基于气浮支承引线键合定位平台设计【优秀毕业论文 答辩通过】

需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 西安文理学院机械电子工程系 本科 毕业设计（论文） 题 目 基于气浮支承引线键合定位平台设计 专业班级 08 级机械（ 2）班 学 号 08102080222 学生姓名 赵魁 指导教师 卢志伟 设计所在单位 西安文理学院 2012 年 5 月 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 西安文理学院本科毕业设计（论文）任务书 题 目 基于气浮支承引线键合定位平台设计 学生姓名 赵魁 学 号 08102080222 专业 班级 08 机械 2班 指导教师 卢志伟 职 称 讲师 教 研 室 机械 毕业设计（论文） 任务与要求 任务 ： (1) 完成原理方案设计和结构方案设计，确定实施方案； (2) 对引线键合定位平台 X、 动方式进行设计； (3)对引线键合定位平台驱动装置、传动装置、供气装置、测量等装置进行设计； (4)完成装配图和零件图。 (5)参阅相关资料，了解气体润滑技术以及引线键合定位平台的工作原理及其发展，并查阅和收集相关资料； (6)确定设计方案，并对各部分进行设计； 要求 : (1) 图纸（幅面和张数）： 张 ; (2) 外文翻译字数：中文不少于 3000字 ； (3)参考文献篇数 ： 中文 不少于 15篇 ，英文不少于 3篇 ； (4) 论文字数：不少于 15000字。 毕业设计（论文） 工作 进程 起止时间 工作内容 4 研，通过查阅相关文献和刊物，了解气体润滑技术以及引线键合定位平台的工作原理及其发展，完成开题报告。 完成原理方案设计和结构方案设计，确定拟实施方案，完成英文资料翻译。 对引线键合定位平台 X、 Y 两运动导轨的相互运动方式进行设计 ； 对引线键合定位平台驱动装置、传动装置、供气装置、测量等装置进行设计；写出中期报告。 完成设计图纸，写出毕业论文，准备答辩。 答辩。 开始日期 完成日期 教研室主任（签字） 系 主任（签字） 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 西安文理学院本科毕业设计 （ 论文 ） 开题报告 题 目 基于气浮支承引线键合定位平台设计 学生姓名 赵魁 学 号 08102080222 专业名称 机械设计制造及其自动化 指导教师 卢志伟 开题 时间 级 08机械 （ 2） 班 一、 选题目的和意义 随着技术的进步和相关行业的发展，高加速度高精度定位平台是引线键合机的核心部件 ,决定键合的速度和质量 ,进而影响芯片的成本与可靠性。随着芯片集成度的不断增大 ,管脚数量迅速增多 ,引线间距 日益减小 ,定位平台的性能已经成为引线键合工艺进一步发展的瓶颈。由于空气的粘性低，不易发生爬行，振动也小，热稳定性好；使用寿命是半永久性的 ,与液体静压导轨相比，它不污染环境。由于具有这些特点，载荷变动小的超精密加工机床和测量机以及精密机器一般都采用气浮静压支承。 因此 把“基于气浮支承引线键合定位平台设计”作为本次本科毕业论文的课题，既有较大的学术价值，又有广阔的应用前景。 二、 本课题在国内外的研究状况及发展趋势 由于平台进行高加速度、高精度、快速往复小行程运动，并在很短的时间内达到高精度定位，要求机械结 构简单、易于控制、刚度大、惯性小、阻尼低、制造精密。涉及到的研究内容包括机构形式、支撑方式、新型材料、设计方法、精密加工技术，运动学、动力学分析及简单有效的运动控制算法等方面。随着速度、加速度和工作频率的进一步提高，摩擦力对平台性能的影响越来越显著。其微米级行程仅适用于一些细微装配或操作任务。但磁悬浮轴承制造成本高，是一个非线性局部稳定系统，易发生悬浮磁场和线性驱动磁场间的相互影响。气浮轴承除不具有上述缺点外，还具有结构简单、质量轻便和设计灵活等优点。