（机械电子工程专业论文）粘片机焊头机构优化设计及实验研究.pdf

摘要 i c 芯片封装设备由精密机械结构、电气控制和图像识别及光电检测部件 等组成，包括感知和控制外界信息的传感器( 如：位置、速度、力、光、 磁、热、气等) 和执行器，充分表现出多学科前沿的高度综合和渗透。目前 如何进一步提高该类设备的速度与精度，特别是提高其高速运动条件下的性 能是国内外研究开发的热点，突破i c 封装速度和性能的一个有效途径就是提 高机构的性能，因此需要研究机构优化及相关方面的问题。 本文首先讨论了摆臂平行四连杆机构的设计，然后通过使用软件仿真和 实物实验作比较得出四连杆机构优化的最优解。即使用s 0 1 i d w o r k s 对摆臂平 行四连杆机构进行实体建模，并分别使用运动仿真软件c o s m o s m o t i o n 和有 限元分析软件c o s m o s w o r k 对四连杆机构进行运动仿真分析和有限元分析，使 用o r i g i n 6 0 对运动仿真分析所得到的数据进行处理，再通过使用 m a t l a b 6 1 对o r i g i n 6 0 处理后的数据求得四连杆机构的最优函数解。而在 实验部分，讨论了步进电机、运动控制卡、传感器和采集卡等在选型时需要 注意的问题，设计和制作了加速度传感器的恒流源，设计和编制了数据采集 程序；对实验采集所得数据的处理与用c o s m o s m o t i o n 进行运动仿真所得到 的数据的处理方法相同。实验方法得到最优函数解与用c o s m o s m o t i o n 运动 仿真所求得的最优解进行分析比较，最后提出四连杆机构各杆的最优杆长 比。 本文通过研究i c 封装设备的关键机构的结构形式、机构参数、工艺参 数，获取相关的系列数据、曲线、图表等，形成指导i c 封装设备结构设计和 使用的规则和理论。并提供了一套基于高速、高精度的机构设计的实验方法、检 测方法、实验规范和解决方案。而且，实验数据的采集和显示通过使用软件 l a b v i e w 7 1 编程实现，减少了实验仪器的使用，降低了实验成本。 关键词：机构优化；运动仿真；有限元分析；恒流源；l a b v i e w 7 1 ：实验规范 ：蛮三些奎兰三耋塑圭兰堡鎏兰 a b s t r a c t t h ei c c h i pe n c a p s u l a t i o ne q u i p m e n t w h i c hi s c o m p o s e d o f p r e c i s i o n m e c h a n i c a ls t r u c t u r e 、e l e c t r i cc o n t r o l、 i m a g ei d e n t i f y a n d p h o t o e l e c t r i c i t y d e t e c t i o np a r ta n ds oo ni n c l u d e st h ee x e c u t ei m p l e m e n ta n dt h es e n s o rw h i c hc a n a p p e r c e i v e a n dc o n t r o lt h eo u t s i d ei m f o r m a t i o n ，w h i c hf u l l yp u t su pt h em u l t i l - s u b j e c t sf r o n t i e r sh i g hs y n t h e s i sa n do s m o s i s c u r r e n t l y ，h o wt ou l t e r i o r l yh e i g h t e n s t h e s ee q u i p m e m s s p e e da n d p r e c i s i o n ，e s p e c i a l ye n h a n c e si t sp e r f b r m a n c eu n d e r t h e c o n d i t i o no fh i g h - s p e e dm o v i n gi st h eh o t s p o to ft h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l r e s e a r c h d e v e l o p m e n t av a l i d p a t h t h a tb r e a k st h ei c p a c k i n g ss p e e d a n d p e r f o m a n c e i st h a t r a i s i n g t h ep e r f o r m a n c eo ft h e m a c h i n e ，s o ，o p t i m i z i n g t h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dc o r r e l a t i v eq u e s t i o n ss h o u l db er e s e a