机械毕业设计（论文）-划片机的总体规划及X、θ轴设计【全套图纸】

1 目录 摘 要1 第一章 绪论.2 1.1 课题的研究背景2 1.2 划片机的发展过程2 1.3 三种划片机的技术比较3 1.4 国内外划片机的发展现状4 1.5 划片机的发展趋势5 1.6 砂轮划片机的基本功能与系统构成5 1.7 本课题的主要研究内容6 第二章 IC 封装的介绍及划片机的工作原理7 2.1 IC 封装的介绍.7 2.2 划片机的工作原理8 第三章 划片机原理方案和结构方案设计.11 3.1 划片机设计方案的论证11 3.2 划片机的原理方案及结构方案设计11 第四章 划片机结构参数的初步设计及相关计算.14 4.1 原动机参数的初步的设计14 4.2 X 轴参数的初步设计14 4.3 轴参数的初步设计.14 4.4 支承和导轨的确定14 4.5 砂轮主轴的确定15 第五章 划片机 X、 轴机械结构具体设计16 5.1 X 轴机械结构的设计及计算16 5.2 轴机械结构的设计及计算.18 总结总结25 参参 考考 文文 献献26 1 划片机的总体规划及 X、 轴设计 学 生： 指导教师： 学院 摘 要：IC 封装是半导体三大产业之一，划片机是 IC 后封装线上的第一道关键设备, 其作用是把制作好的晶片切割成单元器件,为下一步单元晶片粘接做好准备。划片机切 割晶片的规格一般为 3-6 晶片,单元晶片的外型一般为矩形或多边形。目前,我国的半导 体封装设备所用的划片机，还主要从美国、日本、新加坡引进。为了促进划片机的国产 化,本课题组开展了 IC 封装设备划片机的研制工作。因此把“划片机的总体规划及 X、 轴设计”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。 关键词：晶片；划片机；半导体；切割 。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706 Abstract: IC encapsulation is one of the three largest industries in semiconductor, and its first key equipment is wafer incision . Wafer incision is used to cut the chips into unit devices,preparing for the next step of bonding of unit chips.The specifications of cutting chip is usually 3 to 6 chips,and the shape of unit chips are rectangular or polygonal.Since to now 2 ,wafer incision is used for IC encapsulation in our country is mainly introduced from America,Japan and Singapore.In order to promote the localization of wafer incision,This research group has carried out the development of IC encapsulation equipment.So we put The overall planning of wafer incision and its design of X, axis as the subject research of undergraduate thesis,it has great academic value and broad application prospects. Keyword: chip; wafer incision; semiconductor; cut. 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题的研究背景课题的研究背景 IC 封装是半导体三大产业之一(器件设计、晶片制作和器件封装)。其后封装工序 主要包括:划片、粘片、超声球焊、封装、检测、包装。划片机是 IC 后封装线上的第一 道关键设备，其作用是把制作好的晶片切割成单元器件，为下一步单元晶片粘接做好准 备。划片机切割晶片的规格一般为 3-6 晶片，单元晶片的外型一般为矩形或多边形。目 前，我国的半导体封装设备(如划片机、粘片机、金丝球焊机等)还主要从美国、日本、 新加坡引进。为了促进 IC 封装设备的国产化，本课题组开展了 IC 封装设备划片机的研 制工作。因此把“划片机的总体规划及 X、 轴设计”作为本科论文的课题，既有较大 的学术价值，又有广阔的应用前景7。 1.2 划片机的发展过程划片机的发展过程 划片技术是集成电路后封装的一道工序，划片机的划片方法根据其发展过程可以分 3 为三种:金刚石划片、激光划片和砂轮划片。 （1）金刚石划片 这是最早出现的划片方法，是目前用得最少的方法，与划玻璃的原理相同。使用锋 利的金刚石尖端，以 50 克左右的固定载荷划出小片的分割线，再加上弯曲力矩使之分 成小片。一般来说，金刚石划片时线条宽度为 6 一 8m 、深度为 5m ，硅表面发生 塑性变形，线条周围有微裂纹等。如果划片时出现切屑，掰片时就可能裂开，小片的边 缘又不整齐，分片就不能顺利进行。金刚石尖有圆锥形(l 点式)、四方锥形(4 点式)等。 圆锥形的金刚石尖是采用其十二面体晶格上的(111轴，并将尖端加工成半径 2 一 5 m 的球面。划片的成品率在很大程度上取决于金刚石尖端的加工精度及其锋利性的保 持情况。 （2）激光划片 第二代划片的方法是激光划片。激光划片就是将激光呈脉冲状照射在硅片表面上， 被光照的那一部分硅就会因吸收激光而被加热到 10000的高温，并在一瞬间即气化或 熔化了，使硅片留下沟槽，然后再沿沟槽进行分开的方法。激光划片时，硅粉会粘在硅 片表面上，所以还必须对硅片上的灰尘进行必要的处理。该方法划硅片比金刚石划片的 成品率高，所以曾经在一个时期内替代了金刚石划片。 但激光划片对工艺条件十分敏感。激光功率、划片速度、焦点位置、气流压力等参 数的波动或变化都会影响划片质量，致使划片深度尺寸不均匀，导致分片时容易碎片， 降低成品率，增加了成本。同时激光划片时，高温对热组织区内的材料也有很大的影响， 从而影响到芯片的性能。但激光划片相对于其他的划片技术来说，结构简单，在切割中 和切割后芯片碎裂率少，无论单晶硅片薄厚，切口宽度均小于 3m，切口边缘平直、 精准、光滑，能够在每片晶圆上制作并切割出更多数量的芯片。 (3)砂轮划片 第三代划片机是砂轮划片机。砂轮划片机是利用高速运转的空气静压主轴带动刀片， 通过光栅尺和导轨系统的控制，将刀刃定位在加工材料上，最终形成具有一定深度和宽 度的切口1。砂轮划片工艺质量与主轴转速、切割速度、刀片厚度等都有一定的关系。 相对合理的主轴转速能有效地控制刀片在随主轴转动时的相对震动、有利于刀片在切割 时的径向稳定性，从而提高切割质量。刀片的切割速度决定工作效率，如果切割速度不 断变大，在切割的过程中沿沟槽的刀具的速度也会变得不好控制。切割速度会受制于待 加工材料的硬度，如硅晶圆表面材料的硬度直接决定切割速度。如果切割超硬材料时切 割深度过大都不利于刀片的正常使用，并最终影响到刀片的寿命。 4 1.3 三种划片机的技术比较三种划片机的技术比较 三种划片技术的比较如表 1 所示。由表 1 可以看出，砂轮划片的加工速度、加工深 度、加工宽度、加工效果等相对其他两种加工技术具有突出的优点，因此砂轮划片是目 前的主流加工技术。 表 1 三种划片机的技术比较 指标 分类 金刚石划片激光划片砂轮划片 加工速度46mm/s150mm/s300mm/s 加工深度310m100m100m 加工宽度310m2025m刀片厚度+10m 划片效果裂纹大有热损耗只有微小裂纹 成品率6070%7080%98% 噪音小大较小 其他 硅片厚度为小片尺 寸的 1/4 以下 有黏着灰尘的问题需要切削液、压缩空气 1.4 国内外划片机的发展现状国内外划片机的发展现状 在国外，划片机自七十年代初问世以来，发展非常迅速，应用领域也越来越广，品 种也在不断增加。刚开始时，只有日本、英国、美国三个国家的四、五个公司制造划片 机，而如今俄罗斯、台湾、中国大陆也都制造出了划片机，划片机制造厂家己经发展到 十多个公司2。目前,国外生产划片机的厂商主要有:日本 DISCO、东京精密 TSK,以色列 ADT,以及英国流星 Loadpoint 公司最初生产的划片机只是用来切割晶体管半导体硅片, 只能切割最大为 3 英寸的硅片。而如今,它不仅可以切割硅片,还可以切割其它的薄、脆、 硬材料,应用领域越来越广泛。日本 DISCO 公司生产的划片机占世界划片机销量的 80%, 代表着当今划片机的较高水平。该公司在 2002 年 12 月推出了 DFD636O 型划片机，该机 最大划片尺寸达 3O0mm(12 英寸),划片槽宽度达到 20m 切割速度高达 600mm/s,定位精 度最高达 0.003mm。JPsereezAssoeiateS 公司生产紫外(UV)激光划片机,可用于切割 300mm 直径的单晶硅圆片,采用 355un 或 266nm 的短脉冲 UV 激光光源,采用了高性能、 超精确的气动操作台,获得了较高的速度和加速度,断面边缘光滑平直，而且划片槽仅有 5 2.5m 宽。 我国真正研制划片机的时间较晚,基本上是从七十年代开始的。1982 年我国研制出 第一台国产化的砂轮划片机,结束了当时我国划片机完全依赖进口的局面。国产划片机 设备制造商主要有:中国电子科技集团公司第 45 研究所、沈阳仪表科学研究院、西安捷 盛电子技术有限责任公司、上海富安工厂自动化有限公司、武汉三工光电设备制造有限 公司。 