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!【包含文件如下】【机械类设计类】CAD图纸+word设计说明书.doc【需要咨询购买全套设计请企鹅97666224】.bat1.txtX轴丝杠座.dwg上托板导轨-有限元分析上拖板.dwg上拖板导轨.dwg下线架.dwg中拖板.dwg工作台装配图.dwg床身.dwg开题报告书(1).doc手动升降丝杆.dwg手动升降部装.dwg文档.doc滚珠丝杠.dwg硅片多线切割机床.dwg线架装配图.dwg设计说明书.docx摘 要硅片是半导体和光伏领域的主要生产材料。硅片多线切割技术是目前世界上比较先进的硅片加工技术，它不同于传统的刀锯片、砂轮片等切割方式，也不同于先进的激光切割和内圆切割，它的原理是通过一根高速运动的钢线带动附着在钢丝上的切割刃料对硅棒进行摩擦，从而达到切割效果。在整个过程中，钢线通过十几个导线轮的引导，在主线辊上形成一张线网，而待加工工件通过工作台的下降实现工件的进给。硅片多线切割技术与其他技术相比有：效率高，产能高，精度高等优点。是目前采用最广泛的硅片切割技术。本次设计对硅片多线切割机整体进行设计，其主要包括：机架部分，工作台部分，线架部分和送丝部分组成。本文首先介绍整机的工作原理和设备方案，然后重点对工作台部分进行设计计算，最后对上托板导轨进行有限元分析。关键词：多线切割机；机架部分；工作台部分；有限元分析ABSTRACT Silicon wafer is the main production material in semiconductor and photovoltaic field. Silicon wafer multi wire cutting is the most advanced wafer processing technology in the world at present. It is different from the traditional cutting blade, grinding wheel and so on. It is also different from the advanced laser cutting and internal circular cutting. Its principle is to wear the cutting edge attached to the steel wire to friction the silicon rod by a high-speed moving steel wire. In order to achieve the cutting effect. In the whole process, the steel wire is guided by more than ten traverse wheels, and a wire net is formed on the main roller, and the workpiece is feed through the decline of the worktable. Compared with other technologies, silicon wafer multi wire cutting technology has many advantages, such as high efficiency, high productivity and high accuracy. It is the most widely used silicon cutting technology at present.The design of the silicon multi wire cutting machine is designed as a whole, which mainly includes: rack part, worktable part, wire rack part and wire feeding part. This paper first introduces the working principle and equipment scheme of the whole machine, and then focuses on the design and calculation of the worktable. Finally, the finite element analysis of the upper plate guide is carried out.Key words: multi wire saw; rack part; Worktable part; finite element analysis目 录目录第1章 绪论31.1 课题背景及意义31.2 多线切割机的国内外研究现状及发展趋势31.2.1 国内外研究现状31.2.2 多线切割机的技术发展趋势41.3 多线切割技术与内圆切割技术分析51.4 线切割技术的工艺流程71.5 课题主要研究的内容8第2章 多线切割机总体设计方案92.1 整体设计方案分析92.2 机械方案确认92.2.1 机架部分102.2.2 XY工作台部分102.2.3 线架机构112.2.4 送线机构122.3 本章小结13第3章 多线切割机设计计算143.1 工作台技术参数143.2 滚珠丝杠的计算及选择143.3 滚珠丝杠支承轴承的选择173.4 滚珠丝杠的校核183.4.1 临界压缩负荷183.4.2 临界转速193.4.3 滚珠丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率193.4.4 滚珠丝杠扭转刚度213.4.5 滚珠丝杠传动精度计算223.5 滚珠丝杠进给传动系统变形计算233.5.1 滚珠丝杠精度计算233.6 伺服电机的选择与计算253.6.1 进给伺服电机的校核273.7 联轴器的选择283.8 本章小结28第4章 上托板导轨有限元分析294.1 SOLIDWORKS简介294.2 上托板导轨零件的三维建模314.3 确定材料314.4 添加夹具324.5 施加载荷334.6 生成网格334.7 运算求解344.8分析结果输出344.9 本章小结36总结37参 考 文 献38致 谢40Mesh Preparation: 0 hr 0 min 0 secStandard solid mesh bolt head imprint and hard point processing: 0 hr 0 min 0 secStandard solid mesh total preparation including imprint: 0 hr 0 min 0 secStandard surface meshing for Solid Mesh: 0 hr 0 min 0 secStandard volume meshing for Solid Mesh: 0 hr 0 min 1 secStandard solid mesh arranging data: 0 hr 0 min 0 secStandard solid mesh total: 0 hr 0 min 1 secBeam mesh: 0 hr 0 min 0 secMesh Preparation: 0 hr 0 min 0 secStandard solid mesh bolt head imprint and hard point processing: 0 hr 0 min 0 secStandard solid mesh total preparation including imprint: 0 hr 0 min 0 secStandard surface meshing for Solid Mesh: 0 hr 0 min 0 secStandard volume meshing for Solid Mesh: 0 hr 0 min 0 secStandard solid mesh arranging data: 0 hr 0 min 0 secStandard