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078105213贾辰光带CAD图,辰光,cad

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引线键合的低成本分析 Equipment for Electronic Products ManufacturingEPE（总第160期）May.2008引线键合的低成本解决方案Jong-Soo Cho,Jeong-Tak,Moon(R&D,MK Electron Co.,Ltd.Korea,449-812)摘要:最近,金价不断上涨突破了35.4美元/g,同时半导体产品特别是存储器类产品的价格却不断下降。目前半导体行业最大的挑战是如何控制并降低成本。为了降低引线键合的原材料成本,近年来金-银合金引线已被开始用来替代金线键合。但是,由于金-银合金引线键合的器件在测试中出现的故障,不能用于在高湿度环境下进行可靠性测试(例如PCT测试)的器件,使其在应用上受到限制。研究了传统Au-Ag合金引线键合的电子器件在PCT测试时所产生的故障机理和钯元素的作用,通过在Au-Ag合金引线中掺入(Pd)钯元素来阻止在高湿度环境下进行可靠性测试时出现的故障。关键词:Au-Ag合金引线;PCT(高压炉测试);潮湿度;可靠性 1介绍金被广泛的作为半导体封装的引线键合。然而，为了降低半导体工业的成本，用其它廉价的金属线替代金线成为一个严峻的问题。金和银能纯粹的溶解，使高容量的银作为合金成分加入金成为可能，因此可以节约半导体封装中的金属线成本。这个众所周知，然而，金银球与铝垫之间连接的退化是一个严峻的问题。湿度可靠性问题在金银合金中起的障碍作用给半导体封装减低成本带来了困难。有两个问题需要考虑：（1）为什么金银球与铝材料的粘合能力在湿度测试中如此脆弱。（2）在金银合金线中用Pd元素解决湿度可靠性中未实现的问题。2讨论与结果 2.1 FAB的三种形状：第一种连接、第二种连接、环状连接 电子扫描显微镜图象监测查出在图1中不论是自由气球连接第一种连接、第二类针脚连接还是环状都有优点和缺点。结果是，我们需要的是在所有情况下都不会出现问题的类型。 2.2高压炉测试后的连接能力 4N的金、含15%的银的金、含15%银和5%钯的金三种金属线（直径均为20微米）以球形方式连接到铝上面。使这三种样例作用在JESD 22-A102，高压炉条件下（121摄氏度，204.9X10（-3）兆帕100%RH） 在图2中显示了垂直线描述了连接拉力测试水平，水平线描述了高压炉测试的持续时间。查看图表可以看出含银15%的金的的金属线和纯金的金属线对比高压炉测试24小时后连接拉力水平大幅度下降。再次进行对比，金含量为99.99%的金属线和含！金中含15%银5%钯的金属线，同样条件下，他们保持了原来的连接拉力水平。 因此，我们知道钯元素可以减缓含15%银的金线在高压炉测试中连接力的降低。 图3显示了球形扭转测试结果，在含银15%的金线中，球形扭转测试水平和图2中的连接拉力测试水平相比较下降缓慢。但总体趋势和图2中的连接拉力测试水平几乎相似。 图4反映出了含银15%金线与铝垫分界面经过高压炉测试后的电子发射扫描显微镜图像，查看图片可以发现在铝垫上有金属化合复合物。这就是观测到的黑色线条，含银15%的金线与金银铝复合物之间的微小裂缝。图5显示了这条线沿着电子发射扫描显微镜图像中的红线经过电子数据测试后的扫描分析，分析还显示了氧、铝、金、银四种元素。作为一个显著的结果，我们可以发现氧气高峰和铝高峰周围是裂缝较多的区域。从裂缝周围的铝氧化物，我们可以猜想裂缝是由铝氧化物引起的。氧化层与裂缝发生的原因是电流腐蚀，即银的移动现象。 图6显示了含银15%的金线之间经过电子射线显微镜图像与经过电子能量损失光谱仪绘制的氧的图像的分界面。观测到IMC的厚度在50至100纳米之间，裂缝在10至30纳米之间。 经过电子能量损失光谱仪分绘制的氧元素都分布在裂缝的区域，因此裂缝是由腐蚀导致这个结论再次被证实。 图7显示了电子射线显微镜和电子能量损失光谱仪分析钯元素对含银15%钯5%的金线球与铝材料分界面经过高压炉96小时测试后的影响。 查看电子射线显微镜和电子能量损失光谱仪图像可以发现更稀少的金属复合物还有更少氧与没有钯元素之间的比较。测量得到IMC的厚度在20至30纳米之间，并且在电子射线显微镜图像中没有发现裂缝。 因此，在含银15%的金线中加入钯会使形成的金属氧化复合物和氧更少，并且没有裂缝。 3 结论3.1含银15%的金线连接到铝垫的情况 （1）高压炉测试使得连接强度大幅下降 （2）铝氧化层的形成会导致裂缝产生，导致连接能力下降 （3）氧化物形成与裂缝产生的原因是电流腐蚀。在高温和高湿度条件下，银会产生移动现象 3.2在含银15%d的金线中加入钯的情况 （1）在含银15%的金线中加入钯会改善连接能力的在高压炉测试后的大幅下降（2）加入钯使得IMC的产生更少，并且可以防止氧化层的形成面向LED封装的XY二自由度的工作台的设计学生姓名：贾辰光 班级：0782052 指导老师：张绪坤 摘要：现代LED封装技术的发展基于数控技术，数控技术和数控机床理所当然的成为制造业关注的焦点。工作台作为被控对象，通过伺服电机实现精密定位，是数控机床不可或缺的部分。