我国的划片机主要以中国电子科技集团第 45 研究所为代表,该研究所从 1994 年开 始先后生产了 HP602 型(150mm)精密自动划片机,该款划片机采用恒力矩变频分相调速技 术,可以减少圆片正反面的崩角情况并能够提高芯片的抗折强度,从而提高了芯片的质量,工 作台采用滚动导轨；在此基础上于 2004 年研制了 HP801 型(200mm)精密自动划片机,在 增大硅晶圆片一的直径的同时,也增加了硅晶圆片上芯片的数量,提高了芯片产出的效率,并 达到了实用化,定位精度为士 10m；而后又研制了 KS780 等型号的划片机。沈阳仪表 科学研究院研制了 ZSHS 型自动砂轮划片机,精度达到了士 5m m /35Omm,切割晶圆 的行程为 152.4mm,与当时国际上 203.2mm 有很大的差距,切割速度为 150mm/S,与当时的 国外先进的划片速度 300mlm/s 还相差很大。目前,国产新型的双轴 200mm(8 英寸)精密 自动划片机,也已进入了实用化阶段,划片槽宽度达到 3040m。2010 年 1 月 3 日,苏 州天弘激光股份有限公司推出了其第一款晶圆激光划片机 TH 一 321 型激光划片机,采用 高精度的两维直线电机工作台及直驱旋转平台,划片槽宽度降低到 3m。武汉三工光电 设备制造有限公司生产的晶圆激光划片机,采用数控的工作方式,最大线切害速度为 140/S,定位精度为士 10m。 1.5 划片机的发展趋势划片机的发展趋势 伴随着电子技术及相关产业的飞速发展，国际半导体业的生产已发生了巨大变化。 集成电路由大规模向超大规模发展，集成度越来越高，划片槽越来越窄，一般在 3040m14。迄今为止，其遵循的主要规律是：每个芯片上的晶体管数每年增加 50，或每 3.5 年增加 4 倍；特征尺寸、门延迟、连线的步径（线宽+间距）每年减少 13。这对于以金刚石砂轮为刃具的强力磨削加工工艺来说，已进入临界尺寸。为了降 低成本，硅片的直径越做越大，目前国际上已有 15 个国家（地区）建有 160 多条 8 英 寸生产线，7 个国家（地区）建有 12 英寸生产线。 硅片直径由 6 英寸增大到 8 英寸，面积只增加 78，但其中可供芯片利用的面积 增加了 90，晶圆片的成本和价值大幅增加，给划片机的加工精度、可靠性、稳定性 6 提出了越来越苛刻的要求，使划片设备的设计更加复杂，加工制造更加困难。 为了适应集成电路的发展，划片设备技术和工艺有了较快发展。最初的砂轮划片机 只是半自动设备，控制系统采用的是单片机，容量小，设备的功能较少，设备的加工精 度也不高。随着相关技术的发展，现在国外已有全自动的砂轮划片机，一般由主机部分、 自动对准、自动上下片、自动清洗 4 个单元组成。砂轮划片机的控制系统已开始采用工 控机控制系统，控制功能增强；采用光栅测长系统控制各轴的精密分度定位，步进定位 精度小于 0.003mm；采用 CCD 光学对准显微镜进行自动图像识别，自动图形对准。目前 日本的 DISCO 公司又推出了引领划片机潮流、代表划片机最高技术水平的双轴对装式 12 英寸的全自动划片机，并逐渐进入实用化阶段。 1.6 砂轮划片机的基本功能与系统构成砂轮划片机的基本功能与系统构成 从划片的要求出发,砂轮划片机应具备以下一些功能和装置： 1.具有能进行精确平行线切割的机构,所以砂轮刀片或承载工件的承片台应能作 X 一 Y 运动。 2.为了切割不同深度的工件和让刀的需要,应具有能进行高度调整的机构,所以砂轮刀片 或承片台应能作 Z 运动。 3.为了进行两个以上方向的切割,应具有能进行转向的机构,所以砂轮刀片或承片台应能 作 向运动。 4.为了固定薄脆工件,应具有合适的夹紧装置。 5.应具有高转速、高精度的砂轮刀片驱动装置中频空气静压电主轴。 6.图形对准装置光学显微镜及其调整机构,精确切割带有图形的工件。 7.空气压缩机和空气过滤装置,给中频空气静压电主轴提供洁净的压缩空气。 8.上、下冷却水装置,提供充足的冷却液。 9.满足生产率和精度要求的计算机控制系统、相应的硬件以及控制软件。 1.7 本课题的主要研究内容本课题的主要研究内容 (1) 通过调研和参阅相关资料，了解 IC 封装及划片机的工作原理； (2) 完成原理方案设计和结构方案设计，确定实施方案； (3) 对划片机进行结构参数的初步设计，并完成相关的计算； (4) 完成划片机的机械结构 X、 轴进行具体设计；（X 轴效行程大于 180mm,划片速度 0-300mm/s; 转台:转角为100，转角最小分辨率小于 8 角秒） ； 7 (5) 完成装配图和零件图。 第二章第二章 IC 封装的介绍及划片机的工作原理封装的介绍及划片机的工作原理 2.1 IC 封装的介绍封装的介绍 2.1.1 IC 封装的概念 IC 封装，就是指把硅片上的电路管脚,用导线接引到外部接头处,以便与其它器件连 接.封装形式是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。它不仅起着安装、固定、密封、 保护芯片及增强电热性能等方面的作用，而且还通过芯片上的接点用导线连接到封装外 壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件相连接，从而实现内部芯 片与外部电路的连接。