solid mesh total: 0 hr 0 min 2 secBeam mesh: 0 hr 0 min 0 secProcessing material properties: 0 hr 0 min 0 secProcessing element groups: 0 hr 0 min 0 secProcessing drop test gap nodes: 0 hr 0 min 0 secUpdating thickness for shell regions: 0 hr 0 min 0 secProcessing rconst for elements: 0 hr 0 min 0 secProcessing egroups: 0 hr 0 min 0 secTransferring loads and boundary conditions: 0 hr 0 min 0 secGenerating contacts: 0 hr 0 min 0 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发展绿色能源是加强环境保护的重要措施，太阳能是绿色能源中最容易得到的资源，当前的太阳能电池大多采用硅片加工，v多线切割技术是目前世界上比较先进的硅片加工技术，它的原理是通过一根高速运动的钢线带动附着在钢丝上的切割刃料对半导体等硬脆材料进行摩擦，从而达到切割效果。在整个过程中，钢线通过十几个导线轮的引导，在主线辊上形成一张线网，而待加工工件通过工作台的上升下降实现工件的进给，可将半导体等硬脆材料一次同时切割为数百片，多线切割技术与其他技术相比有：效率高，产能高，精度高等优点。已逐渐取代了传统的刀锯片、砂轮片及内圆切割，是目前采用最广泛的半导体等硬脆材料切割技术。多线切割机可有效的提升生产效率、提升产品规格、提升产品良品率。减少企业人力资源成本、减少材料损耗。可节约企业占地面积。本课题旨在培养学生良好的设计理念，能够掌握和设计一定的机械结构，巩固四年所学知识和技能科学依据 科学意义：光伏和半导体照明产业是我国的战略性产业之一。光伏产业属于新兴行业，由于它具有环保，低耗等多个显著优点，因此在今后的工业进程中具有很好的发展前景。根据赛迪顾问公司研究报告统计：2007年国内光伏和集成电路产业基片需求额为2121亿元，2008达到3561亿元，从2009年到2012年其需求量平均每年以12%-16%的速度增长。自从60年代起，半导体材料被广泛的应用于各类电子元件，其中硅类半导体更是凭借其价格低，易于生产等优势成为半导体行业的新宠（图1-1为全球硅晶体产量变化曲线图）。与此同时集成电路也正朝着极大规模集成电路/超大规模集成电路的方向发展，对硅锭的切片加工设备的精度、加工件的几何规格及切片的厚度、平行度等主要指标均提出了更高的要求。目前，世界需求量最大的硅片直径为6寸、6.5寸、8寸。但随着电子通讯设备、汽车、工业自动控制、航天与军事等产业的发展，将逐渐使用直径在300mm、450mm的硅片。 图1-1 全球半导体级单晶硅/太阳能级多晶硅/以及单/多晶硅产量多线切割机是一种广泛应用于IC、IT、PV行业中，如单晶硅、蓝宝石、石英晶体、压电陶瓷、光学玻璃等硬脆性材料精密切片加工的电子专用设备，同时它更是光电信息产业核心器件基片制造流程中的关键装备。多线切割是目前应用最广的切片加工技术，其原理是通过金属线的高速往复运动把磨料带入待切割材料加工区域进行研磨，将待切件同时切割为数百或数千片薄片的创新性切片工艺。在该工艺中，切割线被缠绕在导线辊上，可以一次性完成相当于多刀切割机数百次的切割量，而且在切片的弯曲度、翘曲度、平行度、总厚度公差等关键技术指标上均明显优于传统的加工设备，多线切割机以其切割速度快、加工精度高、切割损耗低的优点，已逐渐取代了传统的内圆切割和外圆切割技术，成为硬脆性材料切片加工的主流设备。时至今日，世界各国对于多线切割机的研制已经取得了一定的研究成果。尤其以日本、瑞士最先进入产业化、商品化。而我国在多线切割机的研制方面却一直没有大的突破，现在国内大部分生产硅片的厂商基本上都是使用外国进口的设备。同时国内对于多线切割机的设计制造技术，也只掌握在国内几个大型机械设备制造公司，这样严重制约了我国集成电路制造、光伏、半导体照明等多项战略性产业的发展。为了打破国外技术垄断，促进我国集成电路制造、半导体照明、光伏等产业相关行业产业链的形成，我国在国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺中专门设立“300mm硅片多线切割机的开发【2009ZX0201102】”的子课题。多线切割机的成功研制和实现产业化，将攻克极大规模集成电路制造产业链中基片加工环节的核心技术，解决我国多线切割机设备长期以来一直完全依赖于国外进口的局面，保证我国电子工业健康快速地发展。研究多线切割机关键技术，开发具有我国自主知识产权的高精度多线切割机产品，是突破国外技术封锁和国内集成电路等相关产业瓶颈的关键举措。 国内外研究状况：多线切割机属于专用精密数控机床，其加工精度高、控制系统复杂、制造难度大，国外公司从上世纪80年代中期开始研究，目前国外线切割设备生产厂家主要有日本TAKATORl公司、NTC公司以及瑞士的M&B公司、HCT公司等。各品牌的切割机产品各有特色，按主辊的个数来分类，代表性的产品见图1-2。日本线切割机以TAKATORI品牌为代表，其产品采用三加工辊驱动形式，代表性产品MWS-3020、MWS-610SD(见图1-2a)，其系列产品可用于100mm200m之间水晶、蓝宝石、磁性材料、光电材料的切割。NTC公司MNM444B和MWM454B切割机也是采用3个加工辊的结构，主要提供300mm晶圆片线切割机。瑞士MeyerBurger公司的DS261DS264系列大型切割机专为太阳能级硅片切割设计，采用两加工辊驱动方式，该机型最大可切直接为8英寸的硅棒，具有走线速度快、加工精度高的优点，其中DS-264(见图l-2c)在我国使用较为广泛。图1-2 代表性的切割机产品 瑞士HCT公司在切割机领域起步早，其设计的切割机产品多采用四个加工辊驱动，工作台的面积大，产品属于切割机市场的高端产品，其主要产品有E400SD、E500SD、E500ED-8、E400E-12四种，其中E400SD、E500S两种机型的高精度多线切割机数控系统关键技术及其应用研究用于太阳能级硅片加工，最大加工尺寸为150mm。E500ED-8，E400E-12适用于半导体圆片加工生产，E500ED-8为200mm设备，E400E-12为300mm设备。随着我国光电信息产业的飞速发展，对多线切割机的研究也日益得到重视，近10年来，我国许多科研院校和企业在这方面进行了深入的研究，并取得了丰硕的成果。其中湖南大学与湖南宇晶机器有限公司合作先后开发出XQ300系列切割机产品投入市场应用，目前已成功销售100余台。电子集团、四十五所、上海日进及兰州瑞德设备制造有限公司等高科技企业也成功开发了系列多线切割机。多线切割机的技术发展趋势:随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。多线切割机的发展趋势可概括如下：（a）大型化。在保证加工精度的基础上，增加加工辊切割面的有效面积，以便一次加工更多材料，使晶片加工的切片一致性提高，提高基片的档次，同时降低生产成本。（b）高速度。高速数控系统会使多线切割机的实现高速化，走线速度的提高，有利于加快切割速度，提高线割机加工效率。另外，走线速度的增加将提高砂浆的流动性、渗透性，等效于增加砂浆配比，一方面增强切割机的研磨效果，另一方面可以减少单位切片研磨砂的消耗量，降低生产成本。（c）高精度。改善多线切割及动态、静态特性等有效措施，机器精度提高，高精度的切割机系统会使切割线无效磨擦减少。切割线径减小，一方面会使加工材料损耗减少，加工晶片表面损伤层浅，粗糙度小，出片率高。另一方面会提高切片的弯曲度、翘曲度、平行度、总厚度公差等核心性能指标。（d）电镀金刚石线锯切割。电镀金刚石线锯是把金刚石或者碳化硅颗粒用一定的技术固定到切割线上进行切割。这样做可以极大的提高切割效率，降低切割成本，并且如果采用电镀金刚石线锯切割就可以直接采用水做切割液，大大的改善了工作环境。