情況處理：采用剛性連接的零件之間直接融為一體，不考慮界面的交互作用；導(dǎo)軌等界面簡(jiǎn)化為與每個(gè)滾動(dòng)體對(duì)應(yīng)的高剛度壓縮彈簧，這一簡(jiǎn)化對(duì)于通常的導(dǎo)軌在預(yù)壓下進(jìn)入線性彈性變形區(qū)的情況是有效的，準(zhǔn)確的彈簧剛度需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲得。基于有限元方法的結(jié)構(gòu)模態(tài)理論模型必須與