r c h e d t h i st e x tn r s t l yd i s c u s s e st h ed e s i g no ft h es w i n g - a r mp a r a l l e l i s mf o u r c o n n e c t m a c h i n e ，a n dt h e nb yc o m p a r i n gt h er e s u l t o fm o t i o n - s i m u l a t i o na n dr e a l o b j e c t e x p e r i m e n t t oo b t a i nt h es u p e r i o rs o l u t i o no ft h ef o u 卜c o n n e c tm a c h i n e n a m e l y ，u s e s s 0 1 i d w o r kt o s e t u p t h e e n t i t y m o l do ft h e s w i n g - a mp a r a l l e l i s m f o u 卜c o n n e c t m a c h i n e ，a n dr e s p e c t i v e l yu s et h em o t i o n i m i t a t es o f t w a r ec o s m o s m o t i o na n dt h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ec o s m o s w o r kt oh a v eam o t i o n - i m i t a t i o na n a l y s i s a n df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s d a t ao fm o t i o n s i m u l a t i o n a n a l y s i s i s d i s p o s e db y 0 r i g i n 6 o ，a n dt h e nu s e sm a t l a b 6 1 t og e tt h eo p t i m i z e df u n c t i o no f t h ef o u r _ c o n n e c t m a c h i n eb y a n a l y s i z i n g t h ed a t aw h i c hi s d i s p o s e db y0 r i g i n 6 0 i n t h e p a r t o f e x p e r i m e n t ，i t r e l a t e st l l e q u e s t i o n s s u c ha s c h o s i n g t h e s t e p p e rm o t o r 、 m o t i o n c o n t r 0 1c a r d 、s e n s o ra n dc a p t u r ec a r d t h ed e s i g na n dd e v e l o pw o r k si n c l u d e st h a t d a t ac a p t u r ep r o g r a ma n dc u r r e n t r e g u l a t i n gd e v i c ew h i c hp r o v i d ei n v a r i a b l ec u r r e n t f o rt h ea c c e l e r a t i o ns e n s o r t h ew a yo fd i s p o s i n gt h ed a t aw h i c hi so b t a i n e d b y e x p e r i m e n ti sa sw e l la st h em o t i o n i m i t a t i o n a f t e ro b t a i nt h eo p t i i n i z e df u n c t i o no f e x p e r i m e n t ，i ti sc o m p a r e d i tw i t ht h eo p t i m i z e df u n c t i o no fm o t i o n - i m i t a t i o ni no r d e r t h a tv a l i d a t et h ep r o p o r t i o no f e a c h p o l e sl e n g t ho f t h ef b u r c o n n e c tm a c h i n e ， i i t h i sp a p e ro b t a i n sc o r r e l a t i v es e r i e so fd a t a ，c u r v e ，c h a r t e t c b yr e s e a r c h i n g t h es t r u c t u r e f o r m ， m e