（e）智能化。综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，切割机加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理，在网络化基础上实现了中央集中控制的群控加工。 应用前景：现在国内的线切割行业应该属于战国时代，既有苏州宝玛数控、苏州三光等国内的电火花机床生产厂家，也有日本的沙迪克，三菱，瑞士的夏米尔等国外的电火花生产厂家。以上厂家就好像战国七雄一样，占领了线切割市场的半壁江山。而另外半壁江山被泰州、宁波、及东部城市的一些小型线切割生产厂家所占领，这些小型线切割企业不具备整机制造能力，只能是组装式生产，依靠不同品牌的部件商。生产全过程的质量控制根本谈不上，研发、创新就更不可能，但是由于其售价比较低廉，所以也有着生存的空间。国内线切割机床同国外线切割机床相比虽然精度低一些，但是它的制造及使用成本是有绝对优势的，所以对于发展中国家来说我国的线切割有着很大的需求。从目前的现状看，国家对这种战国纷争的的态度是通过市场的竞争而自然淘汰，让一些有实力、有能力的线切割厂家在优胜劣汰的市场竞争中，脱引而出成为龙头企业。在技术方面电火花线切割机床，特别是中走丝线切割机床的功能复合化的发展，是下来线切割机床的重要发展方向，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、攻丝、绞孔和扩孔等多种操作工序，工序的复杂也对机床的精度提升有一定的影响。而目前是机器人时代的爆发期，作为传统行业的线切割行业，也必须在线切割制造中，跨出艰难的第一步。参考文献1 任丙彦，王平，李艳玲，李宁，罗晓英.硅片多线切割技术与设备的发展现状与趋势J.半导体技术，2010，35（4）：301-306.2 王琮.半导体材料加工设备的新秀-多线切割机J.电子工业专用设备,2004，111（4）：63-65.3 胡蓬辉，倪永帅，司忠志，张军.多线切割机的夹紧机构P.中国专利：200910064691.0，2010-02-17.4 高雁霞.多线切割机的研制D.华东理工大学，2007.5 蒋近，戴瑜兴，彭思齐.多线切割机控制系统的研制J.中国机械工程，2010,21（8）：1780-1784.6 吴旭，张为强，孟凡辉.多线切割机排线方法研究J.电子工业专用设备，2010,191（10）：44-46.7 张义兵，戴瑜兴，袁巨龙，熊万里.多线切割机线张力控制系统设计实现N.机械工程学报，2009-03-02（5）.8 张义兵，戴瑜兴，汤睿.多线切割机走线速度换向过程控制J.湖南大学学报，2010,7（7）：37-41.9 张义兵.高精度多线切割机数控系统关键技术及其应用研究D.湖南大学，2009.10 金建华，林海波，蔡文辉.高精度石英晶体多线切割机的研制J.工艺与装备，2010,8（2）：85-88.11 滚珠丝杠副参数计算与选用.http/p-53516444.html.12 芮静康.实用机床电路图集M.北京：中国水利水电出版社，1999:63-64.13 杨霖.欧姆龙CJ1W-MCH71运动控制器在高速多线切割机上的应用J.伺服控制，2007（9）：55-58.14 裘文言，张祖继，瞿元赏.机械制图D.北京：高等教育出版社，2007.15 尤邵权，范崇夏，翁琴美.国家标准机械制图应用示例图册D.中国标准出版社，1985.16 白公.怎样阅读电气工程图D.北京：机械工业出版社，2001.17 胡仁喜，刘昌丽，康士廷.电气制图标准实训教材D.北京：人民邮电出版社，2010.18 关保清，韦珑珅.机械绘图经典D.北京：中国青年出版社，2007.19 吴宗泽.机械设计实用手册D.北京：化学工业出版社，2003.20 叶玉驹，焦永和，张彤.机械制图手册D.北京：机械工业出版社，2008.21 邢鹏飞，郭蒨，刘燕，庄艳訢，单晶硅和多晶硅切割废料浆的回收J.材料与冶 金学报机械工业出版社，2010，9（2）:148-154.22Takagi T, Sugeno M. Fuzzy identification of systems and its applications to modeling and control J. IEEE Trans on Systems, Man and Cybernetics, 1985, 15(2): 116-132.23Sugeno M, Kang G T. Fuzzy modeling and control of multilayer incinerator J. Fuzzy Sets Syst., 1986, 18(2): 329-346.研究内容 多线切割技术时至今日其实已经发展的较为成熟了，它被广泛应用于半导体行业、IT行业、宝石加工行业等多个领域中。本设计在大量搜集各种多线切割机制造、多线切割加工工艺资料以及对前人研究的学习理解后，设计了一台简单的多线切割机。因为能力有限，所以在多线切割机的设计中仍然存在着诸多问题，但设计主要是想对多线切割机的结构、原理等有个大体的了解，通过这个了解过程才能把自己的设计意图和设计想法表达出来，从而对多线切割工艺以及多线切割微观机理有个总体上的认识和理解。总的来说，主要做一下几个方面的工作：（1）多线切割机的工作原理和工作特点的研究：（a）多线切割机的切割机理与传统的内圆切割完全不同。它是采用切割线作为载体，切割砂作刀具，通过布线系统将切割线缠绕在主辊上，驱动切割线和工件做相对运动，并将砂浆带到切割面上，达到磨削加工的目的。（b）多线切割属于一种特殊的加工方法，其加工实质是对工件的研磨加工。因此所加工的产品具有良好的加工精度和表面光洁度。（c）对砂浆的组成和工作原理做了说明，对废砂浆的组成以及废砂浆的回收意义做了描述。（2）多线切割机各个系统结构的设计：（a）确定了多线切割机设计的总体思路和方案。（b）给出了多线切割机的主要工艺和技术参数。（c）完成了对多线切割机五个主要系统的设计：工作台升降系统设计、主辊传动系统设计、收放线轮系统设计、排线系统设计、张力系统设计。（3）提出了多线切割机总体控制的思路。（4）总结了多线切割技术中影响其切割能力的诸多因素：切割液（PEG）的粘度、碳化硅微粉的粒型及粒度、砂浆的粘度、砂浆的流量、钢线的速度、钢线的张力、工件的进给速度。（5）对多线切割的微观机理进行学习和理解。拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析研究方法：本课题用有限元分析、优化设计等方法方法，以国外的先进产品为目标，收集国内外切割机进给系统的设计方案，分析其性能参数，设计和计算床身、支架、动力机构、进给机构、控制机构等的结构和强度，用有限元分析、优化设计等方法，优化其参数。了解多线切割的原理，通过对多线切割生产工艺的整体认识，以及对影响其切削能力因素的探究及其微观材料去除机理的学习对多线切割机各执行系统的机械设计。在设计过程中，各执行机构的机械设计，装配将是本设计的最主要内容。 技术路线：1. 查阅资料、联系实际需求，了解多线切割机的工作原理。2. 了解游离磨料多线切割机的三大辅材（切割液、切割砂、切割线）。3. 研究解决砂浆的组成及回收问题。4. 根据经验来实现对切割的最优化。 实验方案： 图2-1是本设计切割机的整体结构示意图图2-1 多线切机整体结构示意图设计的该多线切割机设备主要由五个系统组成，分别是：工作台升降系统、主辊传动系统、收放线轮系统、排线系统、张力系统。对每个系统分别进行设计说明。多线切割机控制系统设计：多线切割机的控制系统是由6个伺服电机组成的多电机伺服控制系统。经过查阅资料以及和同类产品相对比，最终选用欧姆龙CJ1WMCH71多轴运动控制器作为其主控制器（图2-2为多轴控制器实物图）。驱动器选用R88DWT20H，伺服电机选用R88DW1K815T。伺服系统和主控制器之间的通信采用SERCOS总线来实现。下图2-3为多线切割机控制系统原理框图。图2-2多轴运动控制器实物图1.主辊轴2.收线轮3.放线轮4.左排线轮5.右排线轮6.工作台S1S6.伺服驱动器 M1M6.伺服电机7.