（机械工程专业论文）粘片机拾放片机构运动参数优选.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 粘片机是半导体后封装工序中的重要设备之一，其功能是将前道工序划切好的晶粒 从蓝膜上拾取，然后放置到引线框架或基板上。粘片机拾放片机构的设计，直接影响粘 片机性能和特性，因此，有必要进行机构的运动规律仿真和最优的运动方案分析。 对目前粘片机中所采用的主要拾放片机构形式进行比较分析，综合考虑目前国内设 计制造水平，选取9 0 0 旋转臂结构进行设计。对所选的四连杆机构和该四连杆机构各组 成要素对旋转精度的影响作了详细的分析，从而得到最佳的精度分配，这样既保证了拾 放片精度，又能经济的加工出相关的零件。针对所选用的拾放片机构特点，进行运动时 序规划。 讨论了p m a c 多轴运动卡中所支持的两种运动曲线，即研究所采用的四边形运动 曲线和梯形运动曲线，对两种运动曲线进行详细的运动特性分析。同时讨论了多体系统 动力学理论，包括坐标系的定义、非线性方程组的建立以及求解非线性方程组所采用的 算法。 采用s o l i d w o r k s 软件对抬放片机构进行实体建模，然后将其导入到a d a m s v i e w 软件中，对其施加物理属性和约束关系，建立动力学模型。采用不同的运动规律和运动 参数，对仿真模型进行动力学仿真，通过对电机所需驱动力矩的情况、连秆的受力情况 和摆臂的运动情况的比较分析，选出较优的运动舰律及其结构参数。 关键字：粘片机抬放片机构四连杆机构多体系统动力学 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i eb o n d e ri sa l li m p o r t a n tm a c h i n eo f t h eb a c k - e n dp r o c e s sf o rs e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y d i eb o n d e rp i c k si n d i v i d u a ld i c ef r o mt h ew a f e rf r a m ea n d 仃a n s f e r st h e mt ot h el e a d f r a m eo r s u b s t r a t e p i c k & p l a c em e c h a n i s m sd e s i g no f t h cd i ei n f l u e n c e st h ep e r f o r m a n c ea n dt h e f e a t u r eo f d i eb o n d e r , s 0i ti sn e c e s s a r yt h a tm o t i o no r d e r l i n e s si ss i m u l a t e da n do p t i m a l m o t i o np a r a m e t e r sa r ea n a l y z e d t h ep a p e rc o m p a r e sd i f f e r e n tp i c k & p l a c em e c h a n i s mu s e dc u r r e n t l yi nd i eb o n d e r , t h e 9 0 。- r o t a t i o n - a r mm e c h a n i s mi sc h o s e nc o n s i d e r i n gt h ed o m e s t i cd e s i g na n dm a n u f a c t u r e c a p a b i l i t y t h e nt h ep a p e ra n a l y z e si nd e t a i lt h ef o u r - b a rl i n k a g em e c h a n i s ma n di n f l u e n c eo f i t se a c he l e m e n t sp r e c i s i o no nr o t a t i o np r e c i s i o n , t h er e a s o n a b l yp r e c i s i o ni sa p p l i e dt oe a c h e l e m e n t s on o to n l yi st h em a c h i n e sp r e c i s i o ni sm a i n t a i n e d ，b u ta l s ep a r t sc a nb e m a n u f a c t u r e da tl o wp r i c e t h e nb a s i n go nt h em e c h a n i s