led粘片機芯片取放機構的結構設計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LED固晶機的擺臂的工作效率的機構設置，以及對影響擺臂固有頻率的因素進行分析研究。運用三維分析軟件以及實驗對不同影響因素下擺臂的振動進行研究，分別就影響因素下的擺臂進行振動分析，得出最佳的設計方案。</p><p>　　根據擺臂的運動需要，選擇滿足條件的電機以及各連接部件，并對關

2、鍵運動部件進行受力分析計算，從而為擺臂的運動提供有效的保障。</p><p>　　復合運動的擺臂采用多電機帶動，在控制系統(tǒng)的操作下，為擺臂運動提供有效地保證。對擺臂固有頻率的不同影響因素分別進行研究，得出這些因素對擺臂振動的影響范圍。</p><p>　　關鍵詞：固有頻率 ；一介頻率 ； 振動分析 ；復合運動</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 要錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　目 錄2</b></p><p>　　1緒論錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　1.1 引言1</b></p><p>

9、;　　1.2 課題來源2</p><p>　　1.3 LED課題背景——封裝技術的國內外發(fā)展狀況4</p><p>　　1.3.1 國內LED封裝產業(yè)的發(fā)展狀況4</p><p>　　1.3.2全自動LED粘片機的國外發(fā)展狀況4</p><p>　　1.3.3國內LED產業(yè)的發(fā)展狀況4</p><p>　　

10、1.3.4 發(fā)展方向與前景4</p><p>　　1.4 全自動LED粘片機的主要結構及工作原理5</p><p>　　1.4.1 LED封裝工藝流程簡述6</p><p>　　1.5 本文研究的內容7</p><p>　　1.6 本文研究的目的與意義7</p><p>　　2 LED粘片機芯片取放機構的

11、結構設計6</p><p>　　2.1 機構的整體設計6</p><p>　　2.2連接設備的設計6</p><p>　　2.3運動的時間分配以及電機負載慣量分析7</p><p>　　2.3.1 時間分配7</p><p>　　2.3.2慣量系統(tǒng)8</p><p>　　2.4電機的

12、選擇11</p><p>　　2.4.1電機加速度的選擇11</p><p>　　2.4.2 電機選擇設計方案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擺臂靜力學分析17</p><p>　　3.2 對有擺臂限元分析要注意的事項20</p><p>　　3.2.1優(yōu)化分析19</p><p>　　4 固晶臂彎曲振動固有頻率和振型函數23</p><p>　　4.1 固有頻率理論研究23</p><p>　　4.2動態(tài)分析24</p>&

14、lt;p>　　4.3運用分析軟件對擺臂進行模態(tài)分析25</p><p>　　4.3.1懸臂梁彎曲振動模態(tài)分析具體步驟25</p><p>　　4.4扭轉振動分析26</p><p>　　4.5 運動過程分析27</p><p>　　5 固晶臂的變截面優(yōu)化設計研究28</p><p>　　5.1擺臂的長度

15、問題研究28</p><p>　　5.2 不同質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)新點以及遇到的問題34</p><p>　　6.1 本課題的創(chuàng)新點34</p><p>　　6.2 已有的工作條件和出現的問題34</p>&l

16、t;p>　　6.2.1已有的工作條件34</p><p>　　6.2.2 出現的問題34</p><p><b>　　小結34</b></p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p>　　參考文獻錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　1.1 引言&l

17、t;/b></p><p>　　LED粘片機是集機、光、電、氣于一體的高速度、高精度、高智能化的設備，也是LED生產過程中的關鍵設備，其性能直接影響到所生產LED的性能、生產效率和產品的合格率。全自動LED粘片機是由上料機構、出料機構、點漿機構、送料機構、晶圓芯片供送系統(tǒng)、刺晶系統(tǒng)、粘片機構及電氣控制系統(tǒng)、圖像識別系統(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3

18、00mm，晶圓進一步經過劃片、擴晶后，單個的芯片便以行列的形式粘覆在一個膠膜上，為便于拾取芯片，常用一個特制的圓環(huán)將膠膜繃緊固定。晶圓芯片供送系統(tǒng)即是一個用于連接此晶圓固定圓環(huán)，可在x，y平面內精密移動的工作臺。它的主要功能是將晶圓上排列地芯片逐行逐列的送到CCD標定（ 吸晶、刺晶）位置處。晶圓供送裝置要求各運動件剛度高，相互摩擦小，配合精度高，能夠滿足小步距、大行程的要求，且具有微調和裝卸方便的特點。</p><p

19、><b>　　1.2 課題來源</b></p><p>　　“失去制造，失去未來”的認識如今已成為全球的共識，在21世紀的國力競爭中，發(fā)達國家將制造列為戰(zhàn)略發(fā)展的優(yōu)先領域，搶占制造技術的制高點更是各國的戰(zhàn)略必爭。</p><p>　　中國是個制造大國正在向制造強國轉變，在微電子行業(yè)無論是消費市場還是裝備制造基地都在向中國轉移，中國正在成為制造大國和消費大國。&l