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐 蚀而造成电气性能下降。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术 的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的 PCB(印制电路板)的设计和制造， 因此它是至关重要的。 2.1.2 IC 封装的分类 封装主要分为 DIP 双列直插和 SMD 贴片封装两种。从结构方面，封装经历了最早期 的晶体管 TO（如 TO-89、TO92）封装发展到了双列直插封装，随后由 PHILIP 公司开发 8 出了 SOP 小外型封装，以后逐渐派生出 SOJ（J 型引脚小外形封装） 、TSOP（薄小外形封 装） 、VSOP（甚小外形封装） 、SSOP（缩小型 SOP） 、TSSOP（薄的缩小型 SOP）及 SOT（小外形晶体管） 、SOIC（小外形集成电路）等。从材料介质方面，包括金属、陶瓷、 塑料、塑料，目前很多高强度工作条件需求的电路如军工和宇航级别仍有大量的金属封 装。 封装大致经过了如下发展进程： 结构方面：TODIPPLCCQFPBGA CSP； 材料方面：金属、陶瓷陶瓷、塑料塑料； 引脚形状：长引线直插短引线或无引线贴装球状凸点； 装配方式：通孔插装表面组装直接安装 。 2.1.3 具体封装形式 （1） SOP/SOIC 封装 SOP 是英文 Small Outline Package 的缩写，即小外形封装。 SOP 封装技术由 19681969 年菲利浦公司开发成功，以后逐渐派生出 SOJ（J 型引脚小 外形封装） 、TSOP（薄小外形封装） 、VSOP（甚小外形封装） 、SSOP（缩小型 SOP） 、 TSSOP（薄的缩小型 SOP）及 SOT（小外形晶体管） 、SOIC（小外形集成电路）等。 （2） DIP 封装 DIP 是英文 Double In-line Package 的缩写，即双列直插式封装。 插装型封装之一，引脚从封装两侧引出，封装材料有塑料和陶瓷两种。DIP 是最普及的 插装型封装，应用范围包括标准逻辑 IC，存贮器 LSI，微机电路等。 （3） PLCC 封装 PLCC 是英文 Plastic Leaded Chip Carrier 的缩写，即塑封 J 引 线芯片封装。PLCC 封装方式，外形呈正方形，32 脚封装，四周都有管脚，外形尺寸比 DIP 封装小得多。PLCC 封装适合用 SMT 表面安装技术在 PCB 上安装布线，具有外形尺寸 小、可靠性高的优点。 （4） TQFP 封装 TQFP 是英文 thin quad flat package 的缩写，即薄塑封四角扁平 封装。四边扁平封装（TQFP）工艺能有效利用空间，从而降低对印刷电路板空间大小的 要求。由于缩小了高度和体积，这种封装工艺非常适合对空间要求较高的应用，如 PCMCIA 卡和网络器件。几乎所有 ALTERA 的 CPLD/FPGA 都有 TQFP 封装。 （5） PQFP 封装 PQFP 是英文 Plastic Quad Flat Package 的缩写，即塑封四角扁平 封装。PQFP 封装的芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大规模集成电 路采用这种封装形式，其引脚数一般都在 100 以上。 （6） TSOP 封装 TSOP 是英文 Thin Small Outline Package 的缩写，即薄型小尺寸 封装。TSOP 内存封装技术的一个典型特征就是在封装芯片的周围做出引脚， TSOP 适合 用 SMT 技术（表面安装技术）在 PCB（印制电路板）上安装布线。TSOP 封装外形尺寸时， 9 寄生参数(电流大幅度变化时，引起输出电压扰动) 减小，适合高频应用，操作比较方 便，可靠性也比较高。 （7） BGA 封装 BGA 是英文 Ball Grid Array Package 的缩写，即球栅阵列封装。20 世纪 90 年代随着技术的进步，芯片集成度不断提高，I/O 引脚数急剧增加，功耗也随 之增大，对集成电路封装的要求也更加严格。为了满足发展的需要，BGA 封装开始被应 用于生产。 采用 BGA 技术封装的内存，可以使内存在体积不变的情况下内存容量提高两到三 倍，BGA 与 TSOP 相比，具有更小的体积，更好的散热性能和电性能。BGA 封装技术使每 平方英寸的存储量有了很大提升，采用 BGA 封装技术的内存产品在相同容量下，体积只 有 TSOP 封装的三分之一；另外，与传统 TSOP 封装方式相比，BGA 封装方式有更加快速 和有效的散热途径。 2.2 划片机的工作原理划片机的工作原理 2.2.1 金刚石划片机的工作原理 金刚石划片机的工作原理如图 1 所示。金刚石划片机是通过高速旋转的金刚石刀片 对基板进行切割，而传统的激光划片采用脉冲激光在陶瓷上沿直线打一系列互相衔接的 盲孔，孔的深度只需要陶瓷厚度的 13 到 14 ，由于应力集中，陶瓷材料沿此线即 可折断。所以金刚石划片工艺优势在于划片精度高，基板边缘整齐，而使用激光划片机 的基板边缘粗糙，精度难以控制。 