多轴运动控制器图2-3 多线切割机控制系统原理框图软件功能主要包括主电机的同步运动，主电机和收放线轮电机的同步运动，收放线轮电机与排线电机的同步运动。其程序实现框图如图2-4。图2-4 软件控制程序实现框图 多线切割机的控制系统设计主要有以下两大难点：一个是张力控制系统的设计，另一个是多电机同步控制系统。然后对以上两个问题进行详细的分析。研究计划及预期成果 研究计划 ：一月初到二月上旬：查阅中英文资料，完成英文文献的翻译，收集硅片多线切割的设计方案以及相关资料，完成开题报告工作。三月初到四月底：通过对多线切割机的工作原理和工作特点的研究完成多线切割机各个系统结构的设计。 四月初到五月初：提出多线切割机总体控制的思路，总结了多线切割技术中影响其切割能力的诸多因素，对多线切割的微观机理进行学习和理解。五月份：完成说明书，绘制出设备零部件的二维工程图，包括总装图、主要零部件图，并进行持续改进。六月份：准备答辩.。 预期成果：1. 硅片多线切割机的总体设计；2. 切割机结构相关工程图；3. 基于ansys软件模态与结构分析优化数据；4. 基于ug软件多线切割机设计的运动仿真；5. 外文翻译一篇。特色或创新之处本课题以国外的先进产品为目标，收集国内外切割机进给系统的设计方案，分析其性能参数，设计和计算床身、支架、动力机构、进给机构、控制机构等的结构和强度，应用有限元分析、优化设计等方法，优化其参数。通过设计过程，同时达到熟练运用先进设计工具的目的。设计出具有高负荷、小体积、制动功能优、稳定可靠的产品。已具备的条件和尚需解决的问题 已具备的条件：在相关成熟的研究环境下结合比较成熟的机械原理知识，机械设计的相关知识，自动机械设备的设计思路，了解机械传动及其控制的相关知识，对硅片多线切割机设计的基本了解以及对三维cad软件以及分析优化软件的初步认识与掌握。 尚需解决的问题：在硬脆性材料的切割技术以及相对成熟的多线切割技术方面仍然还有很多方面需要研究和改进，还有就是使用的砂浆成本很高。指导教师意见 指导教师（签名）： 年 月 日系意见 系主任（签名）： 年 月 日摘 要在半导体、光伏行业里面，用到的最多的材料就是硅片。现在世界上相对先进一点的硅片加工技术-硅片多线切割技术，这跟刀锯片式的、砂轮片式的一些传统切割法来比，更加进步了，不过跟相对先进的激光切割、内圆切割的技术原理还是不一样的。硅片多线切割的工作原理是：装置上有一根钢线，工作时钢线就会高速运动，附在钢丝上的切割刃料就跟着一起动，摩擦硅棒，完成切割动作。在切割的时候，有十几个导线轮一起引导着钢线，主线辊上面就变成了一张线网，工作台一旦开始下降，需要加工的工件就开始进给。硅片多线切割技术的优点就是工作效率更高，产能更高，加工的精度也很高等等。在硅片的切割方面使用的是最多的。这次的课题就是硅片多线切割机的设计，设备的主要构成是机架部分、工作台部分、线架部分、送丝部分等。最开始先把设备的工作原理分析透彻，初步确定出设备的设计方案，重点放在计算设计出工作台的部分，最后进行有限元分析上托板的导轨。关键词：硅片；多线切割；机架；工作台；线架；有限元分析AbstractIn semiconductor, photovoltaic industry, the most used material is silicon wafer. Now the relatively advanced silicon wafer processing technology in the world - silicon chip multi wire cutting technology, which is more advanced than the knife saw blade and the traditional cutting method of the wheel, is not the same as the relatively advanced laser cutting and internal round cutting technology.The principle of multi wire cutting of silicon wafer is that there is a steel wire on the device. When working, the steel wire will move at high speed. The cutting edge attached to the steel wire moves together, and the silicon rod is rubbed and the cutting action is finished. At the time of cutting, there are more than ten traverse wheels to guide the steel wire together, and the main line roll becomes a wire net. Once the work table begins to fall, the workpiece that needs to be processed begins to feed. The advantages of silicon multi wire cutting technology are higher efficiency, higher production capacity and higher machining accuracy. The most used for cutting silicon.This topic is the design of silicon multi wire cutting machine. The main components of the machine are rack part, worktable part, wire rack part, wire feeding part and so on. First, the work principle of the equipment is thoroughly analyzed, and the design scheme of the equipment is preliminarily determined. The focus is on the part of the calculation and design of the worktable, and finally the guide rail of the plate is carried out by the finite element analysis.Key words: silicon wafer; multi wire cutting; rack; worktable; wire rack; finite element analysis目录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 课题背景及意义11.2 多线切割机的国内外研究现状及发展趋势11.2.1 国内外研究现状11.2.2 多线切割机的技术发展趋势21.3 多线切割技术与内圆切割技术分析31.4 线切割技术的工艺流程51.5 课题主要研究的内容6第2章 多线切割机总体设计方案72.1 整体设计方案分析72.2 机械方案确认82.2.1 机架部分82.2.2 XY工作台部分92.2.3 线架机构92.2.4 送线机构102.3 本章小结11第3章 多线切割机设计计算123.1 工作台技术参数123.2 滚珠丝杠的计算及选择123.3 滚珠丝杠支承轴承的选择153.4 滚珠丝杠的校核163.4.1 临界压缩负荷173.4.2 临界转速173.4.3 滚珠丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率183.4.4 滚珠丝杠扭转刚度203.4.5 滚珠丝杠传动精度计算213.5 滚珠丝杠进给传动系统变形计算223.6 伺服电机的选择与计算243.7 进给伺服电机的校核263.8 联轴器的选择273.9 本章小结28第4章 上托板导轨有限元分析284.1 SOLIDWORKS简介284.2 上托板导轨零件的三维建模304.3 确定材料304.4 添加夹具314.5 施加载荷324.6 生成网格324.7 运算求解334. 