20、t;/p><p>　　微電子技術經過半個多世紀的發(fā)展，在其產業(yè)內部形成了自己特有的產業(yè)分工：材料制備、前道工藝和后道工藝。作為微電子技術發(fā)展的基礎，材料制備早就發(fā)展的比較成熟，而在信息技術、控制技術等新技術的發(fā)推動下，前道工藝的相關技術也如日中天，日漸成熟，例如晶元的不斷擴大等。但相比較而言微電子制造的后道工藝技術才剛剛起步，或者說相對而言發(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研究和改進，以適應

21、當今世界對微電子產品的需求。</p><p>　　在半導體封裝領域，LED制造技術具有獨特的代表性。其中LED封裝工藝屬于后道工藝，LED的固晶過程（又稱粘片過程）在封裝工藝中占有極其重要的地位。目前而言國內的廠家所用的設備大部分都來自國外，LED固晶技術及設備幾乎被國外所壟斷，國內廠家即使能仿制一些型號的產品，但是精度不急國外產品的二分之一。但慶幸的是這項技術也還在發(fā)展中，如果加以足夠深度的研究完全可以打破國外

22、的壟斷。</p><p>　　在對微電子制造技術做出簡單分析之后即可知道，作為極端制造技術的分支，微電子制造技術存在著高效、高速與精密之間不可調和的矛盾，LED封裝同樣面臨此問題。要解決此問題必須對LED封裝設備，即現在市場主流產品——全自動LED粘片機作深入的研究。經研究發(fā)現芯片拾取機構，即固晶臂在整個粘片工作過程伴隨著高速、高效、精密的特點，它是全自動LED粘片機的核心部件，也是LED粘片機的設計關鍵所在，還

23、是解決 “高速”和“精密”這對矛盾的關鍵所在。本課題來源于工程實際，以LED封裝著眼于解決企業(yè)中的實際工程問題，落腳點在于解決半導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——封裝技術的國內外發(fā)展狀況</p><p>　　1.3.1 國內LED封裝產業(yè)的發(fā)展狀況</p><p>　　半導體照明技術采用半導體發(fā)光二級管（LED

24、）作為新光源。在同樣的亮度下，半導體燈的耗電量僅為普通白熾燈的1/10，而壽命卻可延長100倍。此外，由于LED的光譜中只有少量的紫外線或紅外線，半導體燈輻射很低，熱量很小，而且廢棄物可以回收，無污染，被稱為綠色光源。因此近年來，美國、日本、韓國、歐盟等國家和地區(qū)都在制定相關的發(fā)展計劃以搶占半導體照明產業(yè)的制高點。</p><p>　　半導體照明也引起了我國相部門的高度重視。由科技部，信息產業(yè)部等6部委和14個地

25、方政府共同實施的“國家半導體照明工程”相關項目已經正式啟動。另外國家還設立了“半導體照明產業(yè)化技術開發(fā)專項”，以產業(yè)化為目標，解決市場急需半導體照明應用產品低成本產業(yè)化技術，培育新型大功率半導體照明產業(yè)，重點在大功率、高亮度半導體發(fā)光體芯片制造及封裝產業(yè)化，照明系統(tǒng)技術及重大應用產品開發(fā)等倆各個方面。</p><p>　　我國LED封裝產業(yè)發(fā)展較快，目前從業(yè)企業(yè)已超過400多家，封裝能力超過200億只，預計在今后

26、我國在LED封裝產業(yè)中要占全球市場的70%左右，封裝規(guī)模生產線及設備的需求將會劇增。但我國的封裝產業(yè)中存在很多問題，一是企業(yè)雖有所增多但生產線規(guī)模很小，還有很大一部分企業(yè)是手工或者說半自動生產作業(yè)，產量也有限；二是產業(yè)綜合競爭力不強產品都集中在傳統(tǒng)支架式LED且主要是低端產品，在chip-led, top-led, power-led, high power-led領域幾乎不成規(guī)模，三是主要封裝設備像全自動粘片機、引線焊接機測試機、編帶

27、機等幾乎全部依賴進口，即使有一小部分企業(yè)在做封裝設備的研究，但是主要還是通過測繪國外儀器進行復制，精度差，效率低；四是LED照明需要高效率低成本大功率的LED產品，目前而言我國的封裝技術及設備發(fā)展水平還不是很高。</p><p>　　目前國產設備領域LED粘片機還屬于開發(fā)研究的初期階段，各廠家都在使用ASM的產品或者是仿制的ASM的全自動粘片機，設備昂貴，企業(yè)壓力大。但是近年來也有不少單位、企業(yè)在這方面做出了努力