c h a n i c a ls t r u c t u r e p a r a m e t e r ， c r a f t p a r a m e t e r o ft h ei c e n c a p s u l a t i o ne q u i p m e n t sk e ys t r u c t u r e ，f o r mt h er u l e sa n dt h e o r i e so fg u i d i n gt h ei c e n c 印s u l a t i o ne q u i p m e n t s s t r u c t u r e d e s i g n a n d u s a g e ，a n dp r o v i d e as e to f e x p e r i m e n t e x a m i n a t i o nm e t h o d 、i n f o r m a t i o n o b t a i n i n g m e t h o d 、 e x p e r i m e n t c r i t e r i o na n dr e s o l v es c h e m ea c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e sh i g h s p e e da n d h i g h p r e c i s i o n ，w h a t sm o r e ，t h ee x p e r i m e n td a t a sc a p t u r ea n dd i s p l a yi sa c h i e v e d b yu s i n gl a b v i e w 7 1 ，w h i c hh a sr e d u c e du s i n gt h ee x p e r i m e n ti n s t r u m e n ta n dt h e e x d e r i m e n tc o s t ， k e yw o r d s ：m a c h i n e0 p t i m i z e ：c o s m o s m o t i o n ； f i n i t ee 1 e m e n ta n a l y s i s c u r r e n t r e g u l a t i n gd e v i c e ；l a b v i e w 7 1 ；e x p e r i m e n tc r i t e r i o n i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 2 0 0 2 至2 0 0 7 年期间，全球i c 封装市场将以7 9 的年复合增长率成长，预 计到2 0 0 7 年全球i c 封装市场规模将达2 0 0 亿美元【“。2 0 0 3 年仅美国对中国的半 导体产品出口达到了约2 0 亿美元。中国的集成电路市场的产值大约在1 9 0 亿美 元，居全球第三。虽然目前从国外的进口占据了8 0 的市场，但中国国内的半导 体工业正在迅猛发展”1 。2 0 0 0 年中国i c 需求量达到2 3 2 亿块，总额为9 7 5 亿 元，与1 9 9 9 年相比，市场需求量和总额分别增长了4 0 和7 8 ，预计这种增长 仍将保持二三十年【3 】。i c 产业的强劲增长，为i c 封装设备制造业带来巨大的发展 机遇，国内封装设备2 0 0 1 年总销售收入1 3 0 亿元人民币，2 0 0 2 年的总销售收入约 2 0 9 3 亿元人民币”3 。i c 芯片与封装之间是皮肉关系，是不可分割的整体。i c 封 装技术将越来越成为i c 产业的瓶颈。随着i c 生产技术的进步，封装技术也不断更 新换代，每一代i c 都与新一代的i c 封装技术紧密相连峙1 。目前，国产封装设备、 模具的品种和水平与市场需求差距较大。 i c 芯片封装设备由精密机械结构、电气控制和图像识别及光电检测部件等组 成，包括感知和控制外界信息的传感器( 如：位置、速度、力、光、磁、热、气 等) 和执行器，充分表现出多学科前沿的高度综合和渗透”1 。 目前如何进一步提高该类设备的速度与精度，特别是提高其高速运动条件下 的性能是国内外研究开发的热点。”。因为随着i c 封装技术的提高，体积越来越小， 脚位脚距越来越密。与之同时对i c 封装设备的要求也会越来越高。随着无铅封装 的推行与普及，封装的工艺要求，及配套附料的要求均需随之提高”1 。 广卅市一直把电子信息产业作为发展的龙头产业和重点发展技术领域，同时它 也是全国最大的i c 产品消费市场，如2 0 0 1 年，中国市场的芯片销售额为1 6 5 2 亿元， 其中的7 0 用在珠三角，因此，对i c 封装设备需求很大，2 0 0 0 年我国i c 产业用于购 买设备总投资约3 0 0 亿元人民币哼3 。广卅i 市半导体器件厂、广东省半导体器件厂、 佛山无线电四厂等单位是国内有名的半导体分立器件厂，每年需从国外进口昂贵的 全自动芯片粘片机、全自动焊线机等封装设备及其配件。 广东工业大学工学硕士学位论文 为了从根本上摆脱这种状况，必须大力开展微电子制造与封装技术的研究和实 用设备的研发，掌握核心技术，研发具有自主知识产权的产品。