图 1 金刚石划片机原理 2.2.2 激光划片机的工作原理 10 激光划片机由激光晶体、电源驱动与控制系统、冷却系统、光学扫描聚集系统、真 空泵、切割控制系统、二维运动工作台、计算机等组成。控制台上有电源、真空泵、冷 却水、紧急停止等的开关按钮和电流调节旋钮等。工作台面上布有气孔，气孔与真空泵 相连，打开真空泵后电池片就被吸附在控制台上，使电池片在切割过程中保持平整并不 易移动。 激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。激光束通过聚焦后，在焦点处 产生数千度甚至上万度的高温，使其能加工所有的材料。激光划片机通过聚焦镜把激光 束聚焦在电池片的表面，形成高功率密度光斑(约 1000000wmm2)，使硅片表面材料 瞬间气化并在运动过程中形成一定深度的沟槽，由于沟槽处应力集中，所以使电池片很 容易沿沟槽整齐断开。 “激光划片”为非接触加工，划片效应是通过表层的物质蒸发出 深层物质，或是通过光能作用导致物质的化学键断裂而划出痕迹。因此，用激光切割太 阳能电池片，能较好地防止电池片的损伤和对电池片的污染，提高电池片的利用率。 2.2.3 砂轮划片机的工作原理 砂轮划片机是精密切割专用设备。被切割的工件通常是圆形或正方形的薄、脆、硬 硅片，切割前大片的尺寸最小是直径为小 50的圆形片，最大是边长为 200的正 方形片，切割后小粒子的尺寸最小是边长为 0.2的正方形。切割后小粒子的形状有 正方形、长方形和正六边形。它主要采用超薄金刚石刀片作为划切加工刃具，主轴带动 刀具高速旋转，通过强力磨削对集成电路基片，以及各种硬脆材料进行高精度开槽和分 割。 11 第三章第三章 划片机原理方案和结构方案设计划片机原理方案和结构方案设计 3.1 划片机设计方案的论证划片机设计方案的论证 根据设计要求划片机的划片速度为 0 到 300mm/s,再结合第一、二章及下表表 2 所 示，本次划片机的设计选择为砂轮划片机；由于对 X 轴的导轨精度要求较高，可选用 THK 超精密直线导轨，通过滚珠丝杠带动滑板沿 X 方向运动；对 轴传动系统要求要 有准确的分度，可以实现小分辨率，能进行微调，这需要很高的传动比，因此 轴传 动部件确定为有较大传动比的蜗轮蜗杆传动。 表 2 三种划片机的技术比较 指标 分类 金刚石划片激光划片砂轮划片 加工速度46mm/s150mm/s300mm/s 加工深度310m100m100m 加工宽度310m2025m刀片厚度+10m 划片效果裂纹大有热损耗只有微小裂纹 成品率6070%7080%98% 12 噪音小大较小 其他 硅片厚度为小片尺 寸的 1/4 以下 有黏着灰尘的问题需要切削液、压缩空气 3.2 划片机的原理方案及结构方案设计划片机的原理方案及结构方案设计 按照上述工作原理和基本功能要求,主机运动就是砂轮刀片与承载工件的承片台两 者之间的相对运动。砂轮划片机总体结构方案可有许多种,下面列出四种典型方案进行 比较，如表 3 所示。 第一种方案中承片台除了作 X 一 Y 十字运动外，,还要作 Z 向上下、 向旋转运 动，四重结构，结构复杂，机器的自重大，运动惯性大，影响定位精度，所以不宜采用。 第二种方案中承片台除了作 X 一 Y 十字运动外，还要作 向旋转运动，结构比第 一种稍简单，但同样存在运动惯性大，影响定位精度的缺点，不宜采用。 第三种方案中,承片台只作 X 一 Y 十字运动，结构相对简单。但砂轮刀片除自转外， 还要作 Z 向上下、 向旋转运动，结构相对复杂，而且冷却液的出口与砂轮刀片的相 对位置是固定的，随着砂轮刀片的旋转，冷却液出口也在旋转，这就增加了防水的难度。 防止水的泄露，对划片机来说是非常重要的环节，因为水的泄露会导致精密零部件的腐 蚀，最后导致整台设备很快丧失精度，无法使用。因此，这种方案不宜采用。 第四种方案中,承片台只作 X 向进给运动和旋转运动,结构较简单。砂轮刀片虽然除 了要作自转外，还要做 Y 向进给以及上下运动，但结构也较简单，而且砂轮刀片的运 动范围比较小，防止水的泄露要容易的多，所以最终决定采用这种结构方案。 表 3 砂轮划片机总体结构方案比较表 序号承片台的运动动结构复杂程度度砂轮刀片的运 动动 防水性能 能 总体布局 局 1X+Y+Z+复杂自转好不好 2X+Y+较复杂自转+Z好不好 3X+Y较简单自转+Z+不好不好 4X+较简单自转+Y+Z好好 13 晶片通过吸附固定在晶片承载台上，晶片承载台与 轴一起安放在 X 轴运动滑台 上，X 轴导轨带动滑台做往复运动，以完成单元晶片的切割，对 X 轴的导轨精度要求 较高，可选用 THK 超精密直线导轨，导轨行走平行度为 3.5m/300mm,丝杠导程为 5mm。电机选用额定转速为 3000r/min 的交流伺服电机。 轴系统的功能是带动承片台 顺、逆时针旋转，旋转范围为100。对 轴传动系统要求要有准确的分度，可以实 现小分辨率，能进行微调，这需要很高的传动比，因此 轴传动部件确定为有较大传 动比的蜗轮蜗杆传动。 综上所述，总传动系统示意图如下图图 2 所示。 