28、，為LED封裝產業(yè)做出了一定的貢獻，比如四十五所也能獨立自主的生產高水平的全自動粘片機；另外在廣州深圳等地方也有幾家企業(yè)能夠獨立自主的研發(fā)相關設備。</p><p>　　1.3.2全自動LED粘片機的國外發(fā)展狀況</p><p>　　國外全自動LED粘片機的主要生產廠家是位于新加坡的ASM公司，另外我國的香港，馬來西亞也有ASM的分公司。其生產的AD809、AD809-03、AD8930等

29、機型占據了大部分市場份額，其技術形式也基本代表了LED粘片機設備發(fā)展的方向。</p><p>　　1.3.3國內LED產業(yè)的發(fā)展狀況</p><p>　　目前國內的生產廠家在線的LED粘片機大約有600 臺以上, 我國LED 產量從2000 年84億只增加到2003年的200億只, 平均每年新增粘片機在100臺以上, 業(yè)內預計2004 年LED 產量可突破300億只, 新增粘片機將會在15

30、0臺以上。未來5 年內,將是LED 產業(yè)大發(fā)展時期, 中國將會成為世界LED后封裝的最大生產基地, 這將會有一大批規(guī)模( 年產10億只以上) 型企業(yè)誕生( 注: 我國目前只有兩三家年產5億只以上的企業(yè)) 。</p><p>　　1.3.4 發(fā)展方向與前景</p><p>　　一個固晶周期包括固晶，提升，抓取，旋轉，下降，粘片以及回復動作。國家對環(huán)保節(jié)能產品的支持，國際市場對節(jié)能產品的追逐，

31、必將迎來led產業(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能。針對國際市場上的LED粘片機周期在300ms左右，現在新研究的粘片機推出的理論周期值在160ms，發(fā)展前景會非常的好。</p><p>　　1.4 全自動LED粘片機的主要結構及工作原理</p><p>　　LED粘片機實際與視覺檢測的全自動粘片控制系統(tǒng)，融合了圖像處理、模式識別、光電檢測、控制理論、機電

32、一體化等多門學科的知識理論。但是整機的設計是在固晶臂（用于粘片的核心部件）設計研究基礎上進行的，所有的軟件、電氣、控制部件、機械部件的設計都是圍繞固晶臂的設計而展開的。</p><p>　　LED粘片機的主要機構如下圖1.1所示：</p><p>　　圖1.1 led粘片機主要機構圖</p><p>　　整個工作過程在圖像識別系統(tǒng)的監(jiān)控下進行，通過控制系統(tǒng)對傳輸機構

33、的控制配合點膠機構及拾取粘片機構的工作。工作流程如下圖1.2：</p><p>　　圖1.2 LED粘片機工作過程</p><p>　　現有的比較高端的粘片機固晶臂回轉時，峰值加速度達到79g,峰值速度達到12m/s，封裝度的達到5次/s。另外，由上圖可見LED固晶過程中固晶臂的作用十分重要，它是LED粘片機的核心部件。</p><p>　　1.4.1 LED封裝

34、工藝流程簡述</p><p>　　LED 封裝工藝流程如下所述：</p><p>　　(1) 排支架前站:擴晶①溫度:調整50-60攝氏度 預熱十分種 擴晶時溫度設為65-75攝氏度。(2) 點膠①調節(jié)點膠機時間:0.2-0.4秒.氣壓表旋紐 0.05-0.52mPa .要調節(jié)點膠旋紐使出膠標準。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、銀膠高度超過芯片的1/3(多膠) 晶片粘膠焊點粘膠(6) 焊線①

36、機太溫度為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焊點全球直徑為全線直徑的2-3倍.焊點應用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 電極粘膠 銀膠過多超過晶片 銀膠過少(幾乎沒有) 塌線 虛焊 死線 焊反線 漏焊 弧度高和低 斷線 全球過大或小。&l

37、t;/p><p><b>　　(7) 補充說明：</b></p><p>　?、贁U晶，把排列的密密麻麻的晶片弄開一點便于固晶。 　　</p><p>　?、诠叹В谥Ъ艿撞奎c上導電/不導電的膠水(導電與否視晶片是上下型PN結還是左右型PN結而定）然后把晶片放入支架里面。 　　</p><p>　　③短烤，讓膠水固化焊線時晶片

38、不移動。 　　</p><p>　?、芎妇€，用金線把晶片和支架導通。 　　</p><p>　　⑤前測，初步測試能不能亮。 　　</p><p>　?、薰嗄z，用膠水把芯片和支架包裹起來。 　　</p><p>　?、唛L烤，讓膠水固化。 　　</p><p>　　⑧后測，測試能亮與否以及電性參數是否達標。 　　</

39、p><p>　?、岱止夥稚?，把顏色和電壓大致上一致的產品分出來。 　　</p><p><b>　?、獍b。</b></p><p>　　1.5 本文研究的內容</p><p>　　機構是LED粘片機的核心部件，因此固晶臂的設計至關重要，因此本課題主要圍繞固晶臂的研究而進行，主要研究內容如下：</p><