因此，近年来，气浮高性能定位平台的目前 C 芯片在 各个领域的应用越来越广泛，对封装工艺的质量及检测技术提出了更高的要求，如何实现复杂封装的工艺稳定、质量保证和协同控制变得越来越重要。 国外对引线键合工艺涉及的大量参数和精密机构的控制问题已有较为深入的研究，并且已经在参数敏感度和重要性的排列方面有了共识。引线键合技术，作为 片封装的关键技术之一，是用金属丝将 通常采用热压键合、热超声键合和超声键合三种键合工艺方法。在自动引线键合技术中，键合丝尾长度、键合变形不当、键合位置不当等现象 均可经调整温度、压力、超声功率和时间等参数、换劈刀等方法进行纠正。 我国 装研究起步较晚，其中的关键技术掌握不足，缺乏工艺的数据积累，加之国外的技术封锁，有必要深入研究各种封装工艺，掌握其间的关键技术，自主研发高水平封装设备。研究非常活跃。引线键合（ 术，又称球楔键合技术，在 装中是应用最广泛的键合方法。要求键合设备具有比以往更高的精度、速度、可靠性。为了达到上述要求，需要从驱动电机选择，平台结构设计和合适的控制方法等角度进行研究。比如，为了使系统能够在高速度和加速度条件下 稳定运行，需要开发出一类鲁棒性很强的控制器。而为了减小系统运行的摩擦力以及摩擦力的不均匀，对定位平台气浮技术的研究也具有重要的理需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 论和实践意义。 三、 主要研究内容 (1)参阅相关资料，了解气体润滑技术以及引线键合定位平台的工作原理及其发展 ： (2) 完成原理方案设计和结构方案设计，确定实施方案； (3) 对引线键合定位平台 X、 (4)对引线键合定位平台驱动装置、传动装置、供气装置、测量等装置进行设计； (5)完成装配图和零件图。 指导教师意见及建议： 该生自进入课题以来，能够积极主动地和指导老师联系，调研和查阅相关资料，态度端正；对题目有了一定初步理解，初步设计了出了一定的方案规划；但后面还有很多工作和内容要做，需抓紧时间。同意开题。 签字 ： 年 月 日 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 教研室审核意见： 签字 ： 年 月 日 西安文理学院本科毕业设计 （论文）中期检查表 题 目 基于气浮支承引线键合定位平台设计 学生姓名 赵魁 学 号 08102080222 专业名称 机械设计制造及 其自动化 指导教师 卢志伟 检查时间 2012 级 08级机械 2班 毕 业 设 计（论文） 进 展 情 况 通过 对 基于气浮支承引线键合定位平台设计 的相关资料的学习，以及对整个设计的了解，现基本完成以下设计工作： 1 参阅相关资料，了解气体润滑技术以及引线键合定位平台的工作原理及其发展，并查阅和收集相关资料 。 完成 气浮支承引线键合定位平台 原理方案设计和结构方案设计 与分析。 2 对引线键合定位平台 X、 Y 两运动导轨的相互运动方式进行设计 3 完成 气浮支承引线键合定位平台 原理方案设计和结构方案设计 与分析 。 下一步设计工作内容是设计以及相关零件的设计以及相关零件图的绘制。 对引线键合定位平台驱动装置、传动装置、供气装置、测量等装置进行设计 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 指 导 教 师 意 见 常联系； 成 进度要求完成相关设计； 计内容 和技术路线； 综上所述，同意按照设计进度进行后续工作。 