机械毕业设计（论文）-LED粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究【全套图纸】

LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究 1.1 引言引言 LED粘片机是集机、光、电、气于一体的高速度、高精度、高智能化的设备，也是LED 生产过程中的关键设备，其性能直接影响到所生产LED的性能、生产效率和产品的合格率。 全自动LED粘片机是由上料机构、出料机构、点浆机构、送料机构、晶圆芯片供送系统、刺 晶系统、粘片机构及电气控制系统、图像识别系统、软件系统等组成LED芯片通常是以阵列 方式排列在一块晶圆上，目前可制作的晶圆最大直径已达300mm，晶圆进一步经过划片、扩 晶后，单个的芯片便以行列的形式粘覆在一个胶膜上，为便于拾取芯片，常用一个特制的圆 环将胶膜绷紧固定。晶圆芯片供送系统即是一个用于连接此晶圆固定圆环，可在x，y平面内 精密移动的工作台。它的主要功能是将晶圆上排列地芯片逐行逐列的送到CCD标定（ 吸晶、 刺晶）位置处。晶圆供送装置要求各运动件刚度高，相互摩擦小，配合精度高，能够满足小 步距、大行程的要求，且具有微调和装卸方便的特点。 全套图纸，加全套图纸，加153893706 1.2 课题来源课题来源 “失去制造，失去未来”的认识如今已成为全球的共识，在21世纪的国力竞争中，发达 国家将制造列为战略发展的优先领域，抢占制造技术的制高点更是各国的战略必争。 中国是个制造大国正在向制造强国转变，在微电子行业无论是消费市场还是装备制造基 地都在向中国转移，中国正在成为制造大国和消费大国。 微电子技术经过半个多世纪的发展，在其产业内部形成了自己特有的产业分工：材料制 备、前道工艺和后道工艺。作为微电子技术发展的基础，材料制备早就发展的比较成熟，而 在信息技术、控制技术等新技术的发推动下，前道工艺的相关技术也如日中天，日渐成熟， 例如晶元的不断扩大等。但相比较而言微电子制造的后道工艺技术才刚刚起步，或者说相对 而言发展不是很成熟，因此有必要在微电子制造后道工艺方面做一些技术研究和改进，以适 应当今世界对微电子产品的需求。 在半导体封装领域，LED制造技术具有独特的代表性。其中LED封装工艺属于后道工艺， LED的固晶过程（又称粘片过程）在封装工艺中占有极其重要的地位。目前而言国内的厂家 1 绪论绪论 无锡太湖学院学士学位论文 所用的设备大部分都来自国外，LED固晶技术及设备几乎被国外所垄断，国内厂家即使能仿 制一些型号的产品，但是精度不急国外产品的二分之一。但庆幸的是这项技术也还在发展中， 如果加以足够深度的研究完全可以打破国外的垄断。 在对微电子制造技术做出简单分析之后即可知道，作为极端制造技术的分支，微电子制 造技术存在着高效、高速与精密之间不可调和的矛盾，LED封装同样面临此问题。要解决此 问题必须对LED封装设备，即现在市场主流产品全自动LED粘片机作深入的研究。经研 究发现芯片拾取机构，即固晶臂在整个粘片工作过程伴随着高速、高效、精密的特点，它是 全自动LED粘片机的核心部件，也是LED粘片机的设计关键所在，还是解决 “高速”和“精密” 这对矛盾的关键所在。本课题来源于工程实际，以LED封装着眼于解决企业中的实际工程问 题，落脚点在于解决半导体制造装备中高速度与高精度之间的矛盾。 LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究 1.3 LED 课题背景课题背景封装技术的国内外发展状况封装技术的国内外发展状况 1.3.1 国内国内 LED 封装产业的发展状况封装产业的发展状况 半导体照明技术采用半导体发光二级管（LED）作为新光源。在同样的亮度下，半导体 灯的耗电量仅为普通白炽灯的1/10，而寿命却可延长100倍。此外，由于LED的光谱中只有 少量的紫外线或红外线，半导体灯辐射很低，热量很小，而且废弃物可以回收，无污染，被 称为绿色光源。因此近年来，美国、日本、韩国、欧盟等国家和地区都在制定相关的发展计 划以抢占半导体照明产业的制高点。 半导体照明也引起了我国相部门的高度重视。由科技部，信息产业部等6部委和14个地方 政府共同实施的“国家半导体照明工程”相关项目已经正式启动。另外国家还设立了“半导体 照明产业化技术开发专项”，以产业化为目标，解决市场急需半导体照明应用产品低成本产 业化技术，培育新型大功率半导体照明产业，重点在大功率、高亮度半导体发光体芯片制造 及封装产业化，照明系统技术及重大应用产品开发等俩各个方面。 我国LED封装产业发展较快，目前从业企业已超过400多家，封装能力超过200亿只，预 计在今后我国在LED封装产业中要占全球市场的70%左右，封装规模生产线及设备的需求将 会剧增。但我国的封装产业中存在很多问题，一是企业虽有所增多但生产线规模很小，还有 很大一部分企业是手工或者说半自动生产作业，产量也有限；二是产业综合竞争力不强产品 都集中在传统支架式LED且主要是低端产品，在chip-led, top-led, power-led, high power-led领 域几乎不成规模，三是主要封装设备像全自动粘片机、引线焊接机测试机、编带机等几乎全 部依赖进口，即使有一小部分企业在做封装设备的研究，但是主要还是通过测绘国外仪器进 行复制，精度差，效率低；四是LED照明需要高效率低成本大功率的LED产品，目前而言我 国的封装技术及设备发展水平还不是很高。 