mf e a t u r e ，t h er e a s o n a b l em o t i o n t i m i n gg r a p hi sp r o p o s e d t w o t y p e so f m o t i o nc b r v e ss u p p o r t e db yp m a cm u l t i - a x i sc o n t r o l l e rc a r da l e d i s c u s s e d t h e ya r eq u a d r a n g l em o t i o nc u r v ea n dt r a p e z o i dm o t i o n c b l a d et h a tm a d o p t e db y t h et e s e a r c h 。a n dm o t i o nf e a t h e ro f t w ot y p e so f m o t i o nc u r v e sa r ea n a l y z e di nd e t a i l m e a n w h i l ed i s c u s s e st h ep o l y - o b j e c td y n a n t i c sf u n d a m e n t a lt h e o r i e s ，i n c l u d i n gr e f e r e n c e f r a m e sd e f i n i t i o n a n dn o n - l i n e a re q u a t i o n 。sf m m d a t i o na n da r i t h m e t i co f c a l c u l a t i n g n o n - l i n e a re q u a t i o n p i c k & p l a c em e c h a n i s mi sm o d e l e di us o l i d w o r k ss o 羝v a r e a n dt h e3 dm o d e li s i m p o s e di n t oa d a m s v i e ws o f t w a r e ，a n dp r a c t i c a lg e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，p h y s i c m c h a r a c t e r i s t i c sa n dr e s t r i c t i o nr e l a t i o n sm a d o p t e dt oe s t a b l i s hi i sk i n e t i c ss i m u l a t i o nm o d e l u n d e rd i f f e r e n tm o t i o nc n r v e sa n dd i f i e r e n tm o t i o np a r a m e t e r s ，m o t i o ni sa d d e dt ot h em o d e l ， a n dr i mt h ek i n e t i c ss i m u l a t i o n a n dc o m p a r et h et o r q u et h a ti st h em o t o rn e e d e da n df o r o e t h a ti sl i n k i n gh ”a p p l i e d t h eo p t i m a lm o t i o no r d e r l i n e s sa n dm o t i o np a r a m e t e ri so b t a i m k e yw o r d ： d i ei x ) n d e l p i c k p l a c em e c h a n i s mf o u r - b a rm e c h a n i s m p o l y - o b j e c ts y s t e md y n a m i c s 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：舟j 茅 日期： o i 年f 。月州日 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，即：学校有 权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，允许论文破查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将率学位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忙编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密骘 ( 请在以上方框内打“”) 学宦论文作者签名：刘孝 宦期：a r 年f o 月f 量 指导教师签名 佬弓 巨期：弘一年f o 月“己 华中科技大学硕士学位论文 1 1 本课题研究的目的和意义 1 绪论 当前，世界正处于一个以新材料、新能源、生物工程、海洋工程，航空航天技术和 信息技术为代表的新技术革命时期。