40、p>　　(1) 固晶臂的工作過程優(yōu)化；</p><p>　　(2) 固晶臂的動態(tài)特性分析；</p><p>　　(3) 固晶臂的結構設計、分析及優(yōu)化，包括固晶臂的模態(tài)分析、優(yōu)化設計；</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程在整個封裝流程中至關重要，本課題主要著眼于固晶這

41、一過程進行相關研究及相關設備的設計、優(yōu)化、實驗、分析等。</p><p>　　粘片機是完成固晶過程的主要設備，而現在市場上的全自動粘片機主要是ASM的產品。我國要發(fā)展自己的LED產業(yè)，就必須擺脫對國外產品的依賴，就必須有自己的一套裝備及相關理論和研究。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做LED封裝設備的各種企業(yè)提供一定的參考，對我國LED裝備企業(yè)的發(fā)展也會有很大的好處。另外也可以為中小企業(yè)

42、提供參考，使之在各自領域形成自己的知識產權，有助于企業(yè)轉型。</p><p>　　此外本課題提出的自適應、閉環(huán)的分析優(yōu)化方法也可以促進虛擬設計技術的發(fā)展，使虛擬設計突破目前設計與分析優(yōu)化分離的瓶頸。作為極端制造的產品如航空件、風電、橋梁、建筑等，本課題的研究還將為這類產品的研制提供很好的產考。</p><p>　　2 LED粘片機芯片取放機構的結構設計</p><p&

43、gt;　　2.1 機構的整體設計</p><p>　　裝配設計LED芯片取放機構圖2.1如上。設計分為旋轉電機，圓柱直線電機，固晶臂，旋轉軸，聯軸器等主要設備元器件組成。</p><p>　　圖2.1 LED粘片機芯片取放機構整體結構圖 </p><p>　　LED粘片機是旋轉電機與直線電機的組合式運動。旋轉電機帶動直線電機以及固晶臂做旋轉運動，直線電機帶動固晶臂做

44、直線往復運動。固晶臂在兩電機的作用下實現上移，旋轉（90°）下移，旋轉（90°）。要求旋轉的頻率較高，同時要求旋轉電機的頻率要高，同時直線運動的電機運動4mm左右，需要保證運動的震動型，避免頻率形同引起共振。與直線電機相連的軸直徑需要滿足疲勞強度，直徑至少13mm 實心。通過聯軸器連接。最終選用實心 14mm 鋁合金材料的軸。聯軸器選擇與軸相配合的法蘭，法蘭與直線電機相連。</p><p>　

45、　2.2連接設備的設計</p><p>　　在連接部件運動過程中，滿足許用力非常關鍵。下面是針對銷的設計計算：</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, 由于PS=735.5N·m/s；</p><p><b>　?。粷M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，其抗拉強度為981Mpa，C42—— 熱處理， </p><

48、p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　mm，取直徑可取8mm。</p><p>　　2.3運動的時間分配以及電機負載慣量分析</p><p>　　2.3.1 時間分配</p><p>　　共160ms(reference)；</p><p><b>　　表2-1時

49、間分配</b></p><p>　　轉動90度大概用36毫秒；</p><p>　　時間分配圖2.3譜如下（時間單位為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 運動時間簡圖</p><p>　　擺臂平均每分鐘達到的轉速為：；</p><p>　　轉動90度大概用36毫秒；直線電機17ms運

51、動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>　　左右轉動慣量的生成及疊加：</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>　　法蘭軸上總轉動量：J花總=J1+J2+J3+J4+J5+ J6 =0.002921692kg.m2</p><p>　　由于傳動比為1，因此折算到電機軸的轉動慣量不變即J花總=J折=0.002921692kg.m2。</p><p>　　總的負載慣量為：J負載=J折算=0.002921692kg.m2</p><p><b&

54、gt;　　2.4電機的選擇</b></p><p>　　2.4.1電機加速度的選擇</p><p>　　為了算出設備所需要的扭矩，合適的功率，去找適當的電機。在設計的過程中，首先對機構在不同加速度運轉下需要的電機參數進行試驗計算，從而為所需要的參數下的電機提供理論基礎。 </p><p>　　假設1：在30ms內，擺臂轉過，前15ms內角加速度為正轉過4

55、5度，后15ms內轉過45度，角加速度為負，則在15ms內速度加到最大值，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>　　算出電機的負載力矩：,則電機的負載功率為： （2.7）</p><p>　　假設2：在40ms內擺臂轉過90度，在前20ms加速，后20ms減速，則其加速時平均角速度為，其最大角速度為，其平均角加速度為，算出起負載力矩為， </p><p>　　負載功率

57、 （2.8）</p><p>　　假設3：在50ms內轉過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>　　算出起負載力矩為 （2.9）</p><p><b>　　負載功率，</b></p>