本文以设计面向LED封装的高速、高精密度工作台为目标，以机械动力学理论知识为基础，深入的研究了十字型高速、高精密度定位平台。完成的工作有伺服电机的选型和对工作台机械部件进行选型设计，其中机械部件的选型设计主要包括滚珠丝杠的选型、滚动导轨的选型、轴承和联轴器的选型及主要主要支撑部件的外形设计，确保工作台的定位精度为，重复定位精度为0.015mm。关键字：工作台 滚珠丝杠副 直线滚动导轨副 指导老师签名：Two spends XY being geared to the needs of LED encapsulation to liberty working table Student name: JiaChenguang Class: 0781052 Supervisor: ZhangXukunAbstract:The development of modern LED encapsulation technology is based on numerical control technology, the numerical control technology and CNC machine , as a matter of course has become the focus of attention of manufacturing industry. As the controlled object ,Workbench realize precision positioning through servo motoring, which is an integral part of the nc machine tools. Taking the high-speed and high -precision workable of LED encapsulation as object and mechanical dynamics theory knowledge as basis, this paper researches the cruciformed high-speed, high precision positioning platform thoroughly. The work finished includes the lectotype of servo-actuator and design of mechanical part workbench, in which the type selection of mechanical components includes the selection of ball screw ,rolling guaid ,bearing and coupling , and the configuration design of main propping components to ensure the positioning accuracy of worktable for , repositioning precision for 0.015 mm.Keywords: workbench ball screw linear rolling guide vice Signature of supervisor:毕业设计（论文）任务书I、毕业设计(论文)题目：面向LED封装的XY二自由度的工作台的设计II、毕 业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：1、X-Y行程范围*：50-400mm；2、速度范围：10-800mm/s；3、负载范围:150-2500N；4、分辨率范围：01-0.01mm；5、重复定位精度范围：0.003-0.007mm。III、毕 业设计(论文)工作内容及完成时间：1查阅资料，英文资料翻译 （2周）1月3日1月17日2撰写开题报告 （1周）1月18日1月23日3. 设计并绘制LED封装工作台设计装配图 （5周）2月21日3月27日4绘制主要零件图若干张 （4周）3月27日4月23日5编写设计计算说明书（毕业论文）一份 （3周）4月25日5月21日 6毕业设计审查、毕业答辩 （1.5周）5月23日 6月2日 、主 要参考资料：1 璞良贵，纪名刚主编.机械设计.第七版.北京：高等教育出版社，20012 赵松年，张奇鹏. 机电一体化机械系统设计.北京： 机械工业出版社，19963 徐灏主编，机械设计手册.北京：机械工业出版社，1995.124 李克永.化工机械手册. 天津: 天津大学出版社，1991.55 M F Caggiano, E Barkley, M Sun, J T Kleban, Electrical modeling of the chip scale ball grid array package at radio frequencies, Microelectronics Journal, 2000, 31:701709航空与机械工程系 系 机械设计制造及其自动化 专业类 0781052 班学生（签名）： 填写日期： 2011 年 1 月 3 日指导教师（签名）： 助理指导教师(并指出所负责的部分)：航空与机械工程 系主任（签名）：附注:任务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页。