其中影响最大、渗透力最强、最具有代表性的新技 术革命就是以半导体为基础、以集成电路为核心的电子信息技术。它己渗透到现代国防、 现代工业及社会生活的各个方面。以硅为主体的半导体技术是电子信息产业发展的主要 驱动力【1 1 。在过去的3 0 多年中，硅芯片技术r 新月异，突飞猛进。白1 9 5 8 年美国德克 萨斯公司试制成功世界第一块集成电路起，世界i c 产业经历了小规模、中规模、大规 模、超大规模和特大j ! i ! 模集成电路的发展阶段。近几年来，随着微细加工技术及相关l c 工艺和装备的不断进步，l c 制造技术极限不断被打破，i c 元器件的特征尺寸不断缩小， 并进一步朝着小型化和高复杂度的方向发展，其对制造极限提出更高的要求和挑战。以 i c 为主的微电子制造业，己成为迅速发展、影响越来越大的高科技产业口j 。目i j ，在一 些发达国家，信息产业产值己占到国民经济总产值的4 0 6 0 ，国民经济总产值增长 部分的6 5 都与微电子有关p 】。i c 制造水平成为衡量一个国家综合国力的重要标志，成 为促进国民经济持续发展和保障国家安全的战略性基础产业。 s e m i 协会对用于i c 制造的半导体设备进行了分类，即制版设备、晶片制备设备、 薄膜生长设备、图形加工设备、掺杂设备、微芯片封装设备、测试设备等七大类。其中， 微芯片封装设备又包括划片机、粘片机、引线键合机等。 粘片机是微电子封装后工序中的重要设备之一，其功能是将前道工序划切好的晶粒 ( d i e ) 从蓝膜上拾取，然后放置到引线框架( l e a d f r a m e ) 或基板( s u b s t r a t e ) 上，在半导 体封装工序中占有举足轻重的地位 4 1 。其拾放片机构为该设备的关键部件，其功能是将 前道工序划切好的晶粒( d i e ) 从蓝膜上拾取，然后放置到引线框架( l e a d f r a m e ) 或基 板( s u b s t r a t e ) 上。该机构的运行速度和精度直接影响到整机的速度和精度。 随着i c 封装技术的发展，对芯片粘片机的粘片速度的要求也越来越快、定位精度 华中科技大学硕士学位论文 也越来越高。为了适应封装技术的发展，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嘲。由此中国电子科技 集团公司第四十五研究所决定开发的全自动粘片机，本课题是该项目的一个子课题。 1 2 粘片机的研究动态及现状 如图1 一l 所示，牯片机主要由晶圆供送、引线框架供送、芯片吸拾、芯片传递、芯 片粘焊，引线框架装龠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，通过丌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 的图像识刷技术束实 现芯片的全自动识别和筛选等，充分表现出多学科前沿的高度综合和渗透1 6 。该设备具 有精密、高速、不i 、日j 断、局部高温、i 、日j 歇运动等工作特点。 己片台 图i - 1 枯片机的主要组成 目前先进的粘片机基本上被国外大公司所垄断，如瑞士的e s e c 、a l p h a s e m ，日 本的s h i n k a w a 、t o s o k 、c a n o n ，香港的a s m 、韩国的t s m 等。国外最先进的 1 c 芯片粘片机运行速度已达到1 8 0 0 0 次4 时，定位精度为微米级。 国外公司为了能占有该设备的国际市场，以骨干企业为中心，联合大学、科研机构 正鼎力进行该类设备的研究开发。j o m w j a n n e c ka n d m a r t i n n a e d e l e 利用c o d e s i g n t 具 2 华中科技大学硕士学位论文 对整个机器系统进行了p e 砸网建模分析。该方法的仿真结果能与实际测量的该机器的相 关数据很好的吻合，且能得到比以前的方法好的多的结果，从而证明该方法的有效性 7 1 。 y e o n g - j y hl i na n ds h e n g - j y eh w a n g 在对芯片( d i e ) 拾取过程详细研究的基础上，把动态 的拾取过程简化为一个静力分析，得出使芯片在拾取过程中破脆的主要因素：顶针 ( n e e d l e ) 速度和拾取压力。从而通过优化工艺过程和修改相关零件，使其能稳定可靠的 拾取芯片嗍。 随着器件封装尺寸的进一步小型化，微型化，芯片的厚度也越来越薄，对芯片的的 处理电提出了越束越高的要求。