58、;<p>　　2.4.2 電機選擇設計方案</p><p>　　用36ms轉過90度。直線電機用18ms走完4mm。</p><p>　?。?）用多項式求解電機的關鍵參數</p><p><b>　　用5次多項式逼近時</b></p><p><b>　　表2-2 關鍵參數</b>&l

59、t;/p><p>　　Maximun values</p><p><b>　　旋轉電機：</b></p><p><b>　?。?.10）</b></p><p><b>　　每分鐘轉速為：</b></p><p>　　電機最大負載力矩為： （

60、2.11）</p><p>　　負載功率為： （2.12）</p><p><b>　　用9次多項式逼近：</b></p><p><b>　　表2-3 關鍵參數</b></p><p>　　Maximun values</p><p>　?。?）旋轉

61、電機的關鍵參數設計計算</p><p><b>　　(2.13)</b></p><p><b>　　每分鐘轉速： ；</b></p><p><b>　?。?</b></p><p><b>　??；</b></p><p

62、>　　電機最大負載力矩為： </p><p>　　圖2.4 運動簡圖</p><p>　　勻速時間為零，停止時間為零。</p><p>　?。?）計算負載慣量及慣量比</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= J負載+J聯軸器=0.0020924901+0.00006514=0.002990041kg.m^2</p><p>　　預選取3kw的電機400 MSME 3.0kw[低慣量 中容量]</p><p>　　轉子慣量——（無制動器）</p><p><

64、;b>　　（有制動器）</b></p><p>　　慣量比計算：倍<10倍， 符合要求。 (2.15)</p><p><b>　?。?）計算轉速：</b></p><p>　　轉動距離為，轉動時間為36ms=0.036s；</p><p>　　加速時間為0.

65、018s,減速時間為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)計算轉矩：</b></p><p><b>　　(2.18)</b></p><p><b>　　有效轉矩：</b></p><p>　　<47.7Nm(瞬時最大轉矩)</p><p>　　≈1.6kw<3kw (2.19

67、)</p><p>　　松下電機：400MSME，3.0kw[低慣量 中容量]電機滿足要求。</p><p>　　（6）直線電機的選擇。</p><p>　?、俅_定機構部件：定子，電機直連機構。擺動臂。</p><p>　?、诖_定運動模式：直線運動。加速運動，減速運動。</p><p>　?、塾嬎阖撦d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，因此總負載慣量為J總負= J負載+J聯軸器=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>　　電機最大負載力矩為：；</p><p><b>　　電機負載功率為：;</b></p><p>　　選擇滿足要求的電機：行程4.

70、6mm，持續(xù)推力136N，最大推力424N,負載功0.2KW。線性馬達圖示如下圖2.5：</p><p>　　圖2.5 線性馬達</p><p>　　3 固晶臂的研究分析</p><p>　　全自動LED 粘片機是一個高精密機構。芯片拾放裝置是粘片機最重要的部件，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位置，實現拾取、傳送和放置芯片等動作。擺桿是芯片拾放機構中最重要的部件。擺桿既要精密、輕巧又要剛度高。擺桿質量的好壞直接影響到粘片機速度的提高。傳統(tǒng)的設計只是要求擺桿轉動半徑要達到要求，盡量省材料。擺桿在工作過程中，當擺到引線框架上方時，壓縮空氣通到吸嘴，迅速將芯片吹出釋放，并通過吸嘴對芯片施加壓力將芯片放置在引線框架上涂有銀漿的位置。為此通過對擺臂進行靜力學分析

72、以及振動分析來模擬擺臂在運動過程中即將出現的問題，同時為盡可能地滿足生產要求提供一定的實驗依據。</p><p><b>　　圖3.1 擺臂</b></p><p>　　工業(yè)生產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，

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轉（160ms的周期運轉）下固連部件容易出現松動，影響精度。</p><p>　　3.1固晶臂靜力學分析</p><p>　　LED 粘片機關鍵部件是焊頭運動機構。焊頭主運動結構要求在垂直平面內實現兩個方向的運動, 在高速運動的同時還要求定位高、運動平穩(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電機分別驅動。為了使焊頭運動平穩(wěn), 在設計機架的時候一定要使機架固有頻率避開驅動電機的運動頻率及倍頻, 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 建立復雜的三維實體模型比較麻煩, 所以在一般情況下使用三維軟件( 例如So

75、lidWorks、CATIA等) 來建立幾何模型, 同時將該模型轉換為ANSYS 認可的文件格式, 例如IGES 格式和parasolid格式。將IGES 格式的模型文件導人ANSYS, 可以發(fā)現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、出現多余的圖元等, 這都是模型文件進行轉換時所造成的不良影響。我們可以使用ANSYS 中的幾何和拓撲修復工具對這些缺陷進行修復和完善, 有時候效果并不是很好, 這對分析結果會造成影響。同