签字 ： 年 月 日 教研室意见 签字 ： 年 月 日 西安文理学院本科毕业 设计 （ 论文 ）指导教师 评分表 学生姓名 赵魁 学 号 08102080222 专 业 机械设计制造及其自动 化 班 级 08 机械 2 班 毕业 设计 （ 论文 ）题目 基于气浮支承引线键合定位平台设计 设计 （ 论文 ）起止时间 2012 年 1 月 10 日 至 2012 年 5 月 11 日 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 指导教师评语： 建议成绩： 指导教师签名： 年 月 日 西安文理学院本科毕业 设计 （ 论文 ）评阅教师评分表 学生姓名 赵魁 学 号 08102080222 专 业 机械设计制造及其自动 化 班 级 08机械 2班 毕业设计（论文）题目 基于气浮支承引线键合定位平台设计 设计（论文）起止时间 2012 年 1 月 10 日至 2012 年 5 月 11 日 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 评阅教师评语： 建议成绩： 评阅教师签名： 年 月 日 西安文理学院本科毕业设计（论文）答辩记录 学生姓名 赵魁 学 号 08102080222 专业名称 机械设计制造及其 自动化 答辩时间 辩地点 导教师 卢志伟 题 目 基于气浮支承引线键合定位平台设计 答辩小组 姓 名 职 称 姓 名 职 称 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 成 员 提问及回答情况记录： 记录人签字： 年 月 日 答辩成绩： 答辩小组组长签名： 年 月 日 毕业论文成绩 答辩委员会 认定成绩 毕业论文等级 系（院）答辩委员会意见 ： 负责人签名： 年 月 日 注： 1、 毕业 论文 成绩 =指导教师成绩 40%评阅教师成绩 20%答辩成绩 40%； 2、 答辩委员会认定成绩是根据 该生毕业设计期间的表现及该专业整体论文情况的综合评定成绩。 3、论文等级分优秀（ 90 分）、良好（ 8089 分）、中等（ 7079 分）、 及格 （ 6069 分） 、 不及格（ 60 分）。 基于气浮支承引线键合定位平台设计 摘要 ： 为满足新一代芯片封装设备对定位平台性能的要求，本文旨在研究设计一种全新的高推重比直接驱动气浮定位平台及其相应的位置伺服控制系统。通过协调机电系统的多影响参数，使平台在高加速度运动后，快速达到稳定状态。实现概念设计、详细设计、仿真实验以及系统的综合性能评估，提供面向芯片封装的高加速度高精需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 度 定位平台的单元级和原型级设计方法及关键技术的解决方案。 为了减小定位系统的摩擦力及其扰动，设计了一种基于气浮导轨支撑的两自由度高速精密定位平台。 该平台采用了新型的气浮解耦机构，使音圈电机置于固定支座上，有效地减小了定位平台的运动惯量。探讨了节流孔直径和导轨间隙对平台承载能力和静刚度的影响规律，得到一组优化参数；在此基础上对平台的运动稳定性进行深入分析，该平台在给定的初始条件下可快速趋于稳定，为该类气浮定位平台的设计提供了一定的理论基础。 关键词 : 气浮支承 芯片封装 引线键合 定位平台 on 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 In to of of is to a is by by of be in of is to of In to of it a An is to on is of is At of On of of is in be to of of 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 目录 第一章 绪论 . 1 题背景 . 1 题的目的与意义 . 1 课题主要讨论问题 . 2 关研究情况 . 2 械部分相关研究情况 . 2 浮部分相关研究情况 . 3 第二章 定位平台总体方案设计 . 5 位平台机械部分方案确定 . 5 定方案思想 . 5 案对比分析与确定 . 6 气静压导轨的方案设计 . 7 定 方案思想 . 7 案对比分析与确定 . 9 第三章 定位平台气浮导轨的设计 . 10 轴气浮导轨的设计 . 10 气静压导轨的工作原理及特点 . 10 气静压导轨气垫的设计计算 . 10 Y 轴气浮轴承的设计 . 13 第四章 定位平台传动部分的设计 . 