目前国产设备领域LED粘片机还属于开发研究的初期阶段，各厂家都在使用ASM的产品 或者是仿制的ASM的全自动粘片机，设备昂贵，企业压力大。但是近年来也有不少单位、 企业在这方面做出了努力，为LED封装产业做出了一定的贡献，比如四十五所也能独立自主 的生产高水平的全自动粘片机；另外在广州深圳等地方也有几家企业能够独立自主的研发相 关设备。 1.3.2 全自动全自动 LED 粘片机的国外发展状况粘片机的国外发展状况 国外全自动LED粘片机的主要生产厂家是位于新加坡的ASM公司，另外我国的香港，马 来西亚也有ASM的分公司。其生产的AD809、AD809-03、AD8930等机型占据了大部分市场 份额，其技术形式也基本代表了LED粘片机设备发展的方向。 1.3.3 国内国内 LED 产业的发展状况产业的发展状况 目前国内的生产厂家在线的LED粘片机大约有600 台以上, 我国LED 产量从2000 年84亿 只增加到2003年的200亿只, 平均每年新增粘片机在100台以上, 业内预计2004 年LED 产量 可突破300亿只, 新增粘片机将会在150台以上。未来5 年内,将是LED 产业大发展时期, 中 国将会成为世界LED后封装的最大生产基地, 这将会有一大批规模( 年产10亿只以上) 型企 业诞生( 注: 我国目前只有两三家年产5亿只以上的企业) 。 无锡太湖学院学士学位论文 2 1.3.4 发展方向与前景发展方向与前景 一个固晶周期包括固晶，提升，抓取，旋转，下降，粘片以及回复动作。国家对环保节 能产品的支持，国际市场对节能产品的追逐，必将迎来led产业的大发展。企业将在提高效 率方面下大功夫，效率的提高必定大大提升产能。针对国际市场上的LED粘片机周期在 300ms左右，现在新研究的粘片机推出的理论周期值在160ms，发展前景会非常的好。 1.4 全自动全自动 LED 粘片机的主要结构及工作原理粘片机的主要结构及工作原理 LED粘片机实际与视觉检测的全自动粘片控制系统，融合了图像处理、模式识别、光电 检测、控制理论、机电一体化等多门学科的知识理论。但是整机的设计是在固晶臂（用于粘 片的核心部件）设计研究基础上进行的，所有的软件、电气、控制部件、机械部件的设计都 是围绕固晶臂的设计而展开的。 LED粘片机的主要机构如下图1.1所示： 图1.1 led粘片机主要机构图 整个工作过程在图像识别系统的监控下进行，通过控制系统对传输机构的控制配合点胶 机构及拾取粘片机构的工作。工作流程如下图1.2： LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究 图1.2 LED粘片机工作过程 现有的比较高端的粘片机固晶臂回转时，峰值加速度达到79g,峰值速度达到12m/s，封装 度的达到5次/s。另外，由上图可见LED固晶过程中固晶臂的作用十分重要，它是LED粘片机 的核心部件。 1.4.1 LED 封装工艺流程简述封装工艺流程简述 LED 封装工艺流程如下所述： (1) 排支架 前站:扩晶 温度:调整50-60摄氏度 预热十分种 扩晶时温度设为65-75摄氏度。 (2) 点胶 调节点胶机时间:0.2-0.4秒.气压表旋纽 0.05-0.52mPa .要调节点胶旋纽使出胶标准。 冰箱取出胶,解冻三十分钟,安全解冻后搅拌均匀(20-30分钟) 银胶高度在晶片高度后1/3以下,1/4以上,偏心距离小于晶片直径的1/3. (3) 固晶 固晶臂与固晶平面保持30-45度.直至压到臂尖顶部。 固晶顺序从上到下,从左到右。 用固晶笔将晶黏固到支架,腕部绝缘胶中心。 (4) 固晶烘烤 烤 温度定 150摄氏度 1.5小时后出烤 (5) 一般固晶不良品为: 固骗、固漏、 固斜、少胶、多晶、芯片破损、短垫(电极脱落)、芯片翻转、银胶高度超 过芯片的1/3(多胶) 晶片粘胶 焊点粘胶 (6) 焊线 机太温度为170-220摄氏度 单线:220度 双线:180度 无锡太湖学院学士学位论文 4 焊线拉力715g 焊线弧度高于晶片高度小于晶片3倍高度 焊点全球直径为全线直径的2-3倍.焊点应用2/3以上电极上 注:一般焊线不良品: 晶片破损 掉晶 掉晶电极 交晶 晶片翻转 电极粘胶 银胶过多超过 晶片 银胶过少(几乎没有) 塌线 虚焊 死线 焊反线 漏焊 弧度高和低 断线 全球过大或 小。 (7) 补充说明： 扩晶，把排列的密密麻麻的晶片弄开一点便于固晶。 固晶，在支架底部点上导电/不导电的胶水(导电与否视晶片是上下型PN结还是左右型 PN结而定）然后把晶片放入支架里面。 短烤，让胶水固化焊线时晶片不移动。 焊线，用金线把晶片和支架导通。 前测，初步测试能不能亮。 灌胶，用胶水把芯片和支架包裹起来。 长烤，让胶水固化。 后测，测试能亮与否以及电性参数是否达标。 