本课题是“i c 封 装机焊头部件设计理论与方法研究( 国家自然科学基金( 5 0 4 7 5 0 4 4 ) ) ”等项目的 一部分，课题研究成果能提供一套基于高速、高精度的机构设计的实验方法、检测 方法、实验规范和解决方案，为高速机构的研究和应用开辟新路。 本课题研究对开发实用化的高速高精度全自动粘片机具有理论价值。对实现以 粘片机为代表的微电子封装设备追赶并达到世界先进水平具有现实意义。 1 2 粘片机的研究动态及现状 目前先进的i c 封装设备基本上被国外大公司所垄断，如美国的k s 、瑞士的 e s e c 、日本的t o s o k 、n e c 、香港的a s m 、韩国的t s m 等。i c 封装设备可达到的 有关技术参数是：定位精度( 5 1 0 ) um ，频带宽度3 0 0 h z ，加速度6 一l o g ，焊头往 返速度达到1 5 0 0 0 次小时；预计下一代i c 封装设备可达到的有关技术参数是：定 位精度( 2 5 ) um ，频带宽度4 0 0 h z ，加速度1 5 9 ，焊头往返速度达3 0 0 0 0 次小时 i oj 在机构上，n e c 等公司2 0 0 2 年最新推出的高速粘片机，都采用了大行程多头 丝杆传动机构，香港a s m 正在研究应用直线电机、磁悬浮导轨等先进元件n 1 1 ”。 在运动控制上，主要是研究如何消除快速起停引起的宽频振动，主动控制定位系统 的低频振动是当前发展的主要路线“1 ，”，1 4 1 。在机器视觉上，当前的研究重点在硬 件方面集中于光路和照明的优化设计或配置，在软件方面集中于高性能图象对准算 法，如归一化相关检测技术”、几何特征匹配技术“6 ，17 等。另外，基于d s p 芯片 的运动控制系统、图像识别系统也正处于研究阶段。因此，高速度、高精度、高可 靠性是芯片粘片机的发展方向。 高速、高精度全自动芯片粘片机是半导体芯片封装的关键设备之一，目前国内 尚无企业能够生产。粘片机由晶圆供送、引线框架供送、芯片吸拾、芯片传递、芯 片粘焊、引线框架装盒和辅助拾片的顶针等精密结构部件组成，由多个微型电动机 完成精密的动力驱动，通过开放式计算机系统和相关的硬件和软件实现运动控制、 系统控制和协调，使用位置和光学传感元器件检测各方面动作，采用c c d 的图像 识别技术来实现芯片的全自动识别和筛选等。该设备具有精密、高速、不间断、局 部高温、间歇运动等工作特点。 2 第一章绪论 国内有些单位也在研制或生产一些国外已经淘汰的手动型、半自动型的芯片粘 片机，总体水平与国外先进水平相差2 4 代。如：桂林漓江无线电专用设备厂生 产简单的手动型粘片机，没有自动送晶园和上料、下料机构，没有自动图像识别系 统：西北机器厂生产半自动型粘片机，没有自动图像识别系统，无论速度还是精度 都与国外同类产品还有很大差距“3 11 6 3 。深圳商巨自动化公司正在合作研发6 ”8 ” 自动芯片粘片机，于2 0 0 1 年9 月召开了技术论证会，现在仍未见样机报道。国内 针对芯片粘片机开发技术开展综合研究的活动还很少，特别是缺乏相关的工艺过程 与工艺参数的研究积累，还没有形成自主的高速芯片粘片机设计能力，对先进的芯 片粘片机设计的核心技术尚未掌握。 为了把握市场机遇，迎头赶上封装技术的世界先进水平，开展针对封装技术的 理论研究是十分重要的。例如在国内，上海交通大学作为重大项目的牵头单位，协 调有关单位与上海市科委、上海微电子装备公司进行了多次深入探讨和具体协商， 一致同意在超精密机械系统精度理论与分析技术，超精密多维测量技术，超精密驱 动、无磨损驱动与多轴运动同步控制技术，超精密机械减振隔振技术和“殷钢”材 料性能及加工技术等五个方面与上海微电子装备公司开展合作研究，并在重大项目 的理论和方法研究方面，取得了如下进展： 1 ) 高加速度高精度运动平台的机电耦合设计方法。以高速硬盘驱动臂为研究 模型，根据其性能特点，将机械结构动力学模型和控制模型进行融合，在此基础上 提出包含控制参数和机构动力学参数的机电耦合数学模型，实现多领域知识融合的 并行设计，为高性能电子制造装备的设计进行理论探索。 2 ) 微电子装备中基于视觉的振动测量研究。通过采集多序列图像( 包括一副 静止状态下的清晰图像以及动态下的多幅模糊图像) ，研究高速运动( 振动) 物体的 模糊成像机理及其相应理论，并利用光流技术进行对应的图像运动研究以及信息融 合，从中提取物体的振动参数，进一步进行相应控制。 3 ) 微力控制平台的调试和实验研究。安装完成了力控试验平台，提出多种高 速高加速下的力控方案，并逐一进行试验验证，获得了大量的试验数据。另外发现 了现有控制卡的设计缺陷，加以了改进。 同时，华中科技大学等科研机构以粘片机为应用背景，开发具有视觉引导、运 动规划、误差补偿、微力控制等功能的高精度操作平台。拟对粘片机中的自动调平 系统、自动对准系统和芯片键合过程的微接触力控制进行相关研究工作。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 3 本课题研究的主要内容 ( 1 ) 具体内容； 本文研究的摆臂平行四连杆机构是粘片机的焊头机构的一个组成部分，主要目 的是为了提高摆臂平行四连杆机构的稳定性，从而提高i c 封装设备的速度和稳定 性，所以笔者先通过使用运动仿真软件c o s m o s m o t i o n 对四连杆机构进行仿真分析 求出各杆的最优杆长比，然后再通过实验仿真平台进行实验验证。