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論文[帶圖紙]

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文研究了如何提高全自動(dòng)LED固晶機(jī)的擺臂的工作效率的機(jī)構(gòu)設(shè)置，以及對(duì)影響擺臂固有頻率的因素進(jìn)行分析研究。運(yùn)用三維分析軟件以及實(shí)驗(yàn)對(duì)不同影響因素下擺臂的振動(dòng)進(jìn)行研究，分別就影響因素下的擺臂進(jìn)行振動(dòng)分析，得出最佳的設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　根據(jù)擺臂的運(yùn)動(dòng)需要，選擇滿足條件的電機(jī)以及各連接部件，并對(duì)關(guān)

2、鍵運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行受力分析計(jì)算，從而為擺臂的運(yùn)動(dòng)提供有效的保障。</p><p>　　復(fù)合運(yùn)動(dòng)的擺臂采用多電機(jī)帶動(dòng)，在控制系統(tǒng)的操作下，為擺臂運(yùn)動(dòng)提供有效地保證。對(duì)擺臂固有頻率的不同影響因素分別進(jìn)行研究，得出這些因素對(duì)擺臂振動(dòng)的影響范圍。</p><p>　　關(guān)鍵詞：固有頻率 ；一介頻率 ； 振動(dòng)分析 ；復(fù)合運(yùn)動(dòng)</p><p><b>　　Abstract&

3、lt;/b></p><p>　　This research studied the swimming arm of automatic LED solid crystal machine of structural equipment which can improve the working efficiency ,as well as analyzed the influenced factors o

4、f the natural frequency of the swing arm three-dimensional analysis software and experiments were used to analyse the vibration of the swing arm in different factors ,with the result ,this reaseach achieve the best desi

5、gn plan. </p><p>　　According to the need of swing arm movement,select the suitable electrical machine and the interconnecting pieces.Key moving parts were calculated and analysied to provide effective protec

6、tion for swing arm</p><p>　　Compound movement of the arm is drived by the motors, and the control system ensure the accuracy and efficiency of the complicated movement of the arm. Different affecting factors

7、 are reaseached respectively to observe the natural frequency and vibration range of the arm</p><p>　　Key words: Inherent frequency ; The humble frequency; Vibration analysis; Compound movement</p>&l

8、t;p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘 要錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　目 錄2</b></p><p>　　1緒論錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　1.1 引言1</b></p><p>

9、;　　1.2 課題來(lái)源2</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r4</p><p>　　1.3.1 國(guó)內(nèi)LED封裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r4</p><p>　　1.3.2全自動(dòng)LED粘片機(jī)的國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r4</p><p>　　1.3.3國(guó)內(nèi)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r4</p><p>　　

10、1.3.4 發(fā)展方向與前景4</p><p>　　1.4 全自動(dòng)LED粘片機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及工作原理5</p><p>　　1.4.1 LED封裝工藝流程簡(jiǎn)述6</p><p>　　1.5 本文研究的內(nèi)容7</p><p>　　1.6 本文研究的目的與意義7</p><p>　　2 LED粘片機(jī)芯片取放機(jī)構(gòu)的

11、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.1 機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.2連接設(shè)備的設(shè)計(jì)6</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7</p><p>　　2.3.1 時(shí)間分配7</p><p>　　2.3.2慣量系統(tǒng)8</p><p>　　2.4電機(jī)的

12、選擇11</p><p>　　2.4.1電機(jī)加速度的選擇11</p><p>　　2.4.2 電機(jī)選擇設(shè)計(jì)方案9</p><p>　　3 固晶臂的研究分析16</p><p>　　3.1固晶臂靜力學(xué)分析16</p><p>　　3.1.1有限元分析的工具17</p><p>　　3.