其中，X 轴通过交流伺服电机带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠通过连接块将晶片承 载台沿着直线导轨即 X 轴方向运动； 轴传动系统由步进电机通过一对蜗轮蜗杆副带 动承片台顺、逆时针旋转，旋转范围为100。 轴部件安装在 X 轴系统上，与 X 轴一起运动。 图 2 划片机原理及结构方案设计 14 第第 4 章章 划片机结构参数的初步设计及相关计算划片机结构参数的初步设计及相关计算 4.1 原动机参数的初步的设计原动机参数的初步的设计 原动机是驱动机器完成预定功能的动力源。由于本机需要有 X、Y、Z、 四个方向 互不相干的运动，所以需要有四个原动机，但根据本课题的要求，只需要对 X 、 两 个方向的动力头进行设计。在 方向上，根据本机负载不大，主要要求精密分度的特 点，原动机采用步进电机。步进电机总的位移量是严格等于输入的指令脉冲数，或其平 均转速严格正比于输入指令脉冲的频率l7;同时在其工作频段内，可以从一种运动状态 稳定地转换到另一种运动状态。在 X 方向上，采用伺服电机可以实现精确位移、精确定 位，伺服电机选用 Panasonic 公司生产的交流伺服电机,额定转速 3000r/min,在额定转 速下 X 导轨最大位移速度为 500mm/s 。 4.2 X 轴参数的初步设计轴参数的初步设计 根据课题要求 X 轴有效行程大于 180mm，初步设计 X 轴有效行程为 250mm 左右，划片速 度范围为 0 到 300mm/s；直线导轨选用上银直线导轨，两直线导轨的间距为 140mm,滚珠 丝杠导程初选为 5mm ，作为精密传动丝杠，其受力较小，采用类比法，按以往的设计 经验，确定丝杠公称直径为 d=20mm。 4.3 轴参数的初步设计轴参数的初步设计 轴传动系统要求要有准确的分度，可以实现小分辨率，能进行微调，这需要很高 的传动比，因此 轴传动部件确定为有较大传动比的蜗轮蜗杆传动。 转台:转角 15 100,转角最小分辨率为 5 角秒,即 5/3600 度。 4.4 支承和导轨的确定支承和导轨的确定 保持构件之间作相对转动的零件称为支承,又叫轴承;保持构件之间作相对移动的零 件称为导轨。支承和导轨类型繁多,按摩擦性质可分为:滑动摩擦支承和导轨、滚动摩擦 支承和导轨、弹性摩擦支承和导轨、流体摩擦支承和导轨以及磁悬浮支承和导轨等。砂 轮划片机对支承的基本要求主要是要有较高的旋转精度、摩擦力矩较小、有足够的刚度、 耐磨性要好、成本要低等几个方面。 与滑动支承轴承相比,滚动支承轴承的摩擦系数小,轴向尺寸小,启动灵活,效率高, 可采用预紧方法消除轴承内部间隙,增加轴承的刚性,提高回转精度,润滑方便,维护保养 简单,批量生产、价格便宜、互换性好,支承对轴颈没有损伤。 在弹性摩擦支承中,由于弹性元件的弹性变形范围限制了弹性支承只能在不大的转 角范围内偏转,不能连续运转,因此使用范围非常有限。在流体摩擦支承中,需要一套供 压设备和过滤系统,结构复杂,成本较高,也限制了其应用。因此本机的支承全部选用滚 动轴承。 本机对导轨的基本要求主要是要较高的导向精度、运动要灵活、平稳、低速无爬行 现象、耐磨性要好、有足够的刚度、对温度变化不敏感、结构简单、成本要低。与确定 滚动摩擦支承理由相同,导轨也选用滚动摩擦导轨。滚动摩擦导轨摩擦阻力小,运动灵活 平稳,不易出现爬行现象,耐磨损,寿命长,对温度变化不敏感。导轨形式选用圆柱面导轨,圆 柱面导轨结构简单,加工工艺性好,容易得到较高的加工精度。 4.5 砂轮主轴的确定砂轮主轴的确定 由于砂轮刀片的切割线速度 V 必须大于 80m/s,砂轮刀片的外径为 D=50.8mm,所以砂 轮刀片的转速应为: n=V/D=80xl000x60/3.14x50.830000r/min 实际工作中,要求驱动砂轮刀片旋转的主轴转速极限必须超过 30000r/min。 这样高的转速若采用普通机械支承,将会产生严重的摩擦热,导致精度、寿命受损等 严重问题。因此,支承采用了流体摩擦支承中的气体静压支承,主轴采用国内最先进的中 频空气静压电主轴。气体静压支承几乎无摩擦、无磨损、不发热,对使用环境和使用部 位没有任何污染。同时,气体轴承具有回转精度高和耐低温、高温及辐射等优良特性。 因此,空气静压电主轴转速高(转速最高可达 40 000050 0000r/min),精度高,振动 16 小,无磨损,运转性能可靠,可获得平稳高速的线速度,并可长期保持高精度状态。 第第 5 章章 划片机划片机 X、 轴机械结构具体设计轴机械结构具体设计 5.1 X 轴机械结构的设计及计算轴机械结构的设计及计算 5.1.1 X 轴伺服电机的选型 丝杠输送的总质量 W 约为 15 kg,实际摩擦系数 约为 0.12,机械效率 约为 0.9。丝杠螺距 BP 为 5 mm,减速比 GL 为 1/1,X 轴方向无外部作用力 F.则对电机轴换算 的负载转矩 TL为 m015 . 0 10002 g NGL BPFW TL 容量选择时必须满足以下条件: 10 ML JJ 7 . 