76、時, ANSYS 的操作界面不是很友好, 有時還需要進行文字命令輸入, 而且在進行模態(tài)以及諧響應分析時, 占 用的內存資源過多, 并會消耗大量的時間。有限元靜力學分析方程靜力學分析是指求解不隨時間變化的系統(tǒng)平衡問題,如線彈性系統(tǒng)的應力等。線性方程的等效方程為</p><p>　　［K］×｛u｝=｛F｝ （1）</p><p>　?。跭］×｛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)點位移矢量，n 為單元數，［Ke］為單元剛度矩陣，｛F r｝為支反載荷矢量，｛Fa｝為所受的總外載荷。</p><p>　　通過式（1）和式（2）得出各點的位移矢量｛u｝。根據位移插值函數，由彈性力學中的應變和唯一、應力和應變的關系，得出節(jié)點的應變和應力表達式：</p><p>

78、;　　｛εe｝l =［B］×｛u｝-｛εth｝ （3）</p><p>　?。遥?［D］×｛εe｝l （4）</p><p>　　式中，｛εe｝l 為由應力引起的應變，［B］為節(jié)點上的應變-位移矩陣，｛u｝為節(jié)點上的位移矢量，｛εth｝為熱應變矢量（本文不考慮），｛σ｝為應力矢量，［D］為彈性矩陣系數。求解式（3）和式（4），得到各節(jié)點的應力。</p>

79、<p>　　3.1.2擺臂靜力學分析</p><p>　?。?）在HyperWorks 里可以先劃網格，然后再定義單元類型，對劃好的單元賦以材料屬性. HyperWorks 的幾何模型從CATIA三維CAD 軟件導入. 進行有限元分析時，如果要準確模擬這些特征，需要用到很多小單元，導致求解時間延長。FEA 只需要簡化的幾何模型，因此需要對模型部件的一些細節(jié)信息進行簡化，以便于網格劃分和分析。此外，模型的

80、一些幾何信息在導入時可能會出錯，如導入曲面數據時可能會存在縫隙、重疊、邊界錯位等缺陷，導入單元質量不高，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。不過有些軟件也有一些默認的單位，例如長度單位是mm、質量單位是kg 等。用戶在設置單位的時候要注意所有的單位要形成一個“封閉的回路”。例如，當質量的單位是kg，時間的單位是s，長度單位是m，那么根據牛頓第二定律：F=ma，即F 的單位為N。</p><

81、p>　　把三維軟件的幾何模型導入到HyperMesh 之前最好把零件組裝成裝配體的形式，因為對幾何模型進行切分在三維軟件里操作要比在CAE 軟件里操作起來方便多了。另外，由于只是對擺桿的中間部分進行優(yōu)化，當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入，再單獨對這一</p><p>　　部分進行網格劃分就可以了。當然，由于這里的擺桿整

82、體模型也不是很復雜，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有優(yōu)化前的擺桿在受力情況下的位移。根據實際工作中的要求，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

83、擺桿采用CATIA單元。CATIA單元是實際分析中比較常用的單元。常見的實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)點的四面體單元，這些單元的計算精度都是很高的，它們的區(qū)別在于：一個六面體單元只有8 個節(jié)點，計算規(guī)模小，但是復雜的結構很難劃分出好的六面體單元，帶中間節(jié)點的四面體單元恰好相反，不管結構多么復雜，總能輕易地劃分出四面體，但是，由于每個單元有10 個節(jié)點，總節(jié)點數比較多，計算量會增大很多。在只考慮只受慣

84、性沖擊力的作用下，整個擺桿也可以采用梁單元或者Shell 單元。由于在吸嘴部位有孔存在，采用梁單元不是很合適。如果只是從靜力分析的角度考慮，用Shell 單元是很合適的。整個擺桿采用Shell 單元，抽取中面劃2D 網格，網格數量比較少，分析比較快。但是，由于考慮到后面將要做拓撲優(yōu)化進行初步概念設計和接下來要</p><p>　?。?）擺桿靜力學分析計算</p><p>　　擺臂在速781

85、r/min.加速度7000rad/.材料選擇鋁合金。結果通過有限元catia分析</p><p><b>　　圖3.3 分析結果</b></p><p>　　軟件，分析出擺臂的應力分布圖3.3。網格的應力集中分布點。位移結果如下圖3.4所示</p><p><b>　　圖3.4 位移結果</b></p>&l

86、t;p>　　擺臂的振動幅度在3%左右，滿足位移滿足設計要求。但是，現在的擺桿質量還是比較大，擺桿轉動起來迎風面積也是比較大，而且轉動中心和重心偏離比較遠，所以需要要進一步優(yōu)化。</p><p>　　圖3.5 進一步優(yōu)化結果</p><p>　　以下圖紙為靜力學分析的報告：</p><p>　　圖3.6 靜力學分析報告</p><p>　