j o n a t h a n m e d d i n g ，r o l a n d s t a l d e r , m a r c e l n i e d e r h a u s e r 等 一一 i “1 l _ i i i j i ? l f fli 蓝膜圈l 真空l a 幽像对准甚片 a 斜面抬起芯片，巾远离芯片处真窀吸附醢膜 b 真卒下分离芯片 b 蓝膜推动芯片在斜面e 移动，同时逐渐分离 c 重新对准芯片 d 尤作用力芯片拾取 c 真空释放，开始下一芯片 图l - 2 先分离后拾取 芯j i 牟部接触 d 完成移功，图像对准 e 完成芯片拾取 图1 - 3 使用一个斜面装置使芯片分离 华中科技大学硕士学位论文 针对5 0 1 t m 厚的芯片易脆的特点，提出了两种解决方案： 先分离后拾取( 见图1 2 ) ，使用一个斜而装置使芯片分离( 见图l 一3 ) 。第二种方法比第 一种方法有更大的分离力例。 高速、高精度全自动芯片粘片机作为半导体芯片封装的关键设备之一，目前国内相 关的研究机构和生产厂家对粘片机的研制丌发进行了有益的探索和研究。例如广东工业 大学在拾放片装置方面先后提出了两种解决方案：利用斜面四连杆机构实现拾放片功 能，尽量缩短拾放片距离，提高速度【l o l ；后来又提出了运用并联机构实现拾放片功能， 具有刚度大、定位精度和运动精度高、质量轻等特点【”j 。但至今未见定型样机运用于生 产线的报道。总体而言，我国在该设备的研发方面仍处于起步阶段1 ”j 。 随着半导体器件及集成电路工艺制造技术的飞速发展，集成电路变得越来越小，其 内部结构也越柬越复杂，加工要求也越来越高 1 3 1 。目前该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”4 1 1 ”1 l l 6 1 。 1 3 虚拟样机技术的国内外研究概况 国外虚拟样机相关技术的软件化过程己经完成，目前有许多家公司在这个领域上竞 争。较有影响的有美国的( m e c h a n i c a ld y n a m i c sl n e ) a d a u s ，c a d s i 的d a d s ，德国 航天局的s i m p a c k ，其它还有w o r k i n gm o d e l ，f l o w3 d ，i d e a s ，p h o e n i c s ，a n s y s ， p a m c r a s h 等等。除了上述通用的虚拟样机分析软件外，国外出现了一些专用的虚拟样 机系统，例如美国v p i 公司的商业性虚拟样机系统。 虚拟样机技术在一些发达国家，如美国，德国、日本等己得到广泛的应用，应用领 域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机 械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。 美国航空航天局( n a s a ) 的喷气推进实验室( j p l ) 成功地实现了火星探测器“探路号” 在火星上的软着陆，成为轰动一时的新闻。j p l 工程师利用虚拟样机技术仿真研究宇宙 飞船在不同阶段( 进入大气层、减速和着陆) 的工作过程。在探测器发射以前，j p l 的工 程师们运用虚拟样机技术预测到由于制动火箭与火星风的相互作用，探测器很可能在着 4 华中科技大学硕士学位论文 陆时滚翻。工程师们针对这个问题修改了技术方案，将灵敏的科学仪器安全送抵火星表 面，保证了火星登陆计划的成功。 福特汽车公司在一个新车型的开发中也虚拟样机技术仿真，其设计周期缩短了7 0 天。全公司范围内，由于采用了这项技术，设计费用减少了4 千万美元，制造费用节省 了1 0 亿美元。由于设计制造周期的缩短，新车上市早，额外赢利达到其成本的数倍。 美国波音飞机公司的波音7 7 7 飞机是世界上首架以无图方式研发及制造的飞机，其设 计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术，这不但使研发周期大大缩短、研 发成本大大降低，而且确保了最终产品一次接装成功。 c a t e r p i l l a r 公司是世界上最大的拖拉机、装载机和工程机械制造商之一。由于制造 一台大型设备的物理样机需要数月时问，并耗资数百万美元，所以，为了提高竞争力， 必须大幅度削减产品的设计、制造成本。c a t e r p i l l a r 公司采用了虚拟样机技术，从根本 上改进了设计和试验步骤，实现了快速虚拟试验多种设计方案，从而使其产品成本低， 性能却更加优越。同样，作为生产工程机械的著名厂商j o h nd e e r e 公司，为了解决工程 机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题，公司的工程师利用虚拟样机 技术，不仅找到了原因，而且提出了改进方案，并且在虚拟样机上得到了验证，从而大 大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。 