论文研究的主要 内容如下： 1 使用s 0 1 i d w o r k s 对摆臂平行四连杆机构进行实体建模。 2 ，通过使用运动仿真软件c o s m o s m o t i o n 和有限元分析软件c o s m 0 s w o r k 对粘片 机的四连杆机构进行运动仿真分析和有限元分析，运动仿真分析所得到的数据通过 使用o r i g i n 6 0 进行处理，再通过使用m a t l a b 6 1 对使用o r i g i n 6 o 处理后的数据求 得四连杆机构的最优函数解。 3 实验平台的设计和为加速度计传感器提供恒定电流的恒流源的设计及数据采 集程序的设计。 4 对运动仿真结果和实验结果进行分析比较，求出四连杆机构的晟优函数解。 5 形成一套基于高速、高精度的机构设计的实验方法、检测方法、实验规范和 解决方案。 ( 2 ) 技术路线 1 使用s o l i d w o r k s 等3 d 软件进行结构建模； 2 使用c o s m o s m o t i o n ，c o s m o s w o r k 等软件进行分析； 3 结构的零件加工装配； 4 实验数据检测、采集、分析和处理； 5 得出优化结构和结论。 4 第二章机构优化系统的总体设计 第二章机构优化系统的总体设计 2 1 摆臂平行四连杆机构的设计 l c 芯片粘片机是能将芯片焊接到引线框架上的设备，其中关键的部件是 焊头运动机构。焊头的作用是将晶园( w a f e r ) 上已切割分离成一片片的i c 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固 定。焊头机构需要精确、平稳地往返于拾片( p ic k ) 和粘片( b o n d ) 两个位 置，实现拾取、传送和粘焊芯片等动作”。国外的各种焊头机构多采用直线 传动形式，大量使用直线导轨、直线轴承、滚珠丝杆等来完成芯片传送。随 着技术的发展，粘片的速度越来越高。进口设备的高精度主要通过上述直线 移动副的精度来保证。但是微型并且高精度的直线移动副价格昂贵。目前国 产直线移动副的品种和精度等指标又不够理想，因此，国产粘片机采用直线 移动副的焊头在高速往返过程中，存在磨损大、寿命短、制造和维护成本高 等问题，粘片精度和速度都不高，无法同进口先进设备相比。另外，由于焊 头在垂直平面内两自由度运动的要求，通常采用两个电机分别驱动，必然有 一个电机安装在另一个电机驱动的运动机构上跟随运动，导致运动部件的质 量大，焊头的运动惯量也相应增大，不利于粘焊速度的提高“引。为了避免像 进口设备那样，精度依赖于直线运动副，并且减轻运动质量，课题组设计了 斜面四连杆焊头机构，采用滚动轴承等标准转动副代替直线移动副，从而可 以大大减少机械加工量，缩短制造周期和降低成本。同时，两个驱动电机都 安装在固定不运动的机架上，焊头机构能实现两自由度独立运动。焊头运动 部件结构简单新颖，焊头的重复定位精度高于8 u m ，最高焊接速度已超过 8 0 0 0 片小时。进一步提高速度的关键不完全在于机械结构方面，而主要取 决于电气控制系统的改进。 2 1 1 斜平面的结构及原理 焊头工作时要将分布在晶园上的i c 芯片逐一拾取、传送并粘焊到引线框 架的特定位置。如图2 1 所示，p ic k 为在晶园上吸取芯片的位置，b o n d 为 在引线框架上粘焊芯片的位置，p ic k 和b o n d 之间的水平距离为l 。目前国内 外大多将p ic k 和b o n d 设计在同一高度。为了缩短焊头往返于p i c k 和b o n d 广东工业大学工学硕士学位论文 之间的时间，要么提高往返速度；要么减少往返距离l 。提高速度易引起机械 振动和冲击，影响定位精度，所以在结构质量一定的条件下，不能单靠提高 p i c k 拾片点；w a f e r 晶园平面；b o n d 焊片点；l 斜平面；2 支架；3 通槽；4 炉体；5 焊头运动轨迹； 图2 1 斜平面示意图 f i g 2 1 1 1 l u s t r a t i o no f0 b l i q u ep l a n e 速度来提高效率。因而缩短距离l 也是一项提高效率的办法。但晶园的直径 有越来越大的趋势，例如，目前最大已达l2 英寸。在p i c k 和b o n d 高度相同 的设计方案中为了避免晶园同支架2 碰撞，无法缩短l 。本文设计使p ic k 的 高度低于b o n d 的高度h 距离，晶园可以在炉体4 下面开出的一条长槽3 中通 过，、即晶园和b o n d 在垂直位置上可以有部分重叠，可以很大程度缩小距离 l 。 焊头的运动机构安装在与水平面成y 角的斜平面1 上，图2 一l 中5 为焊 头运动轨迹。晶园在x y 方向的进给由粘片机上另一套相互垂直的两轴驱动装 置控制。 2 1 2 摆臂平行四边形结构 摆臂平行四边形结构原理如图2 2 所示。图中a 、c 、e 分别是机架转动 副，固定在图2 1 斜平面上。8 和“是两个摆臂。