14 位平台拟采用的研究方案、研究方法或措施 . 14 位平台结构设计 . 14 位平台 X 轴滚珠丝杠型号的确定 . 14 位平台 X 轴滚珠丝杠校核 . 16 位平台 X 轴电机的确定 . 18 位平台 Y 轴滚珠丝杠型号的确定 . 22 第五章 其他辅助零件的选择设计 . 23 位平台轴承的选择 . 23 位平台联轴器的选择 . 23 第六章 检测元件的选择 . 24 第七章 结论 . 25 参考文献 . 26 致谢 . 28 附录 . 29 附录一：外文文献 . 29 附录二：外文文献翻译 . 33 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 1 页 第一章 绪论 题 背景 世界 近几年高新科学技术迅速发展， 业是当前全球经济发展的高速增长点，也是我国国民经济中最具活力的行业。目前，随着我国“中国芯”产业化进程的加快，我国 片封装业作为芯片产业的重要环 节，一直追随者 发展而发展。在 装中引线键合是芯片焊接的最主要形式。引线键合（ 一种利用热、压力、超生波能量将半导体芯片引脚与电子封装外壳 I 着技术的进步和相关行业的发展，高加速度高精度定位平台是引线键合机的核心部件，决定键合的速度和质量，进而影响芯片的成本与可靠性。随着芯片集成度的不断增大，管教数量迅速增多，引线间距日益减小，定位平台的性能已经成为引线键合工艺的发展瓶颈。由于空气的粘性低，不易发生爬行，振动也好，热 稳定性好；使用寿命是半永久性的，与液体静压导轨相比，它不污染环境。由于具有这些特点，载荷变动小的超精密加工机床和测量机以及精密机器一般都采用气浮静压支承。因此：“基于气浮支承引线键合定位平台设计”既有较大的学术价值，又有广阔的市场前景。 题的目的与意义 近年来，随着微电子技术、计算机技术和通信技术的迅速发展电子产品正迅速朝着便携式、小型化发向发展， 别是引线键合技术提出了特别高的要求：（ 1）单位体积信息的提高（高密度化）；（ 2）单位时间处理 速度的提高（高速化）。因此 性能化、多引线和细间距化方向发展，高速、高精度的需求日益紧迫。为进一步提高质量和生产效率，对该类装备的运动精度和运动速度、加速度等性能提出了更高的要求，也体现了该类装备向高速、高精度发展的趋势。这就要求集成电路的引线键合技术不但发展和改良，需要发展新的引线键合定位平台来促进封装业的发展。 因此，发展具有我国自主知识产权的引线键合定位平台设备的核心技术，开展基于新的驱动方式、机构形式和控制方法的新型高速、高精度定位系统的关键技术研究，是 造装备中的重要研究内容之一，对促进 造技术的发展而加快我国 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 2 页 课题主要讨论问题 本课题的主要内容是设计定位平台 X、 位平台计过程可分为总体方案设计，完成原理方案设计和结构方案设计，确定实施方案；对引线键合定位平台 X、 引线键合定位平台的气浮导轨进行设计；对引线键合定位平台驱动装置、传动装置、供气装置、测量等装置进行设计。其中对引线键合定位平台 X、 型、校核，电机型号的选型。对引线键合定位平台的气浮导轨进行设计中关键的是进行气浮垫片的设计。最后完成其他零件的设计，完成装配图及零件的的绘制，保证定位平台的精度和质量，调整方便、简捷。 关研究情况 械部分相关研究情况 人针对芯片制造设备设计出了一种新型磁悬浮超精密工作台，消除了导轨的摩擦和磨损，使工作台在 X、 Y 方向能满足 定位精度。 力于用新型的气浮平台代替传统接触式轴承 重量、体积和成本基本不变的情况下，获得更高的运动速度和定位精度。 于无摩擦驱动的概念，制造了静压空气轴承支撑的伺服电机。 人设计的气浮精密定位平台，加速度达到 12g，定位精度 用空气轴承支撑的新型 动平发展具有我国自主知识产权的引线键合定位平台设备的核心技术，开展基于新的驱动方式、机构形式和控制方法的新型高速、高精度定位系统的关键技术研究。 