0 RL TT 式中：为电机额定惯性矩；10 为进行高频定位时的系数；为电机额定转矩；0.7 为安 M J R T 全因子。 计算得： mkgJM 5 1012 . 1 mNTR0214 . 0 以低惯量伺服电机为例,查询选型样本得到 MSMD042G1 符合要求。相关参数为:JM =2.6x10-5 kgm, TR =1.3 Nm.最大转矩 TAC =3.8 Nm.故伺服电机的选型结果为 MSMD042G1 型伺服电机,其额定转速为 3000r/min ,最高转速为 5000r/min。 17 5.1.2 X 轴滚珠丝杠的选型 1.参数与结构的选定 滚珠丝杠的主要参数有:丝杠直径 d、螺距 S、丝杠螺纹长度 Ls 和丝杠总长等。 (1) 确定滚珠丝杠的导程 所选伺服电机为 MSMD042G1 型,其额定转速为 3000r/min ,最高转速为 5000r/min，X 向的最大运动速度为 300mm/s,故丝杠导程为 mm ni V P6 . 3 max max h 其中 i 为传动比，由于伺服电机与滚珠丝杠直接连接，故 i=1。 因此选择滚珠丝杠的导程为 Ph =5mm 。 （2）确定滚珠丝杠的额定载荷 滚动导轨承重时的滑动摩擦系数为 0.12，静摩擦系数与动摩擦系数差不多相等， 静摩擦系数也取 0.12，则导轨静摩擦力为： 38N541500.12fg 00 mF f 为导轨滑块的密封阻力，按 4 个滑块计算，每个滑块密封阻力为 5N。 由于划片阻力很小，可以忽略，故滚珠丝杠的当量载荷为 N FF Fm38 3 2 minmax 滚珠丝杠螺母副的平均转速为 ；其中min/1800 2 n minmax r nn m h p v n 60 按滚珠丝杠副预期工作时间计算额定动载荷为 2 . 491 11100 138 20000180060 100 60 3 3 am ca Wm hm ff FF lnC Lh 为预期工作时间； fw 为负荷系数，平稳无冲击时取 1； fa 为精度系数； fc 为可靠性系数，一般选取 1； 按滚珠丝杠副预期运行距离计算额定的载荷 8 . 649 11 138 5 1025 3 3 3 am ca wm h h ff FF P L C （3） 滚珠丝杠副的两个固定支承之间的距离 18 h PlL14102 . 11 . 1 其中 l 为 X 轴有效行程，l=250mm； 经计算取 L=390mm 。 （4） 滚珠丝杠最小螺纹底径 mm LF m 5 . 5078 . 0 d 0 min 公称直径 d 作为精密传动丝杠，其受力较小，采用类比法，按以往的设计经验，确 定丝杠的公称直径为 d=20mm 。 查得型号为 SFU02005-4 的滚珠丝杠满足要求，其导程为 5mm,公称直径为 20mm,动 额定负荷为 1130kgf。 由于滚珠丝杠用于高精度的传递相对运动，所以滚珠丝杠副的精度等级确定为 1 级， 其精度为 6m/300mm 。 滚珠丝杠采用两轴承座支承，两轴承座之间的距离为 390mm 。 5.1.3 X 轴直线导轨的选型 由上面的计算知滚珠丝杠的公称直径为 20mm,故直线导轨选用上银 HGW 20CA 型号 的直线导轨。 导轨主要用来保证各运动部件的相对位置和相对运动精度的，因此对导轨的精度要 求主要是导向精度，本机对导轨的精度要求为：导轨的不直线度不大于 0.004mm/100mm;两 导轨在垂直平面内的不平行度不大于 0.005mm/100mm;导轨采用过赢装配，形成预加负 载。过赢量为 0.006mm;导轨淬火后硬度为 HRC6064;导轨表面的粗糙度应小于 Ra=0.2m 。 5.2 轴机械结构的设计及计算轴机械结构的设计及计算 轴传动系统是由步进电机通过蜗杆、蜗轮副带动承片台顺、逆时针旋转，旋转 范 围为-100 +100。对 轴传动系统的性能要求是转角定位精度、反向间隙和重复 定位精度。蜗杆、蜗轮副是 轴传动系统的关键部件，下面主要讨论蜗杆蜗轮副的设 计。 5.2.1 蜗杆蜗轮副的主要参数选择 蜗杆蜗轮副的主要参数有模数 m、蜗杆特性系数 q、蜗杆头数 Zl和蜗轮齿数 Z2等。 进行蜗轮蜗杆传动设计时，一般先根据传动的用途和对传动比的要求，选定蜗杆头数 19 Z1，和蜗轮齿数 Z2，其次根据传动力矩的大小和使用条件确定模数 m，同时选定蜗杆 特性系数 q，以上四个参数确定后，蜗轮蜗杆其它几何尺寸可根据相应的计算公式求出。 1. 蜗杆头数 Z1和蜗轮齿数 Z2 本机要求的转角分辨率为 8，所采用的步进电机步进角为 1.5，所以传动比应为: i1.56060/8675，实际设计中取 i=680。由于传动比大，所以蜗杆头数确定 为 1，即: 蜗杆头数 Z1=1 蜗轮齿数 Z2 = iZ1 = 680 2. 模数 m 和蜗杆特性系数 q 蜗杆和蜗轮啮合时，在中间平面上，蜗杆的轴向模数与蜗轮的端面模数相等，即 mal=mt2 ，蜗轮的端面模数规定为标准模数，采用类比法，查标准手册确定模数为 0.2，即:m=0.2，为了减少滚刀的数目，有利于滚刀的标准化，还规定了对应于一定 模数的蜗杆分度圆直径，即对 dl / m(dl蜗杆分度圆直径)的比值加以限制，该比 值称为蜗杆特性系数 q，q=dl / m。