8分析结果输出344.9 本章小结36总结37参考文献38致 谢40V第1章 绪论1.1 课题背景及意义对于光伏和半导体照明行业，可以看成是现在我国的战略发展的一项产业。光伏是一种新兴的，相当环保的，耗能也不高的产业，可以知道日后这一行的发展一定是很不错。我们通过赛迪顾问公司做过的一些研究统计，可以知道国内2007一年在光伏和集成电路上面需要的基片就达到了2121亿元，2008一年到了3561亿元，在2009-2012年期间里，平均一年都在以12%-16%的上涨速度速。60年代，半导体的材料开始被用到各种电子元器件上面，范围越来越广，硅材料的半导体因为价格便宜，生产起来方便，在半导体业里面用量很大。对于集成电路的发展，是朝着极大规模/超大规模的集成电路的方向去开发的，我们对于硅锭的切片仪器的精度高低、需要进行加工的尺寸大小、切片的薄厚、平行度等等都提出了比较高的条件等级。全球范围内现在对于硅片用的最多的是6寸、6。5寸、8寸大小的直径。不过随着通讯电子设备、工业的自动化操控、航天、军工产品发展得越来越快， 300mm、450mm大小直径的硅片会用得更多。对于环境的保护，我们要大力开发绿色能源，其中太阳能是比较普遍比较好获得的一种绿色能源，现在一般都硅片加工做成的太阳能电池，其中先进的硅片加工方法是v型多线的切割技术，同样是一根钢线在高速地动作，带动着绳上的切割刃料跟着动，不停地摩擦着半导体等等一些脆硬的材料，最后完成切割工作。在切割的时候，有十几个导线轮一起引导着钢线，主线辊上面就变成了一张线网，工作台一旦开始下降，需要加工的工件就开始进给。工作台上面的半导体或者一些脆硬的加工材料，一次就能被切出几百片的小硅片。多线切割技术的优点就是工作效率更高，产能更高，加工的精度也很高等等。而且这个技术已经慢慢替代了一些传统的技术，比如刀锯片的切割法、砂轮片的切割法、内圆的切割法等等，在切割半导体等的一些脆硬材料时，用得最多的还是多线切割法。多线切割机对于生产的效率、产品的规格尺寸、良品的占有率方面都有比较好的提升效果，而且减少了人工、控制了材料的浪费，机器的占用的地方也不大。这次的设计主要是让我们了解设计的基本流程，有一定的初步设计机械构成的能力，对四年的知识进行了一个综合的考核。1.2 多线切割机的国内外研究现状及发展趋势1.2.1 国内外研究现状多线切割机是一种专用的很精密的数控机床，它的精度很高、机器的控制系统相对复杂、生产制造起来有一定难度。80年代中期开始，国外就已经开发研究这类设备了，发展到现在，国外线切割仪器的主要制造厂家是：日本的TAKATORl公司、NTC公司，瑞士的M&B公司、HCT公司等等。对于不同的牌子，切割机的特点也不一样，我们通过有多少个主辊进行区分，其中有代表性的一些产品请看下图。日本比较有名的就是TAKATORI牌的线切割机，他们的产品都是3个加工辊进行动作的，主要的是MWS-3020、MWS-610SD(机器看下面1-2a图)，这个系列的设备可以拿来切割100mm200m大小的水晶、蓝宝石、磁性、光电材料等等。NTC公司生产是MNM444B、MWM454B系列的切割机，同样是3个加工辊来工作的，大多是用来加工 300mm大小的晶圆片的。MeyerBurger公司出品的是DS261DS264系列的产品，这都是些大型的切割机，拿来切太阳能等级硅片的，一般是2个辊来工作的，最大的能用来切8英寸大小的硅棒，这种机器走线是非常快的、加工出来的产品精度很高， 在我国DS-264(机器看下面l-2c图)运用的是很多的。图1-2 代表的几类切割机 HCT公司是比较早生产切割机的，大多是4个加工辊来工作的，工作台占的很大，也是高端类的产品，主要有E400SD、E500SD、E500ED-8、E400E-12这四类，前两个类别的机型大多是用在加工太阳能级别的硅片上的，加工的最大的有150mm。后两种机型大多是用来加工半导体圆片的，E500ED-8是加工200mm大小的，E400E-12是加工300mm大小的。现在光电信息技术发展的很好，相应的对多线切割机的要求也越来越多了。最近几年，院校和企业多有研究开发这类机器。其中湖南高校跟公司开发出来的XQ300系列切割机，成功卖出了100多台。其它机构也在不停地研发，成功生产了多个系列。1.2.2 多线切割机的技术发展趋势计算机技术的发展让传统的制造行业有了大转变，各个发达国家，都在大力开发着新式的现代化的制造技术。多线切割机未来会向着下面几点发展：（a）设备更大型先要达到加工的精度，辊的切割面可以尽可能的大，这样一次加工的量就更多，切片会更加一致，基片的档次会得到提升，生产的成本也会更低。（b）速度更高设备的高速控制系统会让运动更加高速，走线也更快，这样切割起来就更快，那么线割机的效率也就更多了。快速地走线可以让砂浆的流动、渗透更快，相当于砂浆的配比更大，这样磨的效果就会更好，单位切片的研磨砂就变少了，成本相应的变低了。（c）精度更高把多线切割的动态、静态特性相应地改进，让精度变高，那些没有效果的切割线磨擦就变少了。切割的线径变小了，材料的浪费就少了，加工过的晶片外表不会有深的伤害，粗糙度变小，出片的数量很大。机器的一些主要的性能，比如切片的弯曲度、翘曲度、平行度、总的厚度公差等都会有一定的提升。（d）用电镀金刚石线锯进行切割工作这种切割线的上面有金刚石或者碳化硅颗粒，切割的效率大大地提高了，费用也会变低，如果选了电镀金刚石的线锯来切割的话，切割液可以直接用水，工作的环境就变好了。（e）更加智能把计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等等多个领域的技术用上，那么加工的时候，各个参数就好自己进行修正、调整、补偿了，直接在线完成诊断检查了，从网络方面还可以群控来工作。1.3 多线切割技术与内圆切割技术分析对于硅片的切割工艺，在多线切割法还没有普遍之前，内圆切割法是最主要的一种加工硅片的方法。切割机的外形和对应着的原理见下图。到了七十年代末期，机器发展的就比较稳定了。需要切割的硅片直径越来越大，那么内圆刀片的尺寸大小就要变大，刀片的张紧力就更大了。这时刀片的刃口变厚了，切起来损耗会增加，硅片的外表面和刀具也会出现很大的损伤。所以硅片用内圆切割法的话，在直径、品质、效率、成本等方面的发展上就会有限制。而且内圆切割的刀具做起来也不简单，最后更先进的多线切割就慢慢普及了。多线切割机的造型请看下图。 图1-3 内圆切割机的外形和切割的原理图图1-4 多线切割机的外形图 现在多线切割已经成了最主要的一种加工方法了，基本把传统的内圆切割法全面的覆盖。不过面对所有种类的硅材料，内圆切割跟线切割可以互相补充。 内圆切割法受到的限制还是很多的，不过也有很多优点不能忽视。这种切片的精度很高；成本比较低；每一片都好调，很灵活；在批量小规格多的切割上可以随时调节；自动、单片的切割模式之间很容易转换；辅料的价格很低；不一样片厚，不一样的棒径时的调整时间不长；修刀、装刀起来特别简单。 跟多线切割技术来比，缺点大多是：片厚的误差相对很大；切割起来不简单，想要用智能来检测不太容易；切割的风险还是比较大的，都是整棒来切的，只要发生断丝那么整个棒就没办法用了；不好保存单片的质量好坏，切完一次之后，才好测这一批的硅片。切割技术一直在发展进步，我们对得到的硅片质量相应的条件也会更高。硅片的直径会增加，片厚变得更薄了。对于内圆切割机，里面装的是环形的不锈钢内圆切片，内刃口的上面镀了一层金刚砂颗粒，操持着机械张紧，通过不一样的装单晶硅的方式，分成了立式的和卧式的，主轴是流体的静压轴承形式，一般是空气或者主轴油可以当成介质，刀片的刃口大多是0。28-0。34mm大小的厚度，这一种的单元的效率不太高，材料的损伤多，在小型企业加工片厚度大，尺寸小一些的是比较适用的。内圆切割机跟多线切割机的原理完全不一样， 多线的切割是用0。08-0。20mm大小的合金钼丝替换了内圆刀片，这样切起来硅棒的损耗就不会那么多了。多线切割还可以分成游离磨料形式的多线切割、镀膜金刚石形式的多线切割。