87、　3.2 對有擺臂限元分析要注意的事項</p><p>　　幾何模型的“質量”直接影響到分析的結果。有些復雜的機械零件或者裝配體, 動輒幾百、幾千萬節(jié)點、單元,計算機的分析能力也時有限的, 用原型進行有限元分析也時不現實的[3]。所以在進行有限元分析之前要對幾何模型進行合理的簡化。傳統(tǒng)的方法多采用相似性原理來簡化，是對于形狀相對復雜的零件, 尤其是裝配體, 建立簡化模型也很困難。模態(tài)分析為我們建立一個合理、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, 實體三維建模完成。所謂簡化就是去除一些小孔、小的圓角, 小的臺階等次要特征。因為這些小的臺階, 小的圓角, 小的孔很容易造成網格化時生成畸形的網格, 最終導致有限元分析不能進行下去。這里的“小”是一個相對的概念?！靶　笔窍鄬τ谡麄€幾何模型或者裝配體模型而言。當然, 這里的簡化也要時針對分析目標。在不影響分析目標結果的情況下, 我們才可以合理簡</p><

89、p>　　化。至于簡化后的模型是否和原型有相似的動態(tài)特性, 可以通過對原型和模型的模態(tài)分析比較來驗證。由于模態(tài)分析,尤其是低階模態(tài)對系統(tǒng)的動態(tài)特性影響較大, 因此通過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3%就應該認為簡化是合理的。</p><p><b>　　3.2.1優(yōu)化分析</b></p><p>　　單擊“COSMOSWorks”, 新建

90、一個算例, 算例類型選“優(yōu)化”。右鍵單擊“優(yōu)化”算例下的“目標”, 選擇質量最小。在設置“設計變量”前要將相關的特征尺寸顯示出來。在FeatureManager 中右鍵單擊第一個“注解”, 選擇“顯示特征尺寸”。將不相關的尺寸隱藏起來, 然后把相關的尺寸重新命名。其方法是選中相關的尺寸, 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) 。有時候

91、用中文字符會造成分析的失敗。設置相關尺寸的名稱最好在分析之前完成。右鍵單擊“設計變量”, 選擇“ 添加”,然后用鼠標選擇相關的尺寸。其他的設置按照要求完成就行了。添加約束的方法和添加設計變量的方法類似。設置完成后, 右鍵單擊“優(yōu)化”, 選擇“運行”。本次優(yōu)化的最后結果如圖：。</p><p>　　圖3.7 固晶臂優(yōu)化結果圖</p><p>　　最終的總質量為433g, 模式1 的頻率為67

92、.26Hz,符合開始的設計要求。同時對材料的金屬材料進行優(yōu)化，根據實驗（以下會提及）分析，在剛度越大，有助于提高固有頻率，選擇輕型，剛度大的材料進行分析也是今后研究的方向。</p><p>　　在實踐中，經常需要對變截面梁或變截面軸進行動力分析，求其橫向振動的固有頻率。為了簡化計算，將變截面梁看成一系列集中質量、無質量的梁和支承一個接著一個連接而成的系統(tǒng)這種力學模型顯然是不精確的。為提高計算精度，勢必要增加分割單

93、元的數目，則計算工作量隨之而增加。如果采用連續(xù)體力學模型來計算變截面梁橫向振動的固有頻率，則計算精度必然大為提高。但按傳統(tǒng)的計算方法是很繁瑣的：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時階固有頻率。求解方程過程復雜，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算機程序，不利于工程設計的應用。</p>

94、<p>　　采用連續(xù)體作為力學模型，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</p><p>　　時，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），它代表了梁一個截面的變形和內力的狀態(tài)。建立了以狀態(tài)變量表示的、僅為一階齊次常微分方程，形式簡單，極易求解。矩陣表示了梁段兩端狀態(tài)變量的傳遞關系。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量和彈性支承梁的橫向振動固有頻率，具有普遍性。</p><p>　　4 固晶臂彎曲振動固有頻率和振型函數</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>　?。?）

96、計算單位長度質量-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）：</p><p>　　等截面處理：橫向振動 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動態(tài)分析</b></p><p>　　（1）整個運動過程可

100、以看成是一個振動過程，求出其動態(tài)響應：此過程與 動柔度、動剛度、等有關。利用傅里葉變換、傅里葉級數展開將化成的形式，找出與固有頻率接近的諧頻，在頻域中求出其幅值，回答引起共振的時間及振動幅值的問題。</p><p>　　（2）將軸——擺臂看成是一個扭振系統(tǒng)，不考慮整個運動過程，只考慮運動停止時的振動情況，即此時的激勵為零，近似無阻尼——微振動情況。解決問題的初步方案：利用無阻尼、無激勵性質，求出系統(tǒng)的振動微分方程

101、，求出其固有頻率，根據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擺臂作為懸臂梁處理的情況，及對變截面懸</p><p>　　臂梁振動系統(tǒng)進行分析，求出其固有頻率，根據求解出擺臂末端位移，即末端振幅。</p><p>　　4.3運用分析軟件對擺臂進行模態(tài)分析</p><p>　　4.3.1懸臂梁彎曲振動模態(tài)分析具體步驟</p><p&g