当模数 m=0.2 时，查标准手册选取蜗杆特性系数 为 24，即:q=62.5 。 3. 蜗杆蜗轮副主要几何尺寸计算 蜗杆蜗轮副主要几何尺寸计算列于表表 4 。 表 4 蜗杆蜗轮副主要几何尺寸 名称符号计算公式得数 蜗杆分度圆直径d1qm 1 d12.5mm 蜗杆分度圆上升角 q z1 tanarc 55 蜗杆齿顶圆直径da11,2d 11 aaa hmhd12.9mm 蜗杆轴面顶隙系数C25 . 0 C 蜗杆齿根圆直径dnmChd a 2d 1f1 12mm 蜗杆螺纹部分长度LmL 2 z06 . 0 1115 20 蜗轮分度圆直径d2 22 dzm136mm 蜗轮齿顶圆直径da2mhd aa 2d 22 136.4mm 蜗轮齿根圆直径df2mChd af 2d 22 135.5mm 蜗轮外圆直径dw2mda w 2d 22 136.8mm 蜗轮螺旋角2 2 55 蜗轮宽度b 1 75 . 0 b a d9.5mm 蜗轮轮齿包角2 7045270 中心距a 2 2 azq m 74.25mm 4. 蜗杆蜗轮副设计 首先确定蜗杆螺纹部分的长度： 查手册知： 普通圆柱蜗杆：Z 1=1，2 时，b(12+0.1Z2)m ； Z 1=3，4 时，b(13+0.1Z2)m ； ZC1蜗杆：b2.5m1 2 Z ZC3蜗杆：当 x21，Z1=1，2 时，b(12.5+0.1Z2)m； 当 x21，Z1=1，2 时，b(13+0.1Z2)m； 当 x21，Z1=3，4 时，b(13.5+0.1Z2)m； 当 x21，Z1=3，4 时，b(14+0.1Z2)m； 综上所述，选择蜗杆的螺纹部分的长度为 b(12+0.1 x 680) x 0.2=16mm,取蜗杆长 度为 b=20mm 。 蜗杆蜗轮副工作图如图图 3 所示。 21 图 3 蜗杆蜗轮副工作图 步进电机通过弹性联轴节直接带动蜗杆旋转，蜗杆每转一周，蜗轮转过一个齿。蜗 杆利用两个面对面安装的角轴承作轴向定位，利用调整垫来消除轴承之间的间隙，并预 紧轴承，以此提高轴承的旋转精度和增加轴承装置的刚性。蜗轮利用向心球轴承进行中 心定位，以提高旋转的灵活性。 4.1 蜗轮蜗杆副中弹性联轴器的选择 由于所选电机的输出轴为 D 型轴，且输出功率较小，可以选用 D 型孔联轴器，D 型孔联轴器型号为 KH7-20 。 4.2 蜗轮蜗杆副中轴承的选择 根据轴的结构，详见图纸，选择轴承的型号为角接触球轴承 7200B GB/T292-94 。 5.2.2 蜗杆蜗轮副传动误差的计算及精度分析 传动误差是由四个大小不同的偏心对转角误差的影响引起的，而且这四个偏心的相对位 置(相位)是随机的。但当蜗轮一旦制造和安装完毕之后，各相位就固定不变了，而且是 以同一转速同步旋转，因此运用概率统计理论来计算传动链的误差时，应根据平面上四 个随机矢量的合成原理来进行计算。 22 实践证明，在影响传动误差的四个方面的因素中，蜗杆蜗轮副本身的制造误差影响 最大，其它三个因素在精心设计、精心加工和装配的条件下影响较小，有时可忽略不计。 因此输出的传动误差t 可按下式计算： 2 t 8 . 4 mz Ftc 式中 Ftc 传动切向综合误差，Ftc =50m 秒76. 1 6802 . 0 50 8 . 48 . 4 t mz Ftc 转角 100时的误差为： 秒88 . 0 200 1 100 t 整个系统转 100时的转角误差为： 0.99 秒 2222 1s 88 . 0 45 . 0 t 由于转角误差 s8，故从计算结果来看，设计的蜗轮蜗杆副的旋转角度能 够满足设备的使用要求。 5.2.3 步进电机的选型 1. 步进电机转矩的选择 大致说来，扭力在 0.8N.m 以下，选择 20、28、35、39、42(电机的机身直径或方 度，单位：mm);扭力在 1N.m 左右的，选择 57 电机较为合适。扭力在几个 N.m 或更大 的情况下，就要选择 86、110、130 等规格的步进电机。故 轴步进电机选择 42mm 步进电机。 2. 步进电机相数的选择 两相步进电机成本低，步距角最少 1.8 度，低速时的震动较大，高速时力矩下降快， 适用于高速且对精度和平稳性要求不高的场合；三相步进电机步距角最少 1.2 度，振动 比两相步进电机小，低速性能好于两相步进电机，最高速度比两相步进电机高百分之 30 至 50，适用于高速且对精度和平稳性要求较高的场合；5 相步进电机步距角更小， 低速性能好于 3 相步进电机，但成本偏高，适用于中低速段且对精度和平稳性要求较高 的场合。由于 轴的转动精度为 8，对精度要求较高，故选用 5 相步进电机。 综合以上的叙述，选择步进电机的型号为 SS1701E08A ，电机静力矩为 130mNm 。 5.2.3 轴方向的晶片工作台幅面尺寸 根据设计要求， 轴方向的晶片工作台幅面尺寸为 200 X 200mm 。 23 5.2.4 X 轴方向移动滑台幅面尺寸 根据设计要求，X 轴方向移动滑台幅面尺寸为 300 X 300mm 。 5.3夹紧装置的设计夹紧装置的设计 由于被切割的