9 是连杆，即横梁，在 c 、e 、h 和f 点铰接，组成平行四边形结构。6 是曲柄，由电机i 驱动，绕a 点转动。7 是连杆，一端与曲柄在b 点，另一端同摆臂8 在d 点铰接。通过曲 6 第二章机构优化系统的总体设计 柄连杆机构6 、7 牵引摆臂8 绕c 点摆动，整个平行四边形可以作往复摆动。 图2 2 中f 和f 点是摆臂8 摆动的两个极限位置，同理，h 和h 是摆臂1 1 摆动的两个极限位置。横梁9 在摆动过程中走的是弧线，与jj 弧类似。f j 和f j7 的方向始终平行。j 是横梁上的延伸端，j 和j 点的距离即是 焊头从p ic k 到b o n d 传送芯片的斜面距离。该结构没有使用直线运动副，全 部采用滚动轴承的转动副连接。摆臂平行四边形的运动学规律由四连杆机构 6 、7 、c d 杆和机架a c 确定。设杆长分别为： a 、c 、e 机架转动副：6 曲柄i ；7 ，9 ，1 3 连杆； 8 ，1 1 摇杆；l o 动力臂i i ；1 2 端面凸轮： 图2 2 摆臂平行四边形结构原理图 f i g 2 2s w i n g a r mp a r a l l e l i s mf o u r c o n n e c tm a c h i n e 厶氐l a 和几各杆件与水平回的天角分别为：、h 、日和0 ，则c d 计阴还 动方程为： 蚴。怫型需要 其中：一= s i n d 曰s 口一每 ?il旷 ：童三些奎兰三兰堡圭兰堡堡兰 c ：生：二! ! 鱼：盟一i 。 j 盈0 di 。 当曲柄6 以匀速。运转，求摆柄c d 的角速度和角加速度时，只要将( 1 ) 式 依次对时间求导可得m 和： 当一s i n a s i n ( 口一。) 。= 孕一。( 2 ) l s i n 目一s i n ( 口一口) 1 6 ( 1 一生) ：c o s ( 臼一口) 十三c o s 口一鼻( 生) ：c o s 曰 t = 卫l 1 上j _ 堑一。2 ( 3 ) ；l s i n 口一s i n ( p 一口) 1 6 2 2 端面凸轮与四连杆机构 焊头除了传送芯片，即完成图1 焊头运动轨迹5 中的斜线段( 斜粗实线加两 端的斜虚线) ，距离为1 0 0 m m ：还要能完成粘焊和吸取芯片的动作，即运动轨迹两 端的垂直部分( 垂直粗实线加垂直虚线段) ，距离小于7 m m 。此动作通过端面凸轮 和相关零件完成。 在图2 2 或图2 3 中，端面凸轮1 2 的运动由另一平行四边形结构1 0 、1 1 、 c 、e 机架转动副；7 、8 摆臂；9 横梁； 1 0 动力臂：1 2 端面凸轮；1 3 连杆： 1 4 滑动副；15 焊臂；1 6 滑轮；1 7 焊头 图2 3 端面凸轮作用示意图 f i g 2 3 1 1 1 u s t r a t i o no fe n d f a c ec a 4 1 2 、1 3 实现。1 l 是该平行四边形的“机架”，1 0 是动力臂，动力由电机i i 提 供。1 3 是连杆。利用端面凸轮的回转中心h 和在凸轮盘上的i 位置制作转动副的 第二章机构优化系统的总体设计 方式形成的摇杆。当电机i i 驱动1 0 往复转动时，端面凸轮就会作相应的往复转 动，转动幅度4 5 。角。 摆臂1 l 作为机架往复摆动时，端面凸轮和连杆1 3 跟随作相应的往复摆动。 但端面凸轮的i h 连线始终保持与动力臂1 0 平行，只要l o 不绕e 点转动，端面凸 轮也不会绕h 点转动( 图2 中i h 和ih 以及1 0 都是平行的) 。两个平行四边 形结构cfhe 和ehig 虽然关联在一起作摆动，但端面凸轮的转动角度只受 动力臂1 0 控制。因此，驱动焊头摆动和端面凸轮转动的两个电机都安装在机架 上，减轻了运动结构的质量。 如图2 3 所示，由于滑动副1 4 的作用，焊臂1 5 可相对于横梁作垂直方向小 距离滑动，焊臂上装有水平轴和滑轮1 6 ，滑轮同端面凸轮的三维凸轮轮廓面接 触，当凸轮转动时，带动焊臂垂直移动，向上方向的回程由弹簧作用( 图中未画 出) 。 2 3 结构运动顺序 焊头1 7 动作由摆臂动作和焊臂垂直动作合成，可使焊头完成拾取芯片、传送 芯片、粘焊芯片等动作要求。如图2 4 所示，运动过程可分为四部分：一、电机i i i 与i 掣t l 图2 4 两执行机构的运动关系 f i g 2 4 m o t i o nr e l a t i o nb e t w e e nt w om a c h i n e 驱动曲柄6 、连杆7 和摆臂8 等杆件使焊头来到拾片位置p i c k ( 参考图2 1 和图 2 2 ) ；二、电机i i 驱动1 0 和连杆1 3 ，带动凸轮1 2 转动，压下垂直移动的焊 臂，使焊头吸取芯片；然后电机i i 反转，在弹簧的作用下，吸头向上复位，完成 拾取芯片的动作。三、电机i 反转，使焊头摆动到粘片位置b o n d ，完成芯片沿斜 9 广东工业大学工学硕士学位论文 平面的传送。四、电机i i 转动，使吸头下移，将芯片粘焊到引线框架上。然后电 机i i 反转，吸头上移，完成芯片的粘焊动作，至此一个运动循环结束。焊头运动 轨迹如图2 一l 中轨迹5 所示，在运动循环中，采用摆臂运动和吸头垂直运动时间 部分重叠的时间控制策略( 如图2 1 中轨迹两端的弯曲部分) ，可缩短动作循环 时问2 们。 