分光分色，把颜色和电压大致上一致的产品分出来。 包装。 1.5 本文研究的内容本文研究的内容 机构是LED粘片机的核心部件，因此固晶臂的设计至关重要，因此本课题主要围绕固晶 臂的研究而进行，主要研究内容如下： (1) 固晶臂的工作过程优化； (2) 固晶臂的动态特性分析； (3) 固晶臂的结构设计、分析及优化，包括固晶臂的模态分析、优化设计； 1.6 本文研究的目的与意义本文研究的目的与意义 由LED封装工艺可以看出固晶这一过程在整个封装流程中至关重要，本课题主要着眼于 固晶这一过程进行相关研究及相关设备的设计、优化、实验、分析等。 粘片机是完成固晶过程的主要设备，而现在市场上的全自动粘片机主要是ASM的产品。 我国要发展自己的LED产业，就必须摆脱对国外产品的依赖，就必须有自己的一套装备及相 关理论和研究。因此本课题的研究有着十分重要的意义。本课题的研究也将为我国做LED封 装设备的各种企业提供一定的参考，对我国LED装备企业的发展也会有很大的好处。另外也 可以为中小企业提供参考，使之在各自领域形成自己的知识产权，有助于企业转型。 此外本课题提出的自适应、闭环的分析优化方法也可以促进虚拟设计技术的发展，使虚 拟设计突破目前设计与分析优化分离的瓶颈。作为极端制造的产品如航空件、风电、桥梁、 建筑等，本课题的研究还将为这类产品的研制提供很好的产考。 LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究 装配设计LED芯片取放机构图 2.1 如上。设计分为旋转电机，圆柱直线电机，固晶臂，旋转 轴，联轴器等主要设备元器件组成。 图 2.1 LED粘片机芯片取放机构整体结构图 LED粘片机是旋转电机与直线电机的组合式运动。旋转电机带动直线电机以及固晶臂做 旋转运动，直线电机带动固晶臂做直线往复运动。固晶臂在两电机的作用下实现上移，旋转 （90）下移，旋转（90） 。要求旋转的频率较高，同时要求旋转电机的频率要高，同时直 线运动的电机运动 4mm左右，需要保证运动的震动型，避免频率形同引起共振。与直线电 机相连的轴直径需要满足疲劳强度，直径至少 13mm 实心。通过联轴器连接。最终选用实 心 14mm 铝合金材料的轴。联轴器选择与轴相配合的法兰，法兰与直线电机相连。 2.2 连接设备的设计连接设备的设计 在连接部件运动过程中，满足许用力非常关键。下面是针对销的设计计算： 销如图 2.2 示： 2 LED 粘片机芯片取放机构的结构设计粘片机芯片取放机构的结构设计 2.1 机构的整体设计机构的整体设计 无锡太湖学院学士学位论文 图2.2 连接销 ； 3 r r d2 . 0 T W T （2.1） ； )( 9550 Nm n p T （2.2） 若传递功率单位为马力（PS)时, 由于 PS=735.5Nm/s； ；满足扭矩要求，)(7024Nm n P M 轴的材料选用铝合金；铝合金的许用剪应力为 60Mpa；T=24.5Nm d T 3 2 . 0 mmd0126861 . 0 （2.3） 取直径为 13mm。如果采用空心轴的话，则最小直径12.7mm，也可取 13mm。如果采 用 40Cr，其抗拉强度为 981Mpa，C42 热处理， d T 3 2 . 0 （2.4） mm，取直径可取 8mm。00498 . 0 d 2.3 运动的时间分配以及电机负载惯量分析运动的时间分配以及电机负载惯量分析 2.3.1 时间分配时间分配 共 160ms(reference)； LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究 表 2-1 时间分配 部件 动作 停顿 （在蓝 膜上） 上移动下停顿 （在支 架上） 上移动下 摆臂1017361710173617 移动等待等待等待 工作台110201020 等待等待移动等待 承片台102011020 转动 90 度大概用 36 毫秒； 时间分配图 2.3 谱如下（时间单位为 ms）: 36 10 17 17 1717 1010 图 2.3 运动时间简图 摆臂平均每分钟达到的转速为：； 转动 90 度大概用 36 毫秒；直线电机 17ms 运动 4mm 2.3.2 惯量系统惯量系统 摆臂：0.002kg*m 重量：0.44 kg 材料: 铝合金 左右转动惯量的生成及叠加： 摆臂：J1=0.00284569 kg. m2； 轴套：J2=0.00001458kg. m2； 法兰：J3=0.00003386kg. m2； 筒套：J4= 0.00001113 kg. m2； 钨钢吸嘴：J5=0.000003562 kg.m2； 法兰 2：J6=0.00001356 kg.m2； 法兰轴上总转动量：J 花总=J1+J2+J3+J4+J5+ J6 =0.002921692kg.m2 由于传动比为 1，因此折算到电机轴的转动惯量不变即 J 花总=J 折=0.002921692kg.m2。 总的负载惯量为：J负载 负载=J折算折算=0.002921692kg.m2 无锡太湖学院学士学位论文 2.4 电机的选择电机的选择 2.4.1 电机加速度的选择电机加速度的选择 为了算出设备所需要的扭矩，合适的功率，去找适当的电机。