游离磨料就是把金钼丝绕到导线轮的上面，这样导线轮跟单晶硅棒之间就会进行相对的动作，之后用砂浆来磨、冷却，磨切就完成了。镀膜金刚石的线切割就是在切割线上面镀上一层金刚石的颗粒。用多线切割切出来的硅片的弯曲度BOW、翘曲度WARP、平行度TAPER都比内圆切割的好一些，片厚的误差不会大，切口也很小，刃口的磨损不大，硅片的外表受伤不深，人为不太容易产生影响。多线切割用到的地方更多，可以用来切单晶硅，还可以切割砷化镓、人造宝石、蓝宝石、水晶、碳化硅等一些脆硬的材料。下面把两个之间的性能相比较列出来。表1-1 多线切割机跟内圆切割机的性能区别性质参数游离磨料式的多线切割 内圆式的切割切割方式研 磨 磨 削切割表面的特点 线 痕 破 碎、开 裂损伤层的深度（um） 10-15 20-30生产的效率(cm2/hr） 110-220 10-30单次的切片数量（片） 2000-3200 1硅料的损耗（um） 200-300 300-500硅片的最小厚度（um） 180-220 300-350最大的切割直径（mm） 比300大 比200小硅片的弯曲度轻微严重1.4 线切割技术的工艺流程用多线切割的时候，主要是借助线网跟工件之间相对的运动来完成切割的任务。一根完整的硅棒开始，做成最后需要的硅片产品后要完成很多道工序。下面把线切割的工艺流程总结出来。图1-5 线切割额工艺流程 我们把每一道工序开始简短的介绍一下：（a）对圆棒的分段：就是把一根1-2米长短的单晶棒，粗略的分一下段。等着分的晶棒长短是不一样，主要是看多线切割机的加工性能够不够。大多是在300-400m以内。（b）对圆棒进行开方：这个阶段有开方机来工作，就是接着上一步，把切好的晶棒段开始加工，让它变成硅锭。（c）进行磨面：把硅锭的四个面开始打磨，磨到需要的表面粗糙程度。（d）进行滚圆：再用磨床把硅锭的四条棱边开始打磨，让它变得又滑又平。（e）进行粘胶：用一种特调的胶水，把准备切的硅锭粘到铁板上面去，这样硅锭就很容易装夹到切割机上了。（f）开始多线的切割：这是线切割工艺里面最重要的一个阶段，是硅锭变硅片的过程。（g）进行脱胶：把已经切好了的硅锭加上铁板全放到脱胶槽里面去，让硅片和工件板之间分开，方便下一个洗硅片的环节。（h）对硅片进行清洗：主要是把硅片上面残留的砂浆液给洗掉，那些不达标的、有缺口的硅片都给挑出去。现在已经发明了专门的清洗机。（i）检验硅片：认真仔细的检测已经加工清洗好的硅片。主要是看厚薄均不均匀、有没有线痕、硅落边缘、表面还脏的、应力片等全给挑出去。1.5 课题主要研究的内容1、这次是要把多线切割机里面的每一个系统的相关机械结构都给设计出来，把多线切割的生产工艺流程进行一个大体的认识，再把相关设计方案给定下来 。2、针对工作台的部分认真分析计算，得到最合适的设计。3、三维建模上托板的导轨，然后进行有限元的分析。第2章 多线切割机总体设计方案2.1 整体设计方案分析对于多线切割机是怎么来工作的，上面一根钢丝会从放线轮里面引出来，这根钢丝经过导向的小滑轮加上张紧机构，分别绕到2个相互平行的主辊上面，主辊上面会有间隔在0。3mm大小的槽。钢丝经过相互平行的线槽绕到主辊上，变成一个可以多重切割的线网。在主辊的另一头，把用过的钢线经过导向的小滑轮加排线机构，再一次的收回到收线轮上面。这里的主辊电路加上收放线轮的电路一起作用带来的扭矩，驱动着钢线进行传动。其中的张紧机构决定了钢线上面的张紧力大小，我们切不同大小的硅锭，张紧力也不太一样，比如对于6。5寸/6寸大小的材料，张力大概是18N，8寸大小的材料，张力大概是21N）。工作台开始升降的时候，就会把装夹好的硅锭进给到正在高速动作的线网上去，硅锭跟线网之间就会开始相对的运动，完成切割的动作，得到想要的硅薄片。设计的总体方案是：定出系统用哪一种运动形式，确认出执行部分、怎么来传动，确认出用什么型号的伺服电机、怎么进行调速，选出合适的计算机控制系统。对于选的方案一定要再三比较、论证。下面对设计以及计算提出了一些要求： （1）确认用什么运动方式 这次是要求工作台顺着坐标轴开始运动，运动关系是很精确的，所以我们就选连续的控制方式。 （2）确认出控制系统 因为闭环控制系统的动力单元大多是功率伺服电机。闭环控制里面会有相关检验反馈的部件，系统的传动一旦有误差就可以及时调好。闭环系统的结构不复杂，调节检修起来也不难，大多是用到速度、精度条件相对高一点的设备。我们这次设计的精度等级相对高，那么驱动部分就选伺服电机闭环系统。 （3）机构确认的传动方式传动的精度、平稳性能、结构的紧凑这些方面都要保持的话，我们就选同步带轮当做传动副。对于工作台上面的运动部件，重量以及载荷都是比较小的，那么就选滚动的圆柱导轨副，这样工作台上的摩擦系数就变小了，运动起来就会更加平缓。 2.2 机械方案确认通过多线切割的切割原理，我们把整机的结构确认下来，见下图：图2-1 多线切割机看上图可以知道，这次设计的硅片多线切割机主要是：1、机架的部分；2、XY工作台的部分；3、线架的部分；4、送线的部分这四大部位。2.2.1 机架部分想要设计出来的多线切割机保持好整体的刚性、稳定性，我们就选铸造的机架，铸造机架的好处是：(1)经得耐磨、消震的效果好。因为铸铁里面含了石墨，方便润滑和贮油，这样的耐磨程度会更好。还是因为有石墨，这样就比钢的消震效果更好。(2)相关的工艺性会更好。对于灰口铸铁，碳含量是很高的，近似于共晶的成分，那么熔点就会很低，流动起来还不错，收缩率不大，所以铸造那些结构有些复杂或者壁比较薄的铸件都是很适合的。还有就是石墨在切削的时候会很容易产生断屑，那么在切削加工方面，灰口铸铁也是比钢更好。2.2.2 XY工作台部分XY的工作台构成部分：拖板、中拖板、下拖板、滚珠丝杠、伺服电机、调节手的部件。对于拖板的纵向以及横向，都是选滚柱导轨进行工作运动的。主要结构见下图图2-2 XY的工作台上图就是XY工作台的构造。主要是安装工件的，让工件随着工作台在平面上往x轴、y轴两个方向上移。工作台分成了上下两层，都是跟x轴、y轴的丝杠连接在一起的。上面两个伺服电机，分别是两对消隙齿轮加上丝杠的运动，往两个方向移动。伺服电机收到一个脉冲信号，它的输出轴就转过一个步距角大小。消隙齿轮会进行变速，丝杠也就跟着转，工作台相对的移出0。001mm。丝杠前面一头会用两个角接触的轴承把间隙相应的消掉，予紧力也是可以调的，要接近完全没有间隙，这样转动就会很灵活、精度也足够高、工作的寿命也不短。我们这次是用的开环控制，那么机床的加工精度主要是看工作台的动作精度大小。2.2.3 线架机构在送线机构跟工作台之间，我们会装上线架。因为要加工的硅片厚度不一定是一样的，那么这时机床就用可以自由改变跨距大小的线架，这样上下导轮到工件之间就可以保证是最合适的间距，切割丝的抖动变小了，加工的精度也就变高了。线架选铸件的构造，这样线架的刚性对加工的精度更有利。把线架的下悬臂紧固到立柱上面，上悬臂就沿着立柱的导轨进行升降运动。在线架悬臂的前面把导轮密封起来装上去。机床的线架结构见下图。图2-3 线架机构2.2.4 送线机构机器的运丝装置主要是：送丝筒、送丝筒的拖板、传动系统。其中的送丝筒一般是薄壁的管做的，重量不大、惯性又小、还有很强的耐腐蚀作用。联轴器里面会有防油的橡胶垫片，缓冲了电机换向的瞬时生成的冲击，让振动减小，这样传动轴的工作寿命就变长了。它属于机床的运部件，送丝筒的主轴里面有两对变速齿轮，传动丝杆带着运动，这样送丝筒跟拖板就会一直往复运动，把钼丝规律整齐地排到送丝筒上面。对于拖板送丝筒，它需要不停地换向，主要是靠行程开关来操控的。左右撞块之间的距离是可以调节大小的，主要是钼丝的长短来决定。钼丝的两头会有一定大小的余量，如果行程开关失效开不了，只要把机器的电源拔掉，就能保护机床。运丝结构见下图。图2-4 送线机构2.3 本章小结这一小节确认了硅片多线切割机的几个重点的设计机构的方案，主要是确认出自动线架的结构，送线的结构、XY的工作台。经过这一小节，硅片多线切割机的构成已经大致确认，为下面的设计做好了准备。 第3章 多线切割机设计计算3.1 工作台技术参数最大的行程是：；慢速的进给速度是：；快速的进给速度是：；X轴的大致质量是：。3.2 滚珠丝杠的计算及选择1、确认出滚珠丝杠的导程长短这次是直接把电机跟丝杠连一起的，传动比定成，假定最高的电机转速是，那么求出丝杠的导程是： ，这里取 2、求出丝杠的等效转速大小 进给速度是最大的时候，丝杠的转速大小是： 进给速度是最小的时候，丝杠的转速大小是：我们取 ，丝杠的等效转速是： ，分别是转速在，大小下消耗的时间，单位是s。