学士学位论文原创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 日期：导师签名： 日期：毕业设计（论文）开题报告 题目 面向LED封装的XY二自由度的工作台的设计专 业 名 称 机械设计制造及其自动化班 级 学 号 078105213学 生 姓 名 贾辰光指 导 教 师 张绪坤填 表 日 期 2011 年 1 月 23 日说 明开题报告应结合自己课题而作，一般包括：课题依据及课题的意义、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）、研究内容及实验方案、目标、主要特色及工作进度、参考文献等内容。以下填写内容各专业可根据具体情况适当修改。但每个专业填写内容应保持一致。一、选题的依据及意义：工作台系统是LED封装行业中的一种重要制造装备。LED行业在我国作为一个新兴行业，这几年来发展较快，特别是新型半导体（LED）照明，随着发光材料与发光技术的不断革新，半导体技术在照明领域掀起了一场新的革命半导体照明。半导体（LED）照明产品，尤其是氮化镓基（GaN）白光 LED照明光源体积小、重量轻、方向性好并可耐各种恶劣条件，在功耗、寿命以及环保等方面均有不可比拟的优越性。随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿、白光LED的问世，半导体照明工具有望替代传统白炽灯、日光灯、卤素灯的主导地位，成为广泛应用的节能环保的优质光源，成为照明行业的主流产品。甚至有人评价说，半导体照明带来的是“照明领域的第三次革命”，“其意义不亚于以人类高高举起第一根火把和爱迪生发明第一只白炽灯为代表的前两次照明领域的革命。”目前，LED作为“照亮未来的技术”，已受到越来越多国家的重视。封装是指安装半导体电路外壳，不仅起着安放、固定、密封、保护芯片使之不受外界环境干扰和腐蚀破坏的作用，而且是沟通内部电路与外部电路的桥梁。所谓LED封装加工是将晶片上的连接点用导线封装外壳的引脚上，这些引脚又通过导线与其他电路连接，因此，封装对LED芯片起着重要的作用。而阴险键合(Wire blonding)技术仍然是LED封装连接技术中广泛使用的灵活形式，焊线机是用铝线（或其他材料）把电路板上的压焊点与外壳或引线框架上的外引线引出端通过键合连接起来。 信息化社会的到来，促进了现代信息显示技术的发展，形成了CRT、LCD、PDP、LED、EL、DLP等系列的信息显示产品，纵观各类显示产品，各有其所长和适宜的市场应用需求。随着LED材料技术和工艺的提升，LED显示屏以突出的优势成为平板显示的主流产品之一，并在社会经济的许多领域得到广泛应用，主要包括： （1）证券交易、金融信息显示。这一领域的LED显示屏占到了前几年国内LED显示屏需求量的50%以上，目前仍有较大的需求。 （2）机场航班动态信息显示。民航机场建设对住处显示的要求非常明确，LED显示屏是航班住处显示系统FIDS（Flight information Display system）的首选产品。 （3）港口、车站旅客引导信息显示。以LED显示民间为主体的信息系统和广播系统、列车到发揭示系统、票务信息系统等共同构成客运枢纽的自动化系统，成为国内火车站和港口技术发展和改造的重要内容。 （4）体育场馆信息显示。LED显示屏作为比赛信息显示和比赛实况播放的的主要手段已取代了传统的灯光及CRT显示屏，在现代化体育场馆成为必备的比赛设施。 （5）道路交通信息显示。智能效通系统（ITS）的兴起，在城市效通、高速公路等领域，LED显示民间作为可变情报板、限速标志等，得到普遍采用。 （6）调度指挥中心信息显示。电力调度、车辆动态跟踪、车辆调高度管理等，也在逐步采用高密度的LED显示屏。 （7）邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。 （8）广告媒体新产品。除单一大型户内、户外LED显示屏做为广告媒体外，集群LED显示屏广告系统、列车LED显示屏广告发布系统等也已得到采用并正在推广。 （9）演出和集会。大型LED显示屏越来越普遍的用于公共和政治目的的视频直播，如在我国建国50周年大庆、世界各地的新千年庆典等重大节日中，大型LED显示屏在播放实况和广告信息发布方面发挥了卓越的作用。 （10）展览会，LED显示大屏幕作为展览组织者提供的重要服务内容之一，向参展商提供有偿服务，国外还有一些较大的LED大屏幕的专业性租赁公司，也有一些规模较大的制造商提供租赁服务。 经过近十年的发展，我国LED显示屏产业发展目前已初具规模，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。进入新世纪，光电子产业得到广泛的重视，一些具有实力和影响的企业把LED显示屏作为经营战略发展的重要内容，涉足LED显示屏产业，中国加入WTO、北京申奥成功等，成为LED显示屏产业发展的契机，预计在近两年内，我国的LED显示屏产业将会有较大的调整和发展。目前国内主要LED显示民间制造厂商主要集中在华东、华北、华南区域，大型制造商的市场范围几乎覆盖整个国内市场。国内LED厂商数量也在逐增加，目前比较上规模的（年产值在300万元以上）估计有150余家，其中年产值上千万的有20余家。