在设计的过程中，首先对 机构在不同加速度运转下需要的电机参数进行试验计算，从而为所需要的参数下的电机提供 理论基础。 假设 1：在 30ms 内，摆臂转过，前 15ms 内角加速度为正转过 45 度，后 15ms 内转过 45 2 度，角加速度为负，则在 15ms 内速度加到最大值，其平均速度为： srad / 3 50 10302 3 （2.5） ,因此其平均角加速度 max 2 1 srad / 3 100 max 2 3 0 max / 9 20000 1030 2 1 3 100 2 1 srad t （2.6） 算出电机的负载力矩：,则电机的负载功率 mNJM40.20 9 20000 002924901 . 0 为： kwMP068 . 1 60 214. 350040.20 （2.7） 假设 2：在 40ms 内摆臂转过 90 度，在前 20ms 加速，后 20ms 减速，则其加速时平均 角速度为，其最大角速度为，其平均角加速度为srad /5 .12 1020 4 3 srad /25 ，算出起负载力矩为 2 3 max /3925 1020 25 /sradt ， mNJM48.11002924901 . 0 3925 负载 负载功率 kwMP45 . 0 14 . 3 5 . 1248.11 （2.8） 假设 3：在 50ms 内转过 90 度，在前 25ms 加速，后 25ms 减速，则其平均角速度为 ，其最大角速度为，其平均角 加速度为srad /10 1025 4 3 srad /20 ， 2 3 max /2512 1025 20 srad ta LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究 11 算出起负载力矩为 mNJM35 . 7 002924901. 02512 负载 （2.9） 负载功率，kwMP23. 014 . 3 1035 . 7 2.4.2 电机选择设计方案电机选择设计方案 用 36ms 转过 90 度。直线电机用 18ms 走完 4mm。 无锡太湖学院学士学位论文 10 （1）用多项式求解电机的关键参数 用 5 次多项式逼近时 表 2-2 关键参数 Maximun values max ff tx /875000 . 1 max 2 /773503 . 5 ff tx max J 3 /60 ff tx 旋转电机： )/(81230729.81 036. 0/ 2 875000. 1 /875000. 1 max srad tx ff （2.10） 每分钟转速为： min)/(781249986 2/81230729.8160 2/60 r n )/(68310.6997 036 . 0 / 2 773503. 5 /773503. 5 2 2 2 max srad tx ff )/(004223.2020057036 . 0 / 2 60 /60 33 3 max srad txJ ff 电机最大负载力矩为： )(46753.2068310.6997002924901. 0 max mNJM （2.11） 负载功率为： kwMP674 . 1 495878.167481230729.8146753.20 （2.12） 用 9 次多项式逼近： 表 2-3 关键参数 Maximun values max ff tx /096406 . 2 max 2 /775466 . 6 ff tx LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究 max J 3 /416054.48 ff tx 无锡太湖学院学士学位论文 （2）旋转电机的关键参数设计计算 (2.13) )/(4729678964.91 036 . 0 / 2 096406 . 2 /096406 . 2 max srad txv ff 每分钟转速： ；minr2472967896.9160260n ； 222 ffmax srad09653173.8212036 . 0 2 775466 . 6 tx775466. 6a ； 333 ffmax srad5070764.1629867036 . 0 2 4163054.48tx41054.48j 电机最大负载力矩为： m542.24329333487654.8207002990041 . 0 amaxNJM 总负 图 2.4 运动简图 匀速时间为零，停止时间为零。 （3）计算负载惯量及惯量比 =+J9=0.002075966+0.000006608 =0.002024901kg.m2负载 J 折算 J 连接装置惯量为 0.00006514kg.m2 J 总负= J 负载+J 联轴器=0.0020924901+0.00006514=0.002990041kg.m2 预选取 3kw 的电机 400 MSME 3.0kw低惯量 中容量 转子惯量（无制动器） 2 m mkg00065 . 0 J （有制动器） 2 m mkg000785. 