102、t;　　懸臂梁彎曲振動模態(tài)分析具體步驟如下：</p><p><b>　　（1）進入動態(tài)分析</b></p><p><b>　　圖4.2 動態(tài)分析</b></p><p>　?。?）劃分網格以及添加材料，</p><p>　　（3）定義實常數： </p><p>　　Pre

103、processor Real Constants</p><p>　　（4）定義梁的面積、慣性矩和高度 </p><p><b>　　（5）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

104、值結果基本一致。</p><p>　　電機在運行過程中的頻率為f=27.77HZ.遠沒有達到共振的頻率。分析軟件模擬出來在27HZ.附近的運動狀態(tài)，如圖所示：</p><p><b>　　圖4.3 運動狀態(tài)</b></p><p>　　擺動的幅度在2%，在可控范圍內。所以符合預期。</p><p>　　下圖為在固有頻率近

105、的擺動狀況：</p><p><b>　　圖4.4 擺動狀況</b></p><p>　　盡可能的提高擺臂的固有頻率，使運動頻率與機器的固有頻率差距變大，遠離共振區(qū)域，防止發(fā)生共振。</p><p><b>　　4.4扭轉振動分析</b></p><p><b>　　扭轉運動的分析：<

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 運動過程分析</p><p>　　根據對機構運動的分析，按

107、照激振力為周期160ms，將激振力F（t）以周期函數的形式給出得出運動的大致函數圖象22：</p><p>　　圖4.5擺臂運動過程</p><p>　　5 固晶臂的變截面優(yōu)化設計研究</p><p>　　5 固晶臂的變截面優(yōu)化設計研究</p><p>　　5.1擺臂的長度問題研究</p><p>　　軸-臂扭振系統(tǒng)分

108、析：</p><p><b>　　忽略軸的轉動慣量，</b></p><p><b>　　圖5.1 轉動慣量</b></p><p>　　J=0.002kg/m^2)</p><p>　　(軸原長260mm是大約一半的長度并非懸伸，故此處取其一半長度，即l=130)。</p><

109、p><b>　　振動微分方程為：；</b></p><p><b>　　(5.1)</b></p><p><b>　　(5.2)</b></p><p><b>　　由此得出：</b></p><p>　　軸長越小剛度越大，有助于提高固有頻率；擺臂

110、越短，轉動慣量越小，有助于提高固有頻</p><p><b>　　率。</b></p><p>　　5.2 不同質量的有限元分析研究</p><p>　　相同結構的擺臂，如果質量屬性不同，在同一頻率的振動下，擺動的狀態(tài)也不一樣。</p><p>　　如圖結構的梁，其固有頻率的計算如下</p><p&g

111、t;<b>　　圖5.2 梁</b></p><p>　　， (5.3)</p><p><b>　　(5.4)</b></p><p>　　其中越大即質量越大，其固有頻率越小。由于一般的的振動頻率都

112、低于產品的固有頻率，降低固有頻率會導致機器的轉動頻率接近固有頻率，產生共振。所以降低質量會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。但是新型金屬材料的應用如鈦合金，納米合金，碳合金等產品，密度小，剛度大，是本文研究采用的金屬。運用CATIA分析軟件，采用不同的金屬材料在同一頻率下進行分析驗證擺臂的對產品的影響。</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>　　考慮經濟型最終選取鋁合金材料的擺臂作為接下來的研究。</p><p>　　5.3研究變截面擺臂的分析</p><p>　　以上研究已得知，擺臂的質量越小，固有頻率越高?，F在通過研究擺臂的結構問題來進行優(yōu)化設計。在同一金屬材料下，降低它的質量是關鍵，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，擺臂在運動過程中的應力集中分布現象，采取在應力不集中區(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、;　　經過對比，厚度為1的固有頻率較厚度為三的頻率要低，同時由于厚度1mm的震動幅度過大，導致擺臂在運轉過程中出現疲勞受損。經過多次對比研究，最終選擇：經過對不同的工藝孔 ，凹槽應力分析最終選取 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>　　設計圖紙如下：</b></p><p&

116、gt;　　圖5.7 擺臂設計圖</p><p>　　6 創(chuàng)新點以及遇到的問題</p><p>　　6.1 本課題的創(chuàng)新點</p><p>　　本課題著眼于解決企業(yè)中的實際工程問題，落腳點在于解決半導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有得到很好的解決，國內幾乎沒有廠家或者學者對這一矛盾進行深入地研究，因此本課題的提出本身就是一大創(chuàng)新之舉。在這個大

117、的創(chuàng)新背景之下還有如下幾點創(chuàng)新之處：</p><p>　?。?）采用以優(yōu)化驅動分析方法對產品進行分析優(yōu)化，從而實現閉環(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量分布求其受力情況等的分析，而本課題是以質量作為約束來解其分布的逆命題；</p><p>　　6.2 已有的工作條件和出現的問題</p><p>