13、1.2擺臂靜力學(xué)分析17</p><p>　　3.2 對(duì)有擺臂限元分析要注意的事項(xiàng)20</p><p>　　3.2.1優(yōu)化分析19</p><p>　　4 固晶臂彎曲振動(dòng)固有頻率和振型函數(shù)23</p><p>　　4.1 固有頻率理論研究23</p><p>　　4.2動(dòng)態(tài)分析24</p>&

14、lt;p>　　4.3運(yùn)用分析軟件對(duì)擺臂進(jìn)行模態(tài)分析25</p><p>　　4.3.1懸臂梁彎曲振動(dòng)模態(tài)分析具體步驟25</p><p>　　4.4扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析26</p><p>　　4.5 運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析27</p><p>　　5 固晶臂的變截面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究28</p><p>　　5.1擺臂的長(zhǎng)度

15、問(wèn)題研究28</p><p>　　5.2 不同質(zhì)量的有限元分析研究31</p><p>　　5.3研究變截面擺臂的分析29</p><p>　　6 創(chuàng)新點(diǎn)以及遇到的問(wèn)題34</p><p>　　6.1 本課題的創(chuàng)新點(diǎn)34</p><p>　　6.2 已有的工作條件和出現(xiàn)的問(wèn)題34</p>&l

16、t;p>　　6.2.1已有的工作條件34</p><p>　　6.2.2 出現(xiàn)的問(wèn)題34</p><p><b>　　小結(jié)34</b></p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　參考文獻(xiàn)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　1.1 引言&l

17、t;/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)3

18、00mm，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。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

19、><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><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)。&l

20、t;/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)

21、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

22、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。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

23、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><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

24、）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

25、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)品開發(fā)等倆各個(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

26、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-led, 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

27、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)還屬于開發(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

28、，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)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

29、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15

30、0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><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，

31、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

32、一體化等多門學(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)而展開的。</p><p>　　LED粘片機(jī)的主要機(jī)構(gòu)如下圖1.1所示：</p><p>　　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)

33、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，由上圖可見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

34、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

35、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

36、機(jī)太溫度為170-220攝氏度 單線:220度 雙線:180度</p><p>　　②焊線拉力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。&l

37、t;/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一點(diǎn)便于固晶。 　　</p><p>　?、诠叹?，在支架底部點(diǎn)上導(dǎo)電/不導(dǎo)電的膠水(導(dǎo)電與否視晶片是上下型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>　?、鄱炭荆屇z水固化焊線時(shí)晶片

38、不移動(dòng)。 　　</p><p>　?、芎妇€，用金線把晶片和支架導(dǎo)通。 　　</p><p>　　⑤前測(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><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)。 　　</

39、p><p>　?、岱止夥稚?，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>　　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><

40、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

41、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)

42、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&

43、gt;　　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 </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

44、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。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>　

45、　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>　　圖2.2 連接銷</b></p><p>　??；

46、 （2.1）</p><p>　?。?（2.2）</p><p>　　若傳遞功率單位為馬力（PS)時(shí), 由于PS=735.5N·m/s；</p><p><b>　??；滿足扭矩要求，</b>

47、;</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，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><

48、p><b>　　（2.4）</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</p><p>　　共160ms(reference)；</p><p><b>　　表2-1時(shí)

49、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><p><b>　　10</b></p><p><b>　　1717&l

50、t;/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><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)

51、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)慣量的生成及疊加：</p><p>　　擺臂：J1=0.00284569 kg. m2；</p><p>

52、　　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：J5=0.000003562 kg.m2；</p><p>　　法蘭2：J6=0.00001356 kg.m2；</

53、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><p>　　總的負(fù)載慣量為：J負(fù)載=J折算=0.002921692kg.m2</p><p><b&

54、gt;　　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)4

55、5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）</p><p>　　,,因此其平均角加速度</p><p><b>　?。?.6）</b&g

56、t;</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

57、 （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 （2.9）</p><p><b>　　負(fù)載功率，</b></p>

58、;<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>　　（1）用多項(xiàng)式求解電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)</p><p><b>　　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>&l