国内在虚拟样机软件开发方面也进行了一些研究，取得了一定的进展。如唐硕等人 探讨了飞行器虚拟样机设计与仿真环境系统框架，对虚拟样机设计环境的系统结构、建 模和虚拟试验进行了研究，提出了一个包括设计与试验软件平台样机模型数掘库、分布 式计算平台、可视化系统的飞行器虚拟样机系统框架。 中国农大周一鸣教授主持开发了广义机构计算机辅助、设计系统，该系统用迭代方法 计算机械系统的自由度，在静力分析中用势能最小原理求解系统的静平衡位置，在动力 学分析中采用汉密尔顿正则方程。但是，由于种种原因，国内的虚拟样机分析软件尚停 留在实验室应用阶段，离软件商品化还有很大的距离。目前，只有一些大学和科研院所 在进行这一方面的工作。 华中科技大学顾士学位论文 1 4 本课题研究的主要内容 本文主要研究了粘片机的关键部件拾放片机构，主要目的是为了通过对不同运动规 律和运动参数的仿真分析，对比其仿真结果，选出较优的运动规律和运动参数，从而在 保证该设备的速度和精度的同时，使该设备在低振动和低噪音下可靠地运行。本论文的 主要内容如下： 夺讨论拾放片机构的结构形式，并分析了四连杆各组成要素对拾放片精度的影 响。 夺分析该机构的运动时序。 夺讨论了多体系统动力学基础理论和多刚体系统的组成、动力学方程的建立等内 容，并选择a d a m s , v i e w 作为本论文多体动力学仿真的工具。 夺完成了拾放片机构的三维c a d 实体建模，导入a d a m s n i e w 中建立多体动 力学仿真模型，并对所论述的各种运动规律和不同的运动参数进行仿真分析，选出动力 学特性最优的运动规律及其结构参数，并对其进行实验验证。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 拾放片机构运动需求分析、结构选型及总体设计 2 1 概述 拾放片机构的作用是将晶圆( w a f e r ) 上己被划切好的芯片( d i e ) 逐个依次吸起，传送 并放置到引线框架( 1 e a d f r a m e ) 或基板( s u b s t r a t e ) 上，使得芯片在引线框架或基板上被粘接 固定。拾放片机构需要精确、平稳地往返于拾片( p i c 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。它是粘片机的关键部件，粘片机的速度很大程度上取决于拾放 片机构的速度。 为了达到该设备的技术指标，对谈机构提出的性能指标如下： 夺拾放片臂旋转9 0 0 的时间t l _ 8 0 m s ； 夺拾放片臂z 向抬升厂f 降( 行程2 3 m m ) 的时间t 2 o 时，对机构进行劝力学分析，即分析其运动是由于保守力和非保守力的作 用而引起的，并要求构件运动不仅满足约束要求，而且要满足给定的运动规律。它又包 戆静力学分辑、凝静力学分爨鞠瓣态臻力学努辑。动力学静逡凄方程鼗是搬魏中运动瓣 拉格朗日乘子微分方程和约柬方程组成的方程组。 当d o f o 时，属于超静定问题，a d a m s 无法解决。 华中科技大学硕士学位论文 4 3 2 广义坐标的选择 动力学方程的求解速度很大程度上取决于广义坐标的选择。研究刚体在惯性空间中 的一般运动时，可咀用它的连体基的圆点( 一般与质心重合) 确定位置，用连体基相对 惯性基的方向余弦矩阵确定方位。为了解析地描述方位，必须规定一组转动广义坐标表 示方向余弦矩阵。第一种方法是用方向余弦矩阵本身的元素作为转动广义坐标，但是变 量太多，同时还要附加六个约束方程：第二种方法是用欧拉角或卡尔登角作为转动坐标， 它的算法规范，确定是在逆问题中存在奇点，在奇点位置福建竖直计算容易出现困难： 第三种方法是用欧拉参数作为转动广义坐标，它的变量不太多，由方向余弦计算欧拉角 时不存在奇点。a d a m s 软件用刚体i 的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为 广义坐标，即吼= i x ，y ，：，p ，口，矿f ，g = k i ，钉，订y 。由于采用了不独立的广义坐标， 系统动力学虽然足最大数量，但是却足高度稀疏祸合的微分代数方程，适用于稀疏矩阵 的方法高效求解。 4 3 3 多刚体系统动力学方程 a d a m s 软件根据机械系统模型，自动建立系统的挣格朗f 1 运动方程。对于每一个 刚体，可以列出6 个广义坐标带乘子的拉格朗日方程及相应的约束方程： 昙( 酱) _ 酉a t + 西p + 鳄卢= q 句 完整约束方程 妒( g ，f ) = 0 非完整约束方程 e ( q ，口，f ) = 0 式中， 足一系统动能； q j 一系统广义坐标列阵； q 一广义力列阵； p 一对应于完整约束的拉氏乘子列阵； 华中科技大学硕士学位论文 一对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。 