0J LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究 惯量比计算：倍10 倍， 符合要求。 8 . 3 000785 . 0 002990041 . 0 m J J总负 (2.15) （4）计算转速： 转动距离为，转动时间为 36ms=0.036s； 2 加速时间为 0.018s,减速时间为 0.018s; ; 42 1 max 加速时间 (2.16)srad266.87 018 . 0 2 2 4 max 加速时间 加速度=6997 (rad/s2) (2.17)minr 3 . 833 2 60 n max max (5)计算转矩： (2.18)m30.1811.4848002990041 . 0 000785 . 0 a mda NJJTT 总负 有效转矩： 47.7Nm(瞬时最大转矩)m3 .18 036 . 0 3 . 18018. 0 3 . 18 t tt 018 . 0 22 c d 2 da 2 a a N TT T 1.6kw3kw (2.19)w9618.1596266.87 3 . 18rmspT 松下电机：400MSME，3.0kw低惯量 中容量电机满足要求。 （6）直线电机的选择。 确定机构部件：定子，电机直连机构。摆动臂。 确定运动模式：直线运动。加速运动，减速运动。 计算负载惯量及惯量比： =+J9=0.002+0.00000663 =0.002024901kg.m2 负载 J折算 J 连接装置惯量为 0.00006514kg.m2，因此总负载惯量为 J 总负= J 负载+J 联轴器 =0.0020924901+0.00006514=0.002990041kg.m2 vmax= ; ff tx /875000. 1)/(822. 00085. 0/004 . 0 875000. 1sm amax=; 2 /773503 . 5 ff tx)/(6 .3190085. 0/004 . 0 773503 . 5 22 sm jmax=; 3 /60 ff tx)/(3907990085 . 0 /004 . 0 60 33 srad 无锡太湖学院学士学位论文 12 电机最大负载力矩为：；)(76.1916 .3196 . 0 max mNamF LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究 13 电机负载功率为：;kwwvFP1576 . 0 6 . 157822 . 0 76.191 选择满足要求的电机：行程 4.6mm，持续推力 136N，最大推力 424N,负载功 0.2KW。 线性马达图示如下图 2.5： 图 2.5 线性马达 无锡太湖学院学士学位论文 14 全自动LED 粘片机是一个高精密机构。芯片拾放装置是粘片机最重要的部件，其功能 是将晶圆上已切割分离成一粒粒的芯片逐个吸起，传送并放置到引线框架上涂有银浆的装载 杯中，使芯片在引线框架上被粘焊固定。芯片拾放装置需要精确、快速、平稳地往返于拾片 和粘片两个位置，实现拾取、传送和放置芯片等动作。摆杆是芯片拾放机构中最重要的部件。 摆杆既要精密、轻巧又要刚度高。摆杆质量的好坏直接影响到粘片机速度的提高。传统的设 计只是要求摆杆转动半径要达到要求，尽量省材料。摆杆在工作过程中，当摆到引线框架上 方时，压缩空气通到吸嘴，迅速将芯片吹出释放，并通过吸嘴对芯片施加压力将芯片放置在 引线框架上涂有银浆的位置。为此通过对摆臂进行静力学分析以及振动分析来模拟摆臂在运 动过程中即将出现的问题，同时为尽可能地满足生产要求提供一定的实验依据。 图3.1 摆臂 工业生产中常见的是连接套与摆臂相连，也有三段的连接体，如图示： 图 3.2 三段连接体 二段以上的拥有缓冲的优势，在嵌套上面连接传感器，保证晶体破坏，但是二段及以上 段在高速运转（160ms 的周期运转）下固连部件容易出现松动，影响精度。 3.1 固晶臂静力学分析固晶臂静力学分析 LED 粘片机关键部件是焊头运动机构。焊头主运动结构要求在垂直平面内实现两个方 向的运动, 在高速运动的同时还要求定位高、运动平稳。焊头的作用是将晶圆( wafer) 上已 3 固晶臂的研究分析固晶臂的研究分析 LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究 19 切割 无锡太湖学院学士学位论文 分离成一片片的芯片逐个吸起, 传送并放置到引线框架上, 使得芯片在引线框架上被粘 焊头通常由两个电机分别驱动。为了使焊头运动平稳, 在设计机架的时候一定要使机架固有 频率避开驱动电机的运动频率及倍频, 以减少共振。 3.1.1 有限元分析的工具有限元分析的工具 通常, 使用ANSYS 建立复杂的三维实体模型比较麻烦, 所以在一般情况下使用三维软 件( 例如SolidWorks、CATIA等) 来建立几何模型, 同时将该模型转换为ANSYS 认可的文件 格式, 例如IGES 格式和parasolid格式。将IGES 格式的模型文件导人ANSYS, 可以发现该模 型往往存在或多或少的缺陷, 例如线或面之间存在小间隙、出现多余的图元等, 这都是模型 文件进行转换时所造成的不良影响。