而且由于国产LED显示屏的性价比比较高，市场占有率近100%，国外同类产品基本没有市场。目前在国内市场上，国产LED显示屏的市场占有率近100%，国外同类产品基本没有市场，四十三届世乒赛主会场天津体育中心、京九铁路、北京西客站首都机场、浦东机场等，均由国内代表企业中标。国内LED显示屏产品及市场发展迅速，厂家众多，但目前主导骨干企业群尚在形成之中，处于群雄逐鹿的时代。随着LED显示产品行业的竞争逐步变得有序，市场即将转入规模化、品牌化竞争，当逐步形成实力占据市场分额50%以上的三到五家企业时，显示屏市场将趋于成熟。节能是LED最大的特点,在我国具有非常重要的现实意义。中国照明用电约占总电量的12%, 保守估计2010年我国总发电量将达到30000亿度,照明用电将达到约3600亿度,如能节约一半的照明用电就是1800亿度,相当于两个三峡电站的年发电量。照明节能产生了两方面益处：能源消耗的节约和二氧化碳气体排放的减少。 根据LED显示屏专业委员会的统计，2001年成员单位的出口额约为4亿元人民币，这是LED显示屏走向国际市场的良好迹象。国产LED显示屏走出国门加入国际市场将使LED产业得到大的提升。 据科学界预测，到2008年，全球LED的产值将从 2004年的125亿美元提高到500亿美元。美国能源部研究报告分析，到2010年，美国将有55的白炽灯和荧光灯被半导体灯替代，每年节约电费可达 350亿美元，半导体灯有望形成500亿美元的大产业。韩国政府也拿出1亿美元发展本国的LED照明产业。日本则提出，2006年将用半导体灯大规模替代传统的白炽灯。目前，美国GE、荷兰飞利浦、德国欧斯朗三大世界照明生产巨头纷纷与半导体公司合作组建半导体照明公司，抢占产业制高点，目标是使半导体照明成为21世纪的新光源。二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）：目前，大多数封装装备中采用的是电机滚珠丝杠式的驱动方式，伺服电机的旋转运动是通过丝杠转为定位平台的直线运动，其极限加速度可以达到1g。日本发明了一种采用直线电磁电机驱动的XY定位平台，可以有效地提高定位系统的速度和可靠性。省去了旋转电机驱动中的传动环节，从而都不痛的提高了 XY定位平台的性能。但目前存在的问题是，无论用哪种直线电机驱动方式，动补痛程度的存在滞后、有限响应、有限加速度及速度等问题，且不同程度的限制了定位精度的进一步提高。音圈电机(Yoica Coil Aotuator)是另一种可用于直接驱动的驱动元件它是基于安培力原理制造的，除了和直线电机一样避免了传动环节存在间隙等不足外，在理论上具有无限分辨率，还有无滞后、高响应、高加速度、高速度、体积小、力特性好、控制方便等优点使音圈电机更适用于要求高加速度，高频激励，快速和高精度定位的控制系统中ss.s将其用于高频启动和转向的引线键合设备定位机构中，无疑是理想的选择。如下图所示即为音圈电机应用在半导体加工设备中的XY定位平台上的实例，在该X7定位平台单方向，即X向采用了传统结构的音圈电机驱动，Y向则用平面直线电机驱动.新加坡发明的双向都采用音圈电书1来驱动的XY精密定位平台，即在该安装有焊头的XY定位平台中，其X向和Y向均采用音圈电机进行驱动来实现焊头在水平面的两自由度运动。又比如美国BEITedmologies公司的音圈电机也有用在XY定位平台上的成功范例。近年来，随着电子技术、计算机技术的发展，各种形式的封装样式越来越多，LED封装高速、高精度的需求日益紧迫。为进一步提高质量和生产率，对该类设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，也体现了该类作业装备向高速、高精度方向发展的趋势。这就要求LED的封装技术不断的发展和改良。3、 研究内容及实验方案：主要研究面向LED封装的XY二自由度的工作台的设计，主要工作包括电机的选择、导轨的选择、轴承的选择、滚珠丝杆的设计、联轴器的选择、机械结构的设计。四、目标、主要特色及工作进度目标：工作台运行能达到精度要求，工作台运行可靠。主要特色：能自动调节运行精度。工作进度：第一周查阅有关资料，做好准备工作，完成电机的选择 第二周完成轴的设计以及轴承的选择 第三周完成带与带轮的设计，完成X轴上旋台的设计 第四周完成导轨的设计，完成滚珠丝杆的设计工作 第五周完成联轴器的设计以及X-Y工作台机械结构的设计 第六周完成工作台二维与三维图纸的绘制，并完成文字的整理工作。5、 参考文献1 璞良贵，纪名刚主编.机械设计.第七版.北京：高等教育出版社，20012 赵松年，张奇鹏. 机电一体化机械系统设计.北京： 机械工业出版社，19963 徐灏主编，机械设计手册.北京：机械工业出版社，1995.124 李克永.化工机械手册. 天津: 天津大学出版社，1991.55 M F Caggiano, E Barkley, M Sun, J T Kleban, Electrical modeling of the chip scale ball grid array package at radio frequencies, Microelectronics Journal, 2000, 31:701709南昌航空大学科技学院学士学位论文面向LED封装的XY二自由度的工作台的设计1. 前 言 封装是指安装半导体电路外壳，不仅起着安放、固定、密封、保护芯片使之不受外界环境干扰和腐蚀破坏的作用，而且是沟通内部电路与外部电路的桥梁。