本斜面四连杆焊头机构在斜平面内摆动实现芯片传送，没用大行程直线传动机 构，具有磨损小、寿命长、成本低等特点；摆臂的两个极限位置设定为拾片位置和 糙片位置，可以提高拾放芯片的定位静态精度；两个电机均固定在机架上，通过曲 柄连杆机构和端面凸轮完成芯片拾取和粘焊动作，减轻了运动质量，有利于提高焊 头往返速度和改善动态性能。 2 。4c o s m 0 s m o t i o n 仿真系统与实验平台的设计 上述焊头结构如能适应高速高精度的粘片工作，必须在结构设计、尺寸分布、 构型布局、结构响应、零件刚度和材料选择等多方面做到综合优化，而这方面的现 成资料不多，常规的设计方法很难得到定量的优化数据。因此，本文在粘片机焊头 结构优化方面，作了一些尝试，希望为类似的研究工作积累有益的经验。研究工作 也取得了较为理想的结果。 2 4 1c o s m 0 s m o tio n 仿真系统的设计 仿真系统的设计是通过用s o l i d w o r k s 来建立3 d 模型，然后使用s o l i d w o r k s 中的运动仿真插件c o s m 0 s m o t i o n 来对模型机构进行运动仿真；再使用微软公司的 o r i g i n 软件来分析仿真的结果，从而得出最优结果。仿真系统的总体功能如下： 优化机构的建模 优化机构的运动仿真 优化机构的有限元分析 运动仿真数据分析 2 4 2 实验平台的设计 搭建实验平台的目的是为了通过实验来测量四连杆机构的最优杆长比，并与 c o s m o s m o t i o n 的仿真结果作比较，从而验证最优方案。实验平台的硬件由四连 杆机构、运动控制部分和数据采集部分组成。其中四连杆机构中有三杆设计制作成 长度可调，以适应各种长度组合的实验，摆臂上可安装传感器：运动控制部分由运 第二章机构优化系统的总体设计 动控制卡、驱动电源、驱动器和步进电机所组成；而数据采集部分由数据采集卡和 传感器以及传感器的恒流源所组成。 实验平台的软件主要由运动控制软件和数据采集软件组成。其中运动控制软件 是用v b 6 o 编写的运动控制程序，而数据采集软件是用图形化编程语言 l a b v i e w 7 1 编写的数据采集程序。 以上所述各部分的具体功能如下： 1 p c 机 整个实验的控制中枢，载有运动控制卡和数据采集卡等硬件、控制和数据处理 软件以及人机界面，用于与操作员对话，通过键盘或鼠标对v b 6 0 运动控制程序 和l a b v ie w 7 1 数据采集程序进行操作。 2 v b 6 o 运动控制程序 将运动指令下达给运动控制卡，同时监测和显示运动系统的运行状态。 3 运动控制卡 雷赛d m c l 0 0 0 运动控制卡的主要功能是根据主机的运动命令对各轴电机驱动 系统发出脉冲方向命令，并对i o 口和其它信号进行管理。 4 驱动器 驱动器的作用是根据雷赛d m c l o o o 型控制卡发来的脉冲方向指令控制步进电 机线圈的电流以及相应的电磁场和电磁力矩，从而使得步进电机执行与脉冲方向 指令相对应的转动。 5 步进电机 步进电机在驱动器的推动下，通过转轴的旋转来控制四连杆( 运动轴) 的位置 和速度。 6 p c b 6 2 2 a 0 1 传感器 固定在四连杆机构上，将四连杆的振动转化成电压信号传送给n 1 6 0 2 3 e 型数 据采集卡。 7 恒流源 恒流源是笔者专门为p c b 6 2 2 a 0 1 传感器设计制作的恒流源，输出电流 2 2 l m a 。 8 n 1 6 0 2 3 e 数据采集卡 采集卡的作用是从传感器采集电压信号，同时将电压信号转换成数字信号显示 广东工业大学工学硕士学位论文 在数据采集程序中。 9 l a b v i e w 7 1 数据采集程序 将采集指令下达给数据采集卡，同时监测和显示采集系统的采集状态并保存采 集数据。 实验系统功能框图如下： p c 机 指令 状态 指令 状态 v b 60 运动操 作程序 l a b v i e w 7 1 采 集程序 运动指令 运动状态 采集指令 数字信号 雷赛d m c l 0 0 0 运动控制卡篓 一器l 一 方向l 一 电雎 田 图2 5 实验系统功能框图 f i g 2 5f u n c t i o nc h a r to fe x p e r i m e n ts y s t e m j 步进 电机 丑 l四 f 连 杆 机 构 实验员在p c 机里通过使用用v b 6 o 编写的运动操作程序向雷赛d m c l 0 0 0 运动 控制卡发出运动指令，运动控制卡接收到运动指令之后向驱动器发出脉冲信号和方 向信号，然后驱动器又向步进电机输出电流和电压，由步进电机带动四连杆机构运 动。固定于四连杆机构的p c b 6 2 2 a 0 1 传感器因四连杆机构振动产生电压信号，同 时，实验员在p c 机里通过l a b v i e w 7 1 编写的采集程序向n 1 6 0 2 3 e 数据采集卡发 出采集指令，采集卡可以将电压信号转换成数字信号显示在l a b v i e w 7 1 采集程序 的虚拟示波器中，并通过点击采集程序中的保存按钮可以将数据保存到硬盘中。 