我们可以使用ANSYS 中的几何和拓扑修复工具对这些 缺陷进行修复和完善, 有时候效果并不是很好, 这对分析结果会造成影响。同时, ANSYS 的 操作界面不是很友好, 有时还需要进行文字命令输入, 而且在进行模态以及谐响应分析时, 占 用的内存资源过多, 并会消耗大量的时间。有限元静力学分析方程静力学分析是指求解 不随时间变化的系统平衡问题,如线弹性系统的应力等。线性方程的等效方程为 Ku=F （1） KuFa+F r （2） 式中：K为总刚度矩阵， Kn m=1Ke， u为节点位移矢量，n 为单元数， Ke为单元刚度矩阵， F r为支反载荷矢量， Fa为所受的总外载荷。 通过式（1）和式（2）得出各点的位移矢量u 。根据位移插值函数，由弹性力学中的 应变和唯一、应力和应变的关系，得出节点的应变和应力表达式： el =Bu-th （3） =Del （4） 式中，el 为由应力引起的应变，B为节点上的应变-位移矩阵，u为节点上 的位移矢量，th为热应变矢量（本文不考虑），为应力矢量，D为弹性矩阵 系数。求解式（3）和式（4），得到各节点的应力。 3.1.2 摆臂静力学分析摆臂静力学分析 （1）在HyperWorks 里可以先划网格，然后再定义单元类型，对划好的单元赋以材料 属性. HyperWorks 的几何模型从CATIA三维CAD 软件导入. 进行有限元分析时，如果要准 确模拟这些特征，需要用到很多小单元，导致求解时间延长。FEA 只需要简化的几何模型， 因此需要对模型部件的一些细节信息进行简化，以便于网格划分和分析。此外，模型的一些 几何信息在导入时可能会出错，如导入曲面数据时可能会存在缝隙、重叠、边界错位等缺陷， 导入单元质量不高，求解精度差。一般，所有的有限元软件的单位都是需要用户自己定义。 不过有些软件也有一些默认的单位，例如长度单位是mm、质量单位是kg 等。用户在设置单 位的时候要注意所有的单位要形成一个“封闭的回路”。例如，当质量的单位是kg，时间的单 位是s，长度单位是m，那么根据牛顿第二定律：F=ma，即F 的单位为N。 把三维软件的几何模型导入到HyperMesh 之前最好把零件组装成装配体的形式，因为 对几何模型进行切分在三维软件里操作要比在CAE 软件里操作起来方便多了。另外，由于 只是对摆杆的中间部分进行优化，当把中部分修改了尺寸（局部修改） ，摆杆最左边的部分 和最右边的部分的网格可以完全不作改变，只需要把中间部分的几何模型重新导入，再单独 LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究 21 对这一 无锡太湖学院学士学位论文 16 部分进行网格划分就可以了。当然，由于这里的摆杆整体模型也不是很复杂，上面提到的这 些操作也可以在HyperWorks 里完成。 （2） 摆杆约束和载荷 摆杆静力分析主要是为了算出没有优化前的摆杆在受力情况下的位移。根据实际工作中 的要求，摆杆在竖直方向的位移要求小于50m，摆杆在受到电机扭矩作用后水平方向的位 移要求在6-7m 之间。摆杆和抱夹零件的材料类型采用铝合金，弹片的材料类型采用碳素钢。 整个摆杆采用CATIA单元。CATIA单元是实际分析中比较常用的单元。常见的实体单元有六 面体单元，四面体和棱柱体六面体单元，五面体单元和带中间节点的四面体单元，这些单元 的计算精度都是很高的，它们的区别在于：一个六面体单元只有8 个节点，计算规模小，但 是复杂的结构很难划分出好的六面体单元，带中间节点的四面体单元恰好相反，不管结构多 么复杂，总能轻易地划分出四面体，但是，由于每个单元有10 个节点，总节点数比较多， 计算量会增大很多。在只考虑只受惯性冲击力的作用下，整个摆杆也可以采用梁单元或者 Shell 单元。由于在吸嘴部位有孔存在，采用梁单元不是很合适。如果只是从静力分析的角 度考虑，用Shell 单元是很合适的。整个摆杆采用Shell 单元，抽取中面划2D 网格，网格数 量比较少，分析比较快。但是，由于考虑到后面将要做拓扑优化进行初步概念设计和接下来 要做的模态分析，采用Shell 单元后，后续的分析又要重新划网格才能看到拓扑优化后的材 料密度云图（或者称为材料分布） ，综合考虑，整个摆杆最后采用了一阶的Solid 单元。其实 这里也可以用二阶的Solid 单元，但是在实际计算中采用二阶的Solid 单元，由于节点数目 巨大，计算起来速度很慢。摆杆受到扭矩作用的时候，水平方向的位移就没有被限制。所以 这个时候整个装配体的约束就加在抱夹零件孔壁上的节点上，限制节点的x、y、z 方向的自 由度。由于实体单元只有三个方向的自由度，所以这样的约束就使整个装配体固定了下来。 这个约束也可以这样处理，先在抱夹零件孔的端面的圆心点创建两个临时节点，然后把这两 个节点用刚性单元连接起来。临时节点与圆周上的节点也用刚性单元连接起来，最后在临时 节点的地方限制自由度。这里临时节点和圆周上的节点用刚性单元连接起来是为了圆周上的 节点与临时节点的位移一致。其效果与第一种约束的效果是一致的。