随着技术的进步和相关行业的发展，应用到秒引线键合机上的定位平台经历了一系列的变化。最初采用的是旋转电机加滚珠丝杠驱动的串联机构形形式，如日本合速度仅为 5线 秒。到上世纪九十年代，直线电机凭借其卓越性能代替了旋转电机开始广泛的应用到芯片封装设备上，如美国 K 028 引线键合机，其定位平台采用广义并联机构，平台由线性导轨支撑， 合速度可达到 11线秒。 司生产的 合速度达到 16 线秒。采用旋转电机和直线电机混合驱动，空气轴承和线性导轨支撑平台，经过特殊设计，旋转驱动构建的质心在其旋转轴线上，实现了旋转机构的质心驱动，消除了质心惯性力的影响。瑞士 100的引线 键合机，最大键合速度为 17 线秒，实验室可以达到 25线秒，是目前世界最高水平。随着新型电机的不断出现，音圈电机、超音速电机和平面电机在微电子装备方面的应用越来越受到人们的重视，天津大学冯晓梅等人研制出由音圈电机驱动的新型高精密定位平台，其最大加速度可以达到15g。 人研制出的新型 台，采用超音速直线电机，结构简单紧凑。作效率有了突破性的进西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 3 页 展，达到了当前流行速度的近两倍。长春光学精密机械与物理所王延风等台 。种新型高速加速度气浮平台，其工作空间 6060速度超过 10g，分辨率低于 100 浮部分相关研究情况 由于空气的粘性低，不易发生爬行，振动也好，热稳定性好；使用寿命是半永久性的，与液体静压导轨相比，它不污染环境。由于具有这些特点，载荷变动小的超精密加工机床和测量机以及精密机器一般都采用气浮静压支承。 空气轴承以清洁干燥的空气作为润滑介质，具有精度高、无摩擦、无磨损、清洁、无污染、寿命长、免维护、低发热、结构设计灵活、耐高 /低温和原子辐射等特点，广泛应用于三坐标测量机，高速旋转 机械工具 (如高速磨头、高速离心分离器、陀螺仪表 )、原子反应堆致冷压缩机、电子计算机记忆装置、微电子制造及医疗设备中。由于采用了空气轴承支撑，系统无摩擦 (或极低摩擦 )，消除了接触式轴承摩擦力的不利影响，使得产品性能得到了极大的提高。但空气轴承无标准化产品供选取，其性能受节流形式等诸多因素影响，因此，设计性能优越的空气轴承并不容易，需要丰富经验和大量理论知识。 较了小孔和多孔材料节流静压空气轴承性能的特点，指出适当增加节流孔的个数，可以使两种轴承的性能比较接近。 过实验和真分析了小孔节流式静压空气轴承的气体流量特性。 人提出了确定空气轴承线性和非线性刚度系数和阻尼系数的方法。 出空气轴承内气体压力分布的理论模型过于简单，所提出的神经网络方法能更好地预测轴承内气体压力分布和承载能力。 人用实验的方法研究供气压力和节流孔直径对矩形静压空气轴承性能的影响。 人通过数值计算、分析和实验的方法分析空气静压止推轴承的稳定性，指出非线性方法的分析结果与实验更接近，与线性方法相比可 靠性更高。 究了小孔节流式旋转轴承的气锤现象。 究了静压空气轴承的入口处的低压特性，对经验公式提出了修正方法。 究了空气轴承表面和节流孔的制造公差、分布对承载能力和刚度的影响，确定出使承载能力和刚度变化在 10%以内的制造公差。 为克服空气轴承刚度低、承载能力差等弱点， 人制造了多节流孔空气轴承。 人设计了微槽轴承，即平面轴承具有浅圆形槽。 用神经网络的发展成果设计了矩形静压空气轴承，轴承上具 有 X 形勾槽。 究了双向双排小孔节流式静压矩形空气轴承在受到侧向力时的动态特性。 述了具有纳米级定位精度的静压空气轴承的设计，讨论了影响静压空气轴承性能的主要参数和制造公差。 膜间隙小于 1 m，刚度可达到 1N/一般静压空气轴承的 10 倍。 出混合节流式矩形空气静压止推轴承容易获得较高西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 4 页 的刚度，从理论和实验两方面研究了具有混合节流器的静压矩形双面 止推轴承的刚度特性。 近年来，以石墨等多孔材料为节流器的静压空气轴承被成功应用。