所谓LED封装加工是将晶片上的连接点用导线封装外壳的引脚上，这些引脚又通过导线与其他电路连接，因此，封装对LED芯片起着重要的作用。而阴险键合(Wire blonding)技术仍然是LED封装连接技术中广泛使用的灵活形式，焊线机是用铝线（或其他材料）把电路板上的压焊点与外壳或引线框架上的外引线引出端通过键合连接起来。近年来，随着电子技术、计算机技术的发展，各种形式的封装样式越来越多，LED封装高速、高精度的需求日益紧迫。为进一步提高质量和生产率，对该类设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，也体现了该类作业装备向高速、高精度方向发展的趋势。这就要求LED的封装技术不断的发展和改良。目前，大多数封装装备中采用的是电机滚珠丝杠式的驱动方式，伺服电机的旋转运动是通过丝杠转为定位平台的直线运动，其极限加速度可以达到1g。日本发明了一种采用直线电磁电机驱动的XY定位平台，可以有效地提高定位系统的速度和可靠性。省去了旋转电机驱动中的传动环节，从而都不痛的提高了 XY定位平台的性能。但目前存在的问题是，无论用哪种直线电机驱动方式，动补痛程度的存在滞后、有限响应、有限加速度及速度等问题，且不同程度的限制了定位精度的进一步提高。音圈电机(Yoica Coil Aotuator)是另一种可用于直接驱动的驱动元件它是基于安培力原理制造的，除了和直线电机一样避免了传动环节存在间隙等不足外，在理论上具有无限分辨率，还有无滞后、高响应、高加速度、高速度、体积小、力特性好、控制方便等优点使音圈电机更适用于要求高加速度，高频激励，快速和高精度定位的控制系统中ss.s将其用于高频启动和转向的引线键合设备定位机构中，无疑是理想的选择。如下图所示即为音圈电机应用在半导体加工设备中的XY定位平台上的实例，在该X7定位平台单方向，即X向采用了传统结构的音圈电机驱动，Y向则用平面直线电机驱动.新加坡发明的双向都采用音圈电书1来驱动的XY精密定位平台，即在该安装有焊头的XY定位平台中，其X向和Y向均采用音圈电机进行驱动来实现焊头在水平面的两自由度运动。又比如美国BEITedmologies公司的音圈电机也有用在XY定位平台上的成功范例。近年来，随着电子技术、计算机技术的发展，各种形式的封装样式越来越多，LED封装高速、高精度的需求日益紧迫。为进一步提高质量和生产率，对该类设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，也体现了该类作业装备向高速、高精度方向发展的趋势。这就要求LED的封装技术不断的发展和改良。本文面向LED封装的XY二自由度的工作台的设计为课题，设计一部高速、高精度、可靠的LED封装设备工作台。2 XY工作台的传动方式本次设计的工作台为十字工作台，为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用螺旋丝杠螺母传动副。电机与螺旋丝杠副采取直接连接的方式，即螺旋丝杠转速/电机转速=1。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。采用直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。系统总体框图如下主要完成的工作有：螺旋丝杠副的选取、电机的选取、轴承的选取、导轨副的选取及工作台底座尺寸的设计。3 螺旋丝杠副的选取3.1导程的选取 根据任务书选择行程=400mm，最大速度为0.3m/s作为设计目标进行计算。因为设计要求分辨率范围是0.1mm-0.01mm。粗选导程为5mm，计算分辨率： S=Ph*A/BS 最小进给量，mmA 减速比，即滚珠丝杠副转速/电机转速Ph 滚珠丝杠副的导程，mmB 角度测试仪和驱动的分辨率，即每转脉冲数，p/rev 电机与丝杠采取直接连接的方式，所以A=1，伺服马达每转一周的最小分辨率通常随着伺服马达的标准角度测试仪的分辨率（1000p/rev,1500p/rev）而成为1000p/rev (无倍增)1500p/rev (无倍增)2000p/rev (2倍增)3000p/rev (2倍增)4000p/rev (4倍增)6000p/rev (4倍增) 由于分辨率要求达到0.10.01mm，先选取1000 p/rev的分辨率和导程5mm代入上式计算得S=0.005mm,所以满足要求，所以选定导程为5mm。3.2 螺旋传动型式的选取 螺旋传动分为滑动螺旋、滚动螺旋、静压螺旋。其中滚动螺旋广泛用于各种精度的数控机床、加工中心、FMS柔性制造系统、轻功等机构中，且滚动螺旋有如下许多优点：1. 传动效率高达0.90.98，平均为滑动螺旋的2-3倍，可节省动力1/23/4，有利于主机的小型化及减轻劳动强度。2. 摩擦力矩小，接触刚度高，使温升及热变形减小，有利于改善主机的动态特性和提高工作精度。3. 工作寿命长，平均可达滑动螺旋的10倍左右4. 传动无间隙，无爬行，运转平稳，传动精度高5. 具有良好的高速性能，其临界转速之dn值（d为轴径，mm；n为转速，r/min）可达40000以上，可实现线速度120m/min的高速驱动6. 