由于整个装配体在实际 工作中绕抱夹零件的孔的中轴转动，所以也可以在抱夹零件的端面新建立一个坐标系，然后 限制三个方向的平移自由度。在正常工作中，摆杆转到引线框架上，顶针将晶圆刺破顶起， 这个顶起过程中，根据初始设计的计算大概只有0.5-1N比较小。另外，焊头在竖直方向运动 是一个变速运动，最大的加速度是2g.转到晶圆盘上的时候就要求摆杆在竖直方向尽快停下 来，即使有振动也要使在竖直方向的位移尽量小，否则会很容易使晶圆破碎。假设这个时候 摆杆在某一刻停下来了，但是由于惯性，冲击力按最大的加速度计算，这个力按照最大值估 计1N。摆杆在水平转动过程中也是一个变速运动。电机输出扭矩也是一个变化值。这个扭 矩按照实际设计中步进电机的最大输出扭矩0.9Nm 来计算。 （3）摆杆静力学分析计算 摆臂在速781r/min.加速度7000rad/.材料选择铝合金。结果通过有限元catia分析 LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究 23 图3.3 分析结果 软件，分析出摆臂的应力分布图3.3。网格的应力集中分布点。位移结果如下图3.4所示 图3.4 位移结果 摆臂的振动幅度在3%左右，满足位移满足设计要求。但是，现在的摆杆质量还是比较 大，摆杆转动起来迎风面积也是比较大，而且转动中心和重心偏离比较远，所以需要要进一 步优化。 图3.5 进一步优化结果 无锡太湖学院学士学位论文 18 以下图纸为静力学分析的报告： 图3.6 静力学分析报告 3.2 对有摆臂限元分析要注意的事项对有摆臂限元分析要注意的事项 几何模型的“质量”直接影响到分析的结果。有些复杂的机械零件或者装配体, 动辄几百、 几千万节点、单元,计算机的分析能力也时有限的, 用原型进行有限元分析也时不现实的3。 所以在进行有限元分析之前要对几何模型进行合理的简化。传统的方法多采用相似性原理来 简化，是对于形状相对复杂的零件, 尤其是装配体, 建立简化模型也很困难。模态分析为我 们建立一个合理、合适的模型提供了较好的方法。用于模态分析的模型由SotidWork, 实体三 维建模完成。所谓简化就是去除一些小孔、小的圆角, 小的台阶等次要特征。因为这些小的 台阶, 小的圆角, 小的孔很容易造成网格化时生成畸形的网格, 最终导致有限元分析不能进 行下去。这里的“小”是一个相对的概念。 “小”是相对于整个几何模型或者装配体模型而言。 当然, 这里的简化也要时针对分析目标。在不影响分析目标结果的情况下, 我们才可以合理 LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究 简 无锡太湖学院学士学位论文 化。至于简化后的模型是否和原型有相似的动态特性, 可以通过对原型和模型的模态分析比 较来验证。由于模态分析,尤其是低阶模态对系统的动态特性影响较大, 因此通过比较模型的 低阶模态和原型的低阶模态, 一般两者相差不超过3%就应该认为简化是合理的。 3.2.1 优化分析优化分析 单击“COSMOSWorks”, 新建一个算例, 算例类型选“优化”。右键单击“优化”算 例下的“目标”, 选择质量最小。在设置“设计变量”前要将相关的特征尺寸显示出来。在 FeatureManager 中右键单击第一个“注解”, 选择“显示特征尺寸”。将不相关的尺寸隐藏 起来, 然后把相关的尺寸重新命名。其方法是选中相关的尺寸, 右键单击, 选择“属性”, 更 改尺寸的名称。在这里要注意的是, 新建的算例也好, 尺寸的名称也好, 最好只用英文或者 英文字符( 即拼音字母) 。有时候用中文字符会造成分析的失败。设置相关尺寸的名称最好 在分析之前完成。右键单击“设计变量”, 选择“ 添加”,然后用鼠标选择相关的尺寸。其 他的设置按照要求完成就行了。添加约束的方法和添加设计变量的方法类似。设置完成后, 右键单击“优化”, 选择“运行”。本次优化的最后结果如图： 。 图3.7 固晶臂优化结果图 最终的总质量为433g, 模式1 的频率为67.26Hz,符合开始的设计要求。同时对材料的金 属材料进行优化，根据实验（以下会提及）分析，在刚度越大，有助于提高固有频率，选择 轻型，刚度大的材料进行分析也是今后研究的方向。 在实践中，经常需要对变截面梁或变截面轴进行动力分析，求其横向振动的固有频率。为 了简化计算，将变截面梁看成一系列集中质量、无质量的梁和支承一个接着一个连接而成的 系统这种力学模型显然是不精确的。为提高计算精度，势必要增加分割单元的数目，则计算 工作量随之而增加。如果采用连续体力学模型来计算变截面梁横向振动的固有频率，则计算 精度必然大为提高。但按传统的计算方法是很繁琐的：按梁的不同刚度分段分别建立以挠度 表示的高阶微分方程；考虑段与段连接处内力、变形的连续条件，求出此高阶微分方程的通 解；再由梁两端边界条件，最后求出梁自由振动时阶固有频率。求解方程过程复杂，难以编 制适合于不同形状、刚度的变截面梁求解固有频率的通用计算机程序，不利于工程设计的应 用。 采用连续体作为力学模型，但提出的方法与传统方法不同。