那么 3、把质量、承重估一估总质量大小是： 4、把丝杠的等效负载大小定下来机器实际工作的时候，在滚珠丝杠上的产生轴向压力的大小就叫做工作负载。导轨作为是滑动的导轨，摩擦系数定成0。3。5、丝杠上面受到的动载荷最大数是 是负荷性质的系数；查表可以知道，正常运转，这里取。是温度的系数；是硬度的系数；查表可以知道，滚道的硬度HRC58的话，取。是精度系数；查表可以知道，精度等级是3的时候，取。是可靠性系数；查表可以知道，可靠性达90%的时候，取。是等效负荷大小，单位是N；是等效的转速大小，单位是r/min；是工作的寿命长短(h)。查表可以知道，榫头加工的数控机床的寿命定那么 6、通过丝杠的轴向压力大小，确认出丝杠的底径多少 其中， ，单位是mm；， 单位是mm；，单位是N；，系数怎么选请看下表表3-1 系数和的选取支承的方式双推-双推式21。920。3双推-支承式15。110。2单推-单推式9。75。1双推-自由式3。41。3其中的大小保证强度精度符合条件，初步取来算。把已知数代进去，算出：。7、求出最大的转速极限数滚珠丝杠最大的转速一定要符合： 其中， 是丝杠的底径大小，单位是mm；是丝杠最大的转速大小，单位是r/min； 一般在=5000070000的范围丝杠的最大转速是已经确定了，来求得：8、丝杠的直径大小的取值范围选出滚珠丝杠还要满足：9、定出滚珠丝杠的型号我们经过查资料，查表，选的是上银精密丝杠制造有限公司出品的丝杠，这款丝杠特点是外循环插管式的+垫片进行预紧+导珠管埋入型的。具体是 BSBR3206型号，公称的直径大小是，基本导程是。3.3 滚珠丝杠支承轴承的选择求动态的等效载荷大小时，相关系数请看下表列出：表3-2 X轴的径向载荷系数+Y轴的轴向载荷系数 组合列数2列3列4列组合形式代号DFDTDFDDTDDFTDFFDFTDTT承受轴向载荷的列数1列2列1列2列3列1列2列3列4列1。91。432。331。172。332。530。540。770。350。890。350。260。920。920。920。920。920。920。920。920。92动态的等效载荷大小是： 其中，是径向的载荷大小，单位是N；是轴向的载荷大小，单位是N；是径向的载荷系数；是轴向的载荷系数。接着求出动载荷大小： 查资料可以知道，滚珠丝杠的底径是28。9mm，丝杠外径要比右边的轴承的内径稍微大一点，这里取，确定出型号是25TAC47A，符合相关条件。这一次的设计里面，滚珠丝杠专用的轴承是固定装的+用两个螺母垫片进行预紧+滚珠保持成对的形式。 这种滚珠丝杠的专用轴承主要有下面几种特点：1、用的材料刚性足够大。保持架是用特殊的尼龙来成形的，钢球的数量变多了，让接触角保持60大小，轴向的刚性会比较强。2、不用进行预调整。不管怎么组合，厂家出厂前就把机器达到最适合预紧力的间隙控制好了，用户在装的时候根本不要再调了，只要按顺序排好厂家给的各个部位的序列号，装紧就能工作了。3、这个轴承的起动力矩不大。比圆锥滚子的轴承、圆柱滚子的轴承起动力矩还要小。这次设计想要滚珠螺母跟轴承之间的不同轴度吸收得更加便利，我们决定用正面组装的方法。3.4 滚珠丝杠的校核 对于滚珠丝杠副的拉压系统，整个系统刚度决定了它能不能准确的定位、决定了轴向拉压振动额固有频率大小。它的扭转刚度大小关系到扭转的固有频率大小。想要知道有轴向负荷的滚珠丝杠副的拉压系统刚度Ke大小是多少，包含了丝杠本身的拉压刚度大小Ks，丝杠副里面滚道的接触刚度大小Kc，轴承的接触刚度大小KB，螺母座的刚度大小KH，我们通过支承组合的形式不一样，算出来不同的系统刚度。 3.4.1 临界压缩负荷丝杠是怎么支承的，这对丝杠的刚度的大小关系很大，如果把两头固定住来支承、再把丝杠预拉伸处理一下，这时丝杠的潜能都被充分开发出来。临界的压缩负荷大小是： 其中 ，； ，单位是m； 是安全系数，这里取； ，单位是 N； ；这次双固-双固进行支承的话，取， ，单位是m4： 其中 是丝杠的公称直径大小，单位是mm； 是滚珠的直径，单位是 mm。那么求出丝杠螺纹一段的长是，求出丝杠的全长是比大得多，可以知道临界的压缩负荷符合条件。3.4.2 临界转速 其中 是丝杠的最小横截面大小： ：这次设计取 ，是安全系数，通常是 ；是材料的密度，这里取；，查表可以知道那么转速是符合条件的。3.4.3 滚珠丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率求出滚珠丝杠系统的轴向拉压系统的刚度大小Ke：这时是选两头固定住的 其中 ，单位是N/m； ，单位是N/m；，单位是N/m；，单位是N/m； ，单位是N/m。（1）丝杠副里面滚道的接触刚度大小，参看滚珠丝杠副的型号样本来确定；（2）轴承的接触刚度大小，查看轴承型号的样本来确定；（3）螺母座的刚度大小，可以近似看成1000；（4）确定丝杠本身的拉压刚度的大小。丝杠的支承是两头固定住进行组合的，那么： 其中 ，；，； ，单位是m；，单位是 m已经确定出：轴承的接触刚度是，丝杠螺母的接触刚度是，丝杠的最小拉压刚度是，螺母座的刚度是。求出丝杠系统的轴向拉压振动的固有频率大小是：其中 ，单位是N/m； ，单位是N/m。看上面的得数，丝杠的扭转振动的固有频率比1500r/min大得多，所以是符合条件的。第 39 页 共 46 页3.4.4 滚珠丝杠扭转刚度求出滚珠丝杠的扭转刚度是： 其中 是丝杠的平均直径多少；是丝杠的长度多少求出扭转振动的固有频率： 其中 ，单位是kgm2； ，单位是kgm2； ，单位是 kgm2。查资料，平移物体的转动惯量大小是：丝杠的转动惯量大小是： 看上面的得数，丝杠的扭转振动的固有频率比1500r/min大得多，所以是符合条件的。3.4.5 滚珠丝杠传动精度计算求出滚珠丝杠的拉压刚度大小 ： 当导轨移到两头极限的位置，这时就是最大、最小的拉压刚度， L大小是取9mm、100mm，分别求出最大的、最小的传动刚度：分别求出最大的、最小的机械传动刚度：通过选出的传动装置，求出它的定位误差是 如果是 3级的滚珠丝杠，每300mm的导程公差是 ，设备的定位精度是，可以知道，传动刚度不同带来的定位误差要比1/31/5的机器定位精度还要小，完全符合。如果还是闭环反馈系统，可以进一步补偿精度只会更高。3.5 滚珠丝杠进给传动系统变形计算 这次设计的是精密的榫头加工专用数控机床，它的进给传动机构是闭环来控制的，进给系统的每个零部件的精度直接关系到系统的精度高低，总共会出现下面几种误差形式：生产滚珠丝杠副的误差；丝杠、螺母、轴承、联轴器、伺服系统在载荷、温度大小变化时各自生成的误差 。滚珠丝杠副的制造误差主要取决于丝杠副的精度大小，这里就按每一个300mm行程里面，行程的变化大小来确定。滚珠丝杠精度计算如下：1、求出滚珠丝杠的轴向变形情况丝杠的拉伸、压缩的变形情况大小是轴向会有载荷工作，顺着轴线的方向，丝杠要么拉伸要么压缩，变形的大小主要跟选的支承方法、螺母的地点有关系。因为这次丝杠是两头固定住的，通过力学分析算出相应的变形大小： 其中，单位是N；，如果是钢材料，； ，通过底径大小来算，单位是；，单位是；，单位是如果螺母移到两个支承端的中点，这时的变形是最大的： 丝杠的底径是12。9mm，F=180N，L=930mm，把这些数代进去，求出丝杠发生扭转变形，轴向变形的大小是丝杠工作的时候，变形产生的一个导程的变化大小是： 其中，单位是mm；，单位是rad。那么扭矩下的丝杠，在支承长度L上发生的轴向变形大小是： 接着算出扭转角大小： 其中，；。 ，那么：丝杠相对是比较短的，那它的自身重量弯曲带来的轴向变形量可以直接忽略。 所以一定的载荷下，丝杠的轴向变形大小是：2、对于滚珠跟滚道面的弹性接触变形，会产生的轴向变形大小对于螺母体的变形量大小：螺母+螺母座的变形大小、固定螺母的螺栓带来的轴向变形大小、滚道面的弹性接触变形带来的轴向变形大小。其中螺母+螺母座的刚性还是不错的，这方面的变形就不考虑。因为机器选的是预紧螺母，那么固定螺栓的变形也不用算上了。最后螺母体的变形大小只要看滚珠跟滚道面的弹性接触之间的变形大小。=1。