实际轴承设计中，需要减小多孔材料的厚度来缩小轴承的体积，但会导致强度降低，特别是当多孔材料的半径较大时，由于材料的变形，空气很难完全通过多孔材料介质。为此， 多孔材料空气轴承中采用两种供气方法 (圆环勾槽和小孔供气 )，以免轴承表面发生变形，通过理论和实验方法得到了这种轴承的静态和动态性能。 用多孔材料作为节流器制成了几何形状复杂的静压空气轴承，例如球轴承或空气 静压丝杠。 人用有限元方法预测表面完全由多孔材料组成的空气轴承的性能。 尼大、固有频率高等特点，用于高速钻孔工具。马明建等人采用有限元理论分析了静压空气轴承的压力场，并讨论了空气轴承压力场边界条件的处理方法。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 5 页 第 二 章 定位平台总体方案设计 位平台机械部分方案确定 定方案思想 方案一： 传动：滚珠丝杠螺母副 支撑 ：双推 滑动导轨 伺服电机：步进电动机 优点： 采用滚珠丝杠螺母副，可实现旋转运动与直线运动相互转换，在具有螺旋槽的丝杠螺母中装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦。优点是摩擦系数小，传动效率高，灵敏度高，传动平稳，不易产生滑行，传动精度和定位精度高；磨损小，使用寿命长，精度保持性好。双推 缺点： 滚珠丝杠螺母副的不足在于制造工艺复杂，成本高，不能自锁，故需附加制动装置。 方案二 ： 传动：同步带传动 支撑：滑动导轨 伺服电机：直流无刷电机 优点： 同步带传动无相对滑动 ，传动比准确，传动精度高，齿形带的强度高，厚度小、重量轻，故可用于高速传动；传动比恒定，同步带无需特别涨紧，因而作用于轴和轴承等上的载荷小，传动效率高。 缺点： 同步带工作时候有温度要求，安装精度要求较高，中心间距要求较高，有时候需要张紧，安装麻烦。无刷直流电机启动时有震动，控制器要求高，价格高。 方案三 ： 传动：齿轮齿条 支撑：直线导轨 伺服电机：直流无刷电机 优点： 齿轮齿条传动功率大，精度高，稳定性好，响应速度快。无刷直流电机启动时西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 6 页 有震动，控制器要求高，价格高。双线导轨稳定。 缺点 ： 齿轮齿条无自锁 ，需要外加自锁机构。噪音大，磨损较快。 案对比分析与确定 综合课程设计要求，精度为 大载荷是 500N，相比同步带和齿轮齿条传动，滚珠丝杠传动更符合精度要求，因为丝杠传的动的精度可以达到 同步带传动时会产生弹性变形，具有一定的蠕变性。齿轮齿条传动精度和滚轴丝杠精度相当，但是安装较麻烦，安装精度要求高。 步进电动机和直流无刷电机相比，步进电动机控制简单，启动稳定，而直流无刷电机控制要求高，成本高，毕业设计要求精度未达到微米级别，空载转速要求为1m/此 采用低档的步进电动机就能满足要求。 综合以上分析，决定选择第一种方案。步进电动机提供动力，滚轴丝杠传递动力。 图 位平台结构 此数控工作台主要由步进电机、丝杠螺母副、滚动导轨副、工作台、轴承座、端盖、轴承、联轴套、键、垫圈等组成。（具体见装配图） 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 7 页 气静压导轨的方案设计 定方案思想 空气 静压导轨，根据工作台的移动量，载荷量和精度要求的不同，一般采用 下图所示的结构形式 （ a） 图 式平面导轨 图 式圆柱导轨 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 8 页 图 量封闭式 导轨 闭式平面型 闭式圆柱型 重量封闭式导轨 方案一：闭式平面导轨 优点：这种形式的的导轨因工作台移动时导轨面仅产生 很小的挠度，可以获得高精度、高刚度、承载能力大，适合于超精加工设备和测量一起的长导轨。 方案二：闭式圆导轨 优点：这种形式导轨的导向零件少，结构简单。 缺点：零件的精度完全取决于加工