传统方法分析梁的横向振动 LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究 时，是求解同一种变量（挠度）表示的高阶微分方程；而本研究将四种变量（挠度、转角、 弯矩和剪力）作为混合变量（称为状态变量） ，它代表了梁一个截面的变形和内力的状态。 建立了以状态变量表示的、仅为一阶齐次常微分方程，形式简单，极易求解。矩阵表示了梁 段两端状态变量的传递关系。它普遍适用于求解各种边界条件下的阶梯梁及带集中质量和弹 性支承梁的横向振动固有频率，具有普遍性。 无锡太湖学院学士学位论文 4.1 固有频率理论研究固有频率理论研究 （1）铝合金密度-；杨氏模量E =2705kg/m3; E= pa；。 10 109 . 6pa107 . 2 10 G （2）计算单位长度质量-L；截面惯性矩Ia； kg42198 . 0 10260101510402705vvlm 3-3-3- v1 (4.1) 48- 3 3-3-3 a m108 12 10401015 12 bh I 摆臂尺寸如图 4.1 示： 图 4.1 b=15;h=40;l=233；l=260; （3）第一、二、三阶固有频率（横向，扭转）： 等截面处理：横向振动 悬臂梁边界条件： 特征方程为： (4.2) 0ll000 XXXX0cosch1 固有频率： IE 2 2 i 1 l (4.3) 振型函数为：， x l sin-x l shx l cos-x l ch 1111 ii i sinsh cosch - 其中：前三阶特征根的平方为：0.5、3.134、8.775 。 (4.4) m lEI l a l lEI l aEI l a a l a l a 2 2 1 2 2 1 2 2 1 1 4 固晶臂弯曲振动固有频率和振型函数固晶臂弯曲振动固有频率和振型函数 LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究 )/(956.3032 42198 . 0 10260108109 . 6 )10260( 875 . 1 3810 23 2 1 srad (4.5)(70995872.482 2 956.3032 2 1 1 Hzf )/(583440.19008 42198. 0 10260108109 . 6 )10260( 694 . 4 3810 23 2 2 2 2 2 srad m lEI l a a (4.6)(31.3025 2 583440.19008 2 2 2 Hzf )/(938.53229 42198. 0 10260108109 . 6 )10260( 855 . 7 3810 23 2 2 2 3 3 srad m lEI l a a (4.7)(807781.8741 2 938.53229 2 3 3 Hzf 理论得出前三阶段的固有频率： 表 4-1 前三阶段固有频率 )/(srad)(Hzf 3032.956 1 482.70995872 1 f 19008.583440 2 3025.310 2 f 53229.9380 3 8741.807781 3 f 4.2 动态分析动态分析 （1）整个运动过程可以看成是一个振动过程，求出其动态响应：此过程与 动柔度、动 刚度、等有关。利用傅里叶变换、傅里叶级数展开将化成的)(F)(tF)()( 1 0 nFFF n i 形式，找出与固有频率接近的谐频，在频域中求出其幅值，回答引起共振的时间及振动幅值 的问题。 （2）将轴摆臂看成是一个扭振系统，不考虑整个运动过程，只考虑运动停止时的 振动情况，即此时的激励为零，近似无阻尼微振动情况。解决问题的初步方案：利用无 阻尼、无激励性质，求出系统的振动微分方程，求出其固有频率，根据求解出摆 n n v A 0 臂末端位移，即末端振幅。另外有必要考虑一下单个摆臂作为悬臂梁处理的情况，及对变截 面悬 无锡太湖学院学士学位论文 臂梁振动系统进行分析，求出其固有频率，根据求解出摆臂末端位移，即末端振 n n v A 0 幅。 4.3 运用分析软件对摆臂进行模态分析运用分析软件对摆臂进行模态分析 4.3.1 悬臂梁弯曲振动模态分析具体步骤悬臂梁弯曲振动模态分析具体步骤 悬臂梁弯曲振动模态分析具体步骤如下： （1）进入动态分析 图 4.2 动态分析 （2）划分网格以及添加材料， （3）定义实常数： Preprocessor Real Constants （4）定义梁的面积、惯性矩和高度 （5）定义截面属性 Preprocessor Sections Beam Common Sections 。 阶数 1 2 3 理论结果 (Hz) 482.703025.38741.80 有限元仿真结果 (Hz) 527.863102.478846.55 相对误差 8.6% 2.5% 2% 摆臂前三阶振型理论与数值结果基本一致。 电机在运行过程中的频率为 f=27.77HZ.远没有达到共振的频率。分析软件模拟出来在 27HZ.附近的运动状态，如图所示： LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究 图 4.3 运动状态 摆动的幅度在 2%，在可控范围内。所以符合预期。 下图为在固有频率近的