04，得出： 其中：，单位是mm；、分别是滚珠的半径+直径，单位是mm；是接触角，这里取=；是工作的滚珠数量，；是轴向的预紧力大小，单位是N；，单位是mm。最后求出：mm=。3、对于支承滚珠丝杠的轴承，产生的轴向变形大小轴承的刚度是1080，最大的轴向变形是：选3级精度的滚珠丝杠，每300mm的导程公差是 ，机器的定位精度保持在，那么求出机器的X轴方向的进给系统的定位误差是：看上面的数，定位的精度也是符合条件的。3.6 伺服电机的选择与计算这次设计确定用进给系统的伺服电机组合，注意下面几个部分：1、给出的进给速度的大小范围，空载时候的进给力矩大小不能比额定的转矩大；2、最大的切削力矩不能超过额定的转矩大小；3、加速、减速的时间要在给出的时间常数范围里面；4、快速进给的频繁度大小也要在给出的数值里面。找到满足上面条件的电动机，我们要算负载扭矩，求功率的大小，求出加减速时的扭矩大小，校验相应的惯量匹配。先求出扭矩的过程：1、理论上来看，确定出动态预紧的转矩大小是3级滚珠丝杠查表得到， 而 2、确定出最大的动态摩擦力矩大小是3级滚珠丝杠， 3、确定出驱动最大负载时的转矩大小 4、确定出支承轴承需要的启动扭矩大小查表可以知道：直径的轴承，直径的轴承，那么。5、确定出驱动滚珠丝杠副需要的扭矩大小 6、确定好电机的额定转矩大小 7、系统快进到最大的速度时，消耗的功率大小： 其中，单位是kw；是快进的速度，单位是m/s，是惯性力大小，单位是N。电动机的功率大小要在下面范围： 其中，这里结合了丝杠预紧、导轨、联轴器的效率，决定；，大多是1。25。通过上面的计算验证，这次选的电机在转矩、功率上都符合要求，转矩：，功率：。我们初步确定是用台达的电机，电机的型号是A2-750交流伺服电机，相关参数是： 在买电机的同时，要求装上脉冲编码器、制动器。3.7 进给伺服电机的校核对电机惯量大小进行求解验证把每个部位都折算到丝杆轴的转动惯量上：1、折算到丝杆上的转动惯量是： 2、丝杆的转动惯量是： 最后求出： 3、螺母的转动惯量大约是：负载+传动装置总共的转动惯量是：4、对于台达牌电动机的转动惯量是：5、多有部位的转动惯量是： 进行惯性的匹配，得到是在范围内的通过上面的验算求解，这次选的电机是满足条件的。3.8 联轴器的选择滚珠丝杠跟电动机之间是通过联轴器直接联接在一起的，查看相关资料，选出来的联轴器一定要可以在高温、低温的环境，高速、中速的转速，大转矩，有油有水的工作环境下进行。我们结合电机轴的直径、长度、丝杠链接的尺寸把型号定下来，是选HL114-12型号的弹性联轴器。对于型号HL114-12的弹性柱销联轴器，它的结构不复杂，尼龙的柱销换起来很方便，两个半联轴器不用移；里面的尼龙材质的柱销，分成耐磨、而且润滑也不错，维护起来很方便。3.9 本章小结这一章节主要是运用公式计算出硅片多线切割机的工作台部位的结构，校核之后决定出合适的丝杠、电机的相关型号。第4章 上托板导轨有限元分析4.1 SOLIDWORKS简介我们要先了解一下Solidworks软件，它是一种先进的、智能化的、运用参变量式的CAD软件，在3D机械设计的领域地位靠前，很容易就能学会，界面看起不复杂，功能也很多。现在想要设计机械制图、设计机械结构的时候，运用Solidworks这款软件就是一个最基本技术。跟以前的2D机械制图比一下，这种带参变量式的功能效果更好，对于现在的机械制图来说，这是大方向。以前传统的CAD，只是通过一定比例大小，正视，侧视，俯视等视觉效果，进行投影透视，画出每一个单元，接着再把尺寸大小注到图上去，这对制图员、看图员的要求都很高，他们的画图以及三维空间的想象力都要达标。而且注上去的尺寸一旦改了，不会变到图形的尺寸大小上去，不好自动同步进行；改了几何图，标的尺寸动不了，必须重新画才行，再重复标注，这样会让画图的时间又长又麻烦。参变量式的CAD设计软件，就代表参数式加上变量式合起来的叫法。把草图画完之后，加上尺寸等等一些数据的规定条件、还有其他一些几何大小方面的规定条件，把草图完全定义，这个过程就是参数式的模式。软件还加了自动关联的功能，只要尺寸被改了，图形的尺寸大小就会自动更新好。当然规定的条件也能保持不充分，这时的草图就叫欠定义，也就是变量式模式。90年代开始，国际上的微机市场产生了翻天覆地的改变，微机的性能在不断地提升，不过价格却一直在跌，微机的性能越好，CAD软件就运行得更方便。1993年，PTC公司的技术副总裁跟CV公司的副总裁一起合作，成立了SolidWorks公司，在1995年，这个个公司就推出了公司同名的SolidWorks软件，大家一片叫好。有了SolidWorks软件的推广运用，从1998年，国内、外也开发了相关联的软件；以前CAD软件都是在UNIX操作系统的工作站运行工作，不过1999年开始，就把程序移到了Windows操作系统了。因为SolidWorks的功能很大，推广后收效也很高，这在CAD里面保持了领先，而且被华尔街相中了。1997年，法国达索公司把SolidWorks进行全资并购了，用了高达三亿一千万的市值。并购之后的SolidWorks，还是沿用之前的品牌、管理技术队伍，独立运作，是CAD行业里面综合素质很高的一家专业化公司。软件的相关功能（1） 自顶向下TopDown的设计功能（2） 自下向上DownTop的设计功能（3） 配置管理功能（4） 简单好用、支持传统的数据格式（5） 零部件的镜像功能（6） 装配的特征（7） 画出工程图（8） eDrawingSolidworks的模形分成：零件、装配体、工程图等一些文件，还没生成零件的图纸是草图。通过2D、3D的草图直接生成了3D模形以及工程图的时候，一旦草图上的尺寸变了，那么相应的3D模形、工程图都会自动更新同步的；相反也一样。软件操作运行起来特别容易，设计员的工作量被大大减少了，工作的效率也得到了提升。一般时候，我们打开一个零件的文件，或者是新建一个文件，要先画出草图、生成基体的结构特征、之后在模型上面加上更多的特征，把零件自动生成出来。也能从其他的软件里面把曲面图或者几何实体导进来，自行编写各种特征，生成零件图、装配体工程图。图变了，那么其他两个视图也会跟着自动变。Solidworks2012版本允许有自定义的功能，选择菜单栏里面的工具-选择的命令，这时候就打开了定义：“系统选项”、“文件属性”的选项卡。Solidworks2012版本还好自动保存起来，它的自动恢复功能，可以把零件、装配体、工程图文件的信息自动存起来，这样一旦死机了，也不害怕把数据弄丢。我们选工具-选项的菜单命令，再再系统选项的选项卡上面，单击备份这个选项，选每n次更改之后，自动恢复信息的这个复选框，在自动保存信息之前应发生的变更次数。Solidworks2012的文件交换功能也很厉害,可以把数十多种的文件格式进行输入、输出，可以跟AutoCAD，pro/ENGINEER、Solid Edge、CAM等等软件之间传送各种文件。用Solidworks2012来画草图、工程图的时候可以有显示、捕捉网格线的功能。让网格线对齐模型的边线，同时角度也好捕捉到。因为SolidWorks属于一种参变量的软件，对于它的尺寸大小、几何的关系相关的精度都是给出的。我们先要把上托板导轨的大体结构三维建模起来。之后再把相应部分的进行有限元分析。想要计算更准确，系统的计算时间更短，这里我们只分析一下上托板导轨的主体就可以了，也就是单单把上托板导轨的主体分出来，独自分析静态情况，让系统的强度和稳定保持可靠。上托板导轨的有限元分析请看下面流程：4.2 上托板导轨零件的三维建模 借助SOLIDWORKS软件，把上托板导轨三维建模。得到的三维模型见下图。图4-1上托板的轨模型4. 3 确定材料 零件的反应主要看构成的材料，程序里面零件材料的弹性属性一定得知道，直接从材料库里面来选好材料做成零件材料。因为上托板导轨受到的重量比较大，那么上托板导轨主体也就会受到很大的压力以及拉应力，那么这次的上托板导轨材料选GCR15。我们用Solidworks Simulation分析上托板导轨受到的应力大小时，材料库里面是没有这个材料的，那么就选就靠近的碳钢材料，见下图。 图4-2 材料的选取 4. 4 添加夹具夹具选项卡里面，我们定义固定的约束条件。每一个约束可以含很多个面。不过只要是受到约束的面，它在的方向