已经实现系列尺寸标准化，并出现了冷轧滚珠丝杠，提供了多用途的廉价产品所以本次设计丝杠选用滚珠丝杠3.3 计算最大速度和各时段的时间因为行程为400mm，在运行过程中，加速时间与减速时间一般各约为整个运行时间的1/4，设加速度为a a*t1=Vmax 0.5*a*t1+Vmax*t3 -0.5a*t32 +Vmax*t2=400 计算得t1=t3=1.125 秒t2=2.25秒 a=0.27m/s2滚珠丝杆的最大转速为 Nmax= Vmax/ph=300/5=60 （转/秒）=3600（转/分）3.4 滚珠丝杠副尺寸选择计算3.4.1 计算当量载荷加速时滚珠丝杠承受最大轴向负荷，减速时承受最小轴向负荷;Fmax=*m*g+m*（Vmax/t）Fmin=*m*g-m*（Vmax/t）Fmax: 滚珠丝杠副承受最大轴向负荷，NFmin： 滚珠丝杠副承受最小轴向负荷，N： 滚动导轨选取0.005，m： 工作台质量及最大工件（和夹具）质量，Kgg： 重力加速度，9.8m/s2Vmax：最大移动速度，m/st： 工作台从静止加速到Vmax的时间，S其中工作台质量及最大工件（和夹具）质量约为20Kg 代入个数据计算得Fmax=6.4 NFmin=-4.4N工作时，载荷在Fmax与Fmin之间周期性变化，所以当量载荷Fm=1/3（2Fmax+Fmin）Fm=5.7 N3.4.2 计算当量转速 r/min工作台工作时Nmin=0,Nmax=3600（r/min）Nm=0.5*(Nmax+Nmin)*1.125*2+Nmax*2.25/4.5= 2700（r/min）3.4.3计算额定动载荷C/am=fwFm(60NmLh)1/3/100fa*fcC/am=fwFm(Ls/Ph)1/3/fa*fc选取其中较大者为预期值C/amfa精度系数fc可靠性系数fw载荷性质系数Lh预期工作寿命 hLs预期工作距离 Km根据资料，自动控制设备的滚珠丝杠的工作寿命推荐为Lh=15000小时，Ls=（15000*3600）/4.5）*0.4/1000=480 km查表精度等级1，2，34，5710fa1.00.90.80.7可靠性/%909596979899Fc10.620.530.440.330.21载荷性质无冲击轻微冲击伴有冲击或振动Fw11.21.21.51.52 得fa=1 Fc =1 Fw=1.2代入公式计算得 Cam=74.6N3.4.4估算滚珠丝杠允许最大轴向变形m（m）m=（1/31/4）重复定位精度，任务书重复定位精度为0.0030.015mm取重复定位精度为0.015mm=15mm=*15m=5m3.4.5滚珠丝杠副的支撑方式选择滚珠丝杠副的支撑方式有4种情况1） 固定自由2） 支承游动3） 固定游动4） 固定固定安装方式对滚珠丝杠副的承载能力，刚性，最高转速，使用寿命有至关重要的影响在条件允许的情况下，设计时应尽量避免一端自由的方式。本次设计选用两端固定的支撑方式，应为其有以下优点：1）丝杠的静态稳定性和动态稳定性最高，适用于高速回转2）两端轴承均调整预紧，丝杠的温度变形可转化为轴承的预紧力3）适用于对刚度和位移精度要求高的滚珠丝杠安装4）轴向刚度大3.4.6 估算滚珠丝杠底径d2md2m=aF0=0Wa支撑方式系数，两端固定时取0.039F0导轨静摩擦力，N0导轨静摩擦因数L滚珠丝杠两轴承支点间距离，常取1.1行程+（1014）Ph，mm 其中滚动导轨的静摩擦因数为0.005，W=20Kg*9.8Kg/s2，行程为400mm， 计算得L=510mm，F0=0.98代入公式计算得 d2m=12.3mm3.4.7 滚珠丝杠副的预紧方式预紧方式预紧方式代号预紧力Fp适用范围备注双螺母垫片预紧D12%Co一般取10%Co不限Co值参见滚珠丝杠副的详细参数单螺母变位导程预紧B%10Co一般取7.5%Co中小直径滚珠丝杠副单螺母增大滚珠直径预紧Z5%Co中小直径滚珠丝杠结合查阅机械设计手册表1-1-13和表11-1-14选取滚珠丝杠副的预紧方式为单螺母变为导程预紧确定滚珠丝杠的规格代号产品编号标准行程mm总长Lmm公称直径mm公称导程mm滚珠直径mm滚珠圈数丝杠底径mm旋向行程余量mm轴向间隙任意300mm行程变动量V300mm额定动负荷KN额定静负荷KN刚性N/m（30%Co）BSG1264005401653.175312.5右19G0G10.0164.97.6140 滚珠丝杆副上螺母3.4.8 计算预紧力Fp （N）Fp=Fmax，其中Fmax为最大轴向载荷，Fmax=6.4N，所以Fp=2.1N3.4.9 DN值的验算D为滚珠丝杠副滚珠中心处直径（mm），N为滚珠丝杠副极限转速（rpm） D*N70000、D=16mm，N=3600r/min16X3600=5760070000，所以合格3.4.10 安装部精度及其设计查阅表机械设计手册表11-1-25 选取精度等级为P4查阅机械设计手册表11-1-29E5= 28m E8=5mE6= 20m E9=16 mE7= 8m E10=16m3.5 螺旋升角与传动效率3.5.1 螺旋升角的计算tan=Ph/（*d）螺旋升角圆周率，3.14d滚珠丝杠副的公称直径，mm由前面数据可知，Ph=5mm，d=16mm，代入公式计算得=5.73.5.2 传动效率的计算查上图可得滚珠丝杠副的传动效率约为0.93.6 计算行程补偿值C （m）C=11.8lu10-3lu=行程+（814）Pht温度变化值，23CLu滚珠丝杠副有效行程，mm计算得C=166.3m3.7 计算预拉伸力Ft（N）Ft=1.95td22d2丝杠螺纹底径，mmt温度变化值，23C螺纹底径为12.5mm，计算得预拉伸力为914（N）4. 