59、t;/p><p>　　Maximun values</p><p><b>　　旋轉(zhuǎn)電機(jī)：</b></p><p><b>　　（2.10）</b></p><p><b>　　每分鐘轉(zhuǎn)速為：</b></p><p>　　電機(jī)最大負(fù)載力矩為： （

60、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)</b></p><p>　　Maximun values</p><p>　?。?）旋轉(zhuǎn)

61、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>　??； </b></p><p><b>　　；</b></p><p

62、>　　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>　　（3）計(jì)算負(fù)載慣量及慣量比</p><p>　　=+J9=0.002075966+0.000006608 =0.002024901kg.m^2</p><p&

63、gt;　　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 3.0kw[低慣量 中容量]</p><p>　　轉(zhuǎn)子慣量——（無(wú)制動(dòng)器）</p><p><

64、;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>　?。?）計(jì)算轉(zhuǎn)速：</b></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.

65、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^2)</p><p><b>　　(2.17)</b></p><p>&l

66、t;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>　　<47.7Nm(瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩)</p><p>　　≈1.6kw<3kw (2.19

67、)</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>　　（6）直線電機(jī)的選擇。</p><p>　　①確定機(jī)構(gòu)部件：定子，電機(jī)直連機(jī)構(gòu)。擺動(dòng)臂。</p><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>　?、塾?jì)算負(fù)載慣量及慣量比：&l

68、t;/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+0.00006514=0.002990041kg.m^2</p><p><b>　　vmax== ;</b>&

69、lt;/p><p><b>　　amax==; </b></p><p><b>　　jmax==;</b></p><p>　　電機(jī)最大負(fù)載力矩為：；</p><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.

70、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)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

71、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)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

72、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)中常見的是連接套與擺臂相連，也有三段的連接體，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)，

73、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><

74、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So

75、lidWorks、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

76、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>　?。跭］×｛u｝=｛F｝ （1）</p><p>　　［K］×｛u｝＝｛Fa｝+｛F r｝ （

77、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)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>

78、;　　｛εe｝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>

79、<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

80、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><

81、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

82、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)

83、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)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

84、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781

85、r/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)果如下圖3.4所示</p><p><b>　　圖3.4 位移結(jié)果</b></p>&l

86、t;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>　　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>　

87、　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)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

88、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><

89、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><b>　　3.2.1優(yōu)化分析</b></p><p>　　單擊“COSMOSWorks”, 新建

90、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

91、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><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

92、.26Hz,符合開始的設(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。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

93、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>

94、<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

95、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；楊氏模量—E</p><p>　　ρ=2705kg/m^3; E= pa；。</p><p>　　（2）

96、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></p><p>　　b=15;h=40;l'=233；l=260;</p><p>

97、;　?。?）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>　　固有頻率： (4.3)</p

98、><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></p><p><b>　　(4.5)</b></p><p><b&g

99、t;　　(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><p><b>　　4.2動(dòng)態(tài)分析</b></p><p>　?。?）整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程可

100、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)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

101、，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&g

102、t;　　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>　?。?）劃分網(wǎng)格以及添加材料，</p><p>　?。?）定義實(shí)常數(shù)： </p><p>　　Pre

103、processor 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>　　Preprocessor Sections Beam Common Sections 。</p><p>　　擺臂前三階振型理論與數(shù)

104、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></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

105、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><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：<

106、;/b></p><p><b>　　(4.8)</b></p><p><b>　　(4.9)</b></p><p><b>　　表4-2 固有頻率</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

107、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

108、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)</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><

109、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><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

110、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&g

111、t;<b>　　圖5.2 梁</b></p><p>　　， (5.3)</p><p><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

112、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>

113、;</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>　　以上研究已得知，擺臂的質(zhì)量越小，固有頻率越高?，F(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

114、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 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>

115、;　　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5.6 擺臂工藝孔</p><p><b>　　設(shè)計(jì)圖紙如下：</b></p><p&

116、gt;　　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

117、的創(chuàng)新背景之下還有如下幾點(diǎn)創(chuàng)新之處：</p><p>　?。?）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>　　（2）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>