2 5 本章小结 本章讨论了摆臂平行四连杆焊头机构的工作原理和端面凸轮的工作原理；提出 对粘片机关键机构进行机构优化的必要性，然后对机构优化系统的总体设计进行了 详细介绍，并对用于机构优化的c o s m o s m o t i o n 仿真系统与实验平台系统的组成 及功能进行了讨论。 第三章机构的建模、运动仿真及有限元分析 第三章机构的建模、运动仿真及有限元分析 c a d c a m c a e 软件中的3 d 软件虽然很多，但目前在国内，用户较常用的不 外乎几种3 ，如表3 1 和表3 2 所示。 表3 一l ，常用c a d c a m 设计软件 t a b 3 1c o m m o nc a d c a md e s i g ns o f t w a r e 软件名称功能简介 p r o e n g i n e e r 由p t c 公司研发，是目前使用率很高的c a d c a m 软件 s o l i d w o r k s s o l i d w o r k s 公司研发，用户使用率仅次于p r o e ，具有人 性化的操作界面，提供管理流程与特征管理器，方便设计 变更，而且2 d 工程图与3 d 实体模型具有双向关联 s o l i de d g ee d sp l ms o l u t i o n s 研发，具有零件模块、板金模块、装 配模块、排版出图模块、文件转换工具、仿真上色效果、 智能型浏览器及文件版本管理等功能，且拥有独特的“流 畅设计技术” u n i g r a p h i c su n i g r a p h i c ss 0 1 u t i o n 研发，在设计过程中可进行结构分 析、力学应变设计及运算模拟，以评估设计的实用性。 c a t i a 法国达梭公司研发，提供机构整体零件设计、绘图、组 装、造型、板金、制造加工、分析、系统装配、管路线 路、维修模拟到造船等全方面的功能 i d e a s s d r c 公司研发，功能包含实体曲面模型建构、绘图、分 析、制造、测试、数据管理等7 0 余种功能，是一套 c a d c a m c a e 整合系统 i n v e n t o r a u t o d e s k 公司推出的3 d 设计软件，这套软件和m d t 不 同，采用全新的绘图引擎，拥有独特的“自适应架构”， 可以处理达1 万件的大型装配 c a d k e y 由b a y s t a t e 公司设计，拥有2 d 标准模块及3 d 专业实体模 型建构模块，方便建构3 d 模型 广东工业大学工学硕士学位论文 表3 2 常用c a e 软件 t a b 3 2c o m m o nc a es o f t w a r e 软件名称功能简介 a d a m s a d a m s 提供了一套完整的模拟、分析与检验的系统 a n s y s 利用泛用型有限元分析，提供分析、前处理和后处理等功能 c o s m o s m o t i o n c o s 】i l o s m o t i o n 是美国s r a c 公司专为s o l i d w o r k s 量身定做的运 动分析软件，完全集成于s 0 1 i d w o r k s 的虚拟原型解决方案。 c o s m o s w o r k c o s m o s w o r k 完全集成在s 0 1 i d w o r k s 中，它提供静力分析、热 分析、频率分析、设计优化的功能，能够满足一般的工程分析需 要。 3 1s oj j d w o r k s 简介 s o l i d w o r k s2 0 0 4 ，包括3 d 核心实体建模、c o s m o s2 0 0 4 以及p d m w o r k s 2 0 0 4 等部分，能够使所有产品模块都是基于同一单一窗体，采用同的设计数 据，与s 0 1 i d w o r k s 3 d 核心实体建模环境完全集成与关联。用户在对其中的任何一 个部分进行修改，都会在所有模块中自动更新。其中，3 d 建模作为 s o l i d w o r k s 2 0 0 4 最基本的模块，也是其他所有产品模块所依托的平台，为用户提 供了完整的建模功能。同时，2 0 0 4 版人性化的操作使易用性进一步提升。由于 s o “d w o r k s 2 0 0 4 内嵌快速帮助提示，可以指导用户下步将要进行的建模操作，有 了快速帮助提示，从而使用户更快熟悉s o l i d w o r k s 的建模环境。2 0 0 4 版在智能 装配技术、大装配性能、工程图的自动化方面也有较大的提高。s o l i d w o r k s 软件 有如下的特点旺”： 全w i n d o w s 界面，操作非常简单方便 s o l i d w o r k s 是在w i n d o w s 环境下开发的，能够充分利用w i n d o w s ， 为设计人员提供简易方便的工作界面。 s 0 1 i d w o r k s 软件非常容易学习，利用s 0 1 i d w o r k s 的帮助系统，设 计人员可以快速掌握s o l i d w o r k s 的设计方法。 清晰、直观、整齐的“全动感”用户界面 图形区域动态的预览，使得在设计过程中就可以审视设计的合理 性。 强大的、动态激活的p r o p e r t y m