滚动轴承型号选择计算4.1 初步选择轴承的类型查机械设计手册表6-2-2选择深沟球轴承额定动载荷比摩擦比转速比旋转精度刚度11.01.0AC因为轴承主要承受径向载荷，也可以承受少量的双向轴向载荷，在转速较高、不宜使用推理轴承时，可承受较轻纯轴向载荷，且深沟球轴承能限制轴的双向轴向移动在轴承的游隙范围内，结构简单，使用方便以及使用寿命长，价格低廉。4.2 计算当量动载荷轴承的基本额定动载荷是在嘉定的运转条件下确定的。其中载荷条件是：向心轴承只承受纯径向载荷实际上，轴承再大多数场合，常常同时承受径向载荷和轴向载荷，因此，再进行轴承计算时，必须把实际载荷转换为与确定动载荷条件相一致的当量动载荷。当量动载荷的一般计算公式为： P=XFr+YFn式中 P当量动载荷，N Fr径向载荷，N Fa轴向载荷，N X径向动载荷系数 Y轴向动载荷系数其中轴向载荷为5.7N，而径向载荷约为6Kg*9.8Kg/s2约等于60N，轴承类型相对轴向载荷单列轴承双列轴承eeeeeXYXYXYXY深沟球轴承0.1720.172100.562.3100.562.30.190.3450.3451.991.990.220.6890.6891.711.710.261.031.031.551.550.281.381.381.451.450.32.072.071.311.310.343.453.451.151.150.385.175.171.041.040.42明显=5.7/60e，所以X=1，Y=0 P=XFr+YFa=60*1+5.7*0=60 （N）4.3 按额定载荷选择轴承4.3.1 计算额定动载荷 C=PC（或C）C基本额定动载荷计算值，N；P当量动载荷，N；f寿命因数；f速度因数；Fh寿命因数Fm力矩载荷因数，力矩较小时取fm=1.5Fd冲击载荷因数Ft温度因数Cr轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定动载荷，NCa轴承尺寸及性能表中所列轴向基本额定动载荷，N查机械设计手册表6-2-86-2-11得 fm=1.5 fd=1.2 fr=1.0查阅机械设计手册表6-2-12，推荐使用寿命为25000h，根据推荐使用寿命查阅表6-2-8得寿命因数L10h/hfh250003.68滚珠丝杠副的最大转速达到3600r/min，查阅机械设计手册表6-2-9得速度因数n/r*minfn36000.21将寿命因数fh=3.68和速度因数fn=0.21代入上式可以算得 基本额定动载荷C=1892.6（N）。4.3.2额定静载荷的计算计算轴承时，应分别计算额定动载荷和额定静载荷，取其中较大者选择轴承。额定静载荷的计算公式：C0=S0P0C0r或C0a 式中C0基本额定静载荷计算值，N； P0当量静载荷，N， S0安全因数，静止轴承和缓慢摆动 C0r轴承尺寸及性能表中所列的径向基本额定静载荷，N C0a轴承尺寸及性能表中所列的轴向基本额定静载荷，N因为所选为深沟球轴承，所以P0r=X0Fr+Y0Fa=60（N）查阅机械设计手册表6-2-16使用要求和载荷性质S0球轴承对旋转精度及平稳性质高，或承受强大的冲击载荷1.52把上列数据代入基本静载荷计算公式可以计算得： C0=S0P0=1.5*60=90 （N） 明显，基本额定静载荷C0基本额定动载荷C4.3.3 按基本额定动载荷选取轴承 由于基本额定静载荷C0基本额定动载荷C，选取轴承时按照基本额定动载荷来选取，并且考虑与其他零件的配合，查阅机械设计手册表6-2-52选取：基本尺寸/mm基本额定载荷/KN极限转速/r/min-1重量/kg轴承代号其他尺寸/mm安装尺寸/mm球径/mm球数dDBCrC0r脂油W60000型d2D2rdaDaraDwZ122151.9124000320000.0056180114.618.40.314190.32.38112 （ 深沟球轴承60000型）5 系统刚度的计算 （N/m）5.1滚珠丝杠轴本身的轴向刚性，N/m采取两端固定的形式，Ks=（A*E*L/X*(L-X)）*10-3，A滚珠丝杠副的截面积，mm2（以滚珠丝杠副螺纹底径计算）E滚珠丝杠副轴材料的弹性系数，2.1*105N/mX负荷作用点到固定或支撑端的距离，mmL滚珠丝杠副支撑距离，mm计算得出Ks=808N/m5.2滚珠螺母本身的轴向刚度Kn=0.8*Kc（Fp/（*Co）1/3 （预紧的滚珠丝杠=0.1）Kc样本轴向接触刚度，N/mFp预紧力，NCo样本所列额定动载荷，N查阅前面滚珠丝杠副参数，代入公式计算得 Kn=137.9 N/m5.3计算系统刚度K整个滚珠丝杠副传动系统的轴向刚性Ks滚珠丝杠轴本身的轴向刚性，N/mKb轴承刚度 N/mKn滚珠螺母本身的轴向刚度Kb=Kb1+Kb2 N/mKb1，Kb2分别问两端轴承组的刚度，约为147.8N/mKb=2*147.8=295.6，N/m将Ks，Kb，Kn数据代入计算得K=2550.7N/m=Fa/K=（6.4+2.1）/2550.70.003m5m，所以刚度验算合格。6 电机的选择6.1 滚珠丝杆副推力与扭矩的关系公式Tp=Fa*Ph*A/（2*），N*mmTp驱动扭矩，N*mmFa工作台的轴向负荷M工作台的总质量，kg工作台的摩擦系数，滚动导轨取0.0059.8重力加速度,m/s2Ph丝杠导程，mmA减速比，直联时为13.14滚珠丝杠副的传动效率查阅前面已经计算的数据可知Fa=（9.8*20*0.005）+5.7=6.62N，M=20kg，Ph=5mm，=0.9代入上式计算得Tp5.9N*mm6.2 工作台加速扭矩的计算Tg=J*103，N*mmJ马达轴上及前方所有运动部件的惯性矩，kg*m2角加速度，rad/ s2其中J=M*（Ph*2）2*A2/106+m*D2/（8*106）M工作台总质量，KgPh丝杠导程，mmA减速比，直联为1m丝杠本身，电机齿轮，丝杠上此轮等圆形物体的质量，有几项m则计算相应的惯性矩并加总到惯性矩计算公式中，KgD相应的直径，mm由于滚珠丝杠和电机为直联，所以，计算m*D2/（8*106）总和约等于192/106J=12.67/106+192/106=0.00021kg*m2=2*N/（60t）N马达转速，rpmt加速时间，sN=3600r/min，t=1.125s=335rad/s2所以Tg=J*103 Tg=0.00021*335*103=70.35 N*mm6.3 计算滚珠丝杠预压扭矩TdTd=0.05*Fp*Ph/(2*（tan）)*AFp滚珠丝杠副的预紧力，NPh滚珠丝杠副导程，mm滚珠丝杠副螺旋升角，即导程角A减速比，直联时为1前面已经计算得Fp=2.1N，=5.7，Ph=5mm，计算得Td=0.27N*mm6.4 滚珠丝杠副驱动扭矩的计算计算滚珠丝杠副的驱动扭矩按下列公式：Ts= Tg+Tp+TdTs传动轴的驱动扭矩，N*mmTg加速扭矩，N*mmTp预压扭矩，N*mm将Tp，Td, Tg的值代入Ts= Tg+Tp+Td，计算得Ts76.5N*mm6.5马达的选定一般而言，马达的额定扭矩应为滚珠丝杠副轴计算扭矩的2倍或以上。马达的惯性矩由马达和其驱动器共同决定，一般情况，马达惯性矩应为滚珠丝杠副传动轴总惯性矩的1/31/10。根据所计算的结果查阅相关生产厂家产品，选用伺服电机：ASM/T02L250 AK7.联轴器的选择联轴器是机械传动中常用的部件，它主要用来连接轴与轴（或连接轴与其他回转零件），以传递运动与转矩;联轴器主要分为刚性联轴器（无补偿能力）和挠性联轴器（有补偿能力）。挠性联轴器分为有弹性元件的挠性联轴器和无弹性元件的挠性联轴器，其中有弹性元件的挠性联轴器因装有弹性元件，不仅可以补偿两轴间的相对位移，而且具有缓冲减振能力。我们选用弹性套柱销联轴器，这种联轴器制造容易，装拆方便，成本低，它适用于连接载荷平稳、需正反转或启动频繁的传递中小转矩的轴。联轴器力矩的计算TT1*K1*K2*K3T计算力矩， N*mmT1电机转矩 ，76.5N*mmK1负载系数 ，由于本工作台负载变化小，所以查阅机械设计手册得K1=1.2K2运转时间系数 ，每天运转时间小于16小时，所以取K2=1.18K3起、停频繁度系数，起、停频繁，所以取K3=2.0计算得T216.6N*m，查阅课程设计选取联轴器型号为GB4323-84-TL28 滚动直线导轨的选择8.1直线导轨种类选择滚动直线导轨副主要的类型包括 滚动直线导轨副，滚动直线导轨套副，滚动花键副和滚动导轨块。常用的三种直线导轨基本性能比较见下表，滚动直线导轨的运行速度已达200m/min。在欧美各国2/3以上的高速数控机床都采用了滚动直线导轨。它已再各种现代机械设备中得到越来越广泛的应用运动形式滑动导轨滚动直线导轨静压导轨摩擦因数=0.040.06=0.0030.005=0.00050.001运行速度低速低速高速中速高速刚度高较高较低寿命三者相近可靠性高较高较差滚动体与圆弧沟槽相接触，与点接触相比承载能力大，刚性好 摩擦因数小，一般小于0.005，仅为滑动导轨副的1/201/50，节省动力，可以承受上下左右四个方向的载荷。磨损小，寿命长，安装、维修、润滑简便。运动灵活、无冲击，在微量进给时，能很好的控制位置尺寸。所以选择滚动直线导轨副 滚动直线导轨副 直线运动系统所承受的载荷受工件重力及重心位置的变化、驱动力F及工作阻力R作用位置的变化、启动及停止时加速或减速引起的速度变化等因素的影响而发生变化。 8.2 滚动导轨的计算 8.2.1 计算导轨的载荷 由于本设计是以滚珠丝杠驱动的水平工作台所以查阅机械设计手册表6-33得加速时P1=P4=P2=P3=P1TP4T=承受惯性力的水平式导轨以滚珠丝杠驱动居多匀速时P1P4=减速时P1=P4=P2=P3=P1TP4T=P1=P4=（20*9.8/4）-（20*9.8/2）*（1/9.8）*（300/1.125）*（71/80） 46.6 NP2=P3=（20*9.8/4）-（20*9.8/2）*（1/9.8）*（300/1.125）*（71/80）=51.4NP1TP4T=（20*9.8/2）*（1/9.8）*（300/1.125）*（93.5/80）3.1 N匀速时：P1P4=49 N减速时：P1=P4=（20*9.8/4）-（20*9.8/2）*（1/9.8）*（300/1.125）*（71/80）=51.4NP1=P4=（20*9.8/4）-（20*9.8/2）*（1/9.8）*（300/1.125）*（71/80） 46.6 N 所以最大的载荷为51.4N8.2.2 平均载荷的计算查阅机械设计手册表6-3-4得平均载荷Pm0.