4 3 4 动力学方程的求解 把( 4 - 2 ) 式写成更一般的形式： f ( q , u ，女， ，t 】= 0 g “日) = ”一口= 0 + 。中0 ，r ) = o 其中 g 一广义坐标列阵： 口，“一广义速度列阵 ( 4 - 3 ) 五一约束反力及作用力列阼； f 一系统动力学微分方程及用户定义的微分方程f 如用于控制的微分方程、 非完整约束方程】： 中一描述约束的代数方程列阵。 如定义系统的状态矢量y = q ，t ，r ，式( 4 3 ) 可写成单一矩阵方程： g ( y ，史f ) = 0( 4 - 4 ) 在进行动力学分析时，a d a m s 采用两种算法： 提供三种功能强大的变阶、变步长积分求解程序：g s t i f f 积分器、d s t i f f 积 分器和b d f 积分器来求解稀疏耦合的非线性微分代数方程，这种方法适用于模拟刚性 系统( 特征值变化范围大的系统) 。 提供a b a m 积分求解程序，采用坐标分离算法来求解独立坐标的微分方程，这 种方法适于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。 下面介绍微分代数方程的求解算法： 用g e a r 预估一校正算法可以有效地求解式( 4 - 3 撕示的微分代数方程。首先， 根据当前时刻的系统状态矢量值，用泰勒级数预估下一时刻系统的状态矢量值： = 儿+ 等n + 击争“ 件s ， 华中科技大学硕士学位论文 其中，时间步长 = f 。+ f 。 这种预估算法得到的新时刻的系统状态矢量值通常不准确，x l ：( 4 3 ) 右边的项不等于 零，可以由g e a r k + l 阶积分求解程序( 或其他向后差分积分程序) 来校正。如果预估算法 得到的新时刻的系统状态矢量值满f f z ( 4 3 ) ，则可以不必进行校正。 y = - h p o ) ，+ l + 吼y 。“ 其中 y 。一，o ) 在f = f 。t 刚的系数值 风，口，一g e a r 积分程序的系数值。 改写式( 4 6 ) 得： 瓣蠢卜溉t = l 。儿“2 i 面l “一乞嘭以一“j ( 4 6 ) ( 4 7 ) 整理式( 2 3 ) 在t = t n + 一时刻展开，得： f ( qn + l ，m ，口，以。t 。) = o g h 吣扣一巩。一( 云h 一缸+ 。) - o s ， 巾伯。，t 。) = 0 a d a m s 使用修正的n e w t o n r a p h s o n 程序求解上面得非线性方程，其迭代校正公 式为： f j + 瓦o f 匈i + 8 沁f a u i + o 甄f 氓= q q o 却g a 。，+ a 锄g 甜，= o ( 4 9 ) 卟詈妒。 其中，表示第，次迭代。 a q j = g j “一q j , a u ，= “j 卅一“，- 兰t 卅一t ( 4 - 1 0 ) 由式( 4 7 ) 知： 华中科技大学硕士学位论文 峨= - ( 去卜 由式( 4 - 8 ) 知： 署- ( 去垮“却l 岛j 抛 将式( 4 一1 1 ) 和式( 4 - 1 2 ) 代入式( 4 - 9 ) ，得： a f 啦 褂 f a f1 西1 【面一面面j j o o o 隹卜 ( 4 - 1 1 ) 阵1 2 ) r 4 - 1 3 ) 式( 2 一1 3 ) 左边的系数矩阵称系统的雅可比矩阵， 娑系统刚度矩阵； 州 筌一系统阻尼矩； i 8 f 一系统质量矩阵。 通过分解系统雅可比矩阵( 为了提高计算效率，a d a m s 采用符号方法分解矩阵) 求解 g ，“j ，一，计算出吼。j 十l ，口川，d ，互j 。q ，重复上述迭代校正步骤，直到满足 收敛条件，最后是积分误差控制步骤。如果预估值与校正值的差值小于规定的积分误差 限，接受该解，进行下一时刻的求解。否则拒绝该解，并减少积分步长，重新进行预估 一校正过程。 总之，微分一代数方程的求解算法是重复预估、校正、进行误差控制的过程，直到 求解时间达到规定的模拟时间。 4 3 5 静力学分析 对应于上面的动力学分析过程，在进行静力学、准静力学分析时，分别设速度、 华中科技大学硕士学位论文 加速度为零，则得到静力学方程 a f a g 曲 却 4 3 6 运动学分析 0 鼢= ( 4 1 4 ) 运动学分析研究零自由度系统的位置、速度、加速度和约束反力因此只需求解系 统的约束方程： 巾( g ，f 。) = 0 ( 4 1 5 ) 任一时刻，。位置的确定，可由约束方程的n e w t o n r a p h s o n 迭代求得： 詈i ，匀j = - - ( i ) ) 其中，6 q = g 川一q j ，j 表示第，次迭代a ( 4 - 1 6 ) 时刻速度、加速度的确定，可由约束方程求一阶、二阶时间导数得到： f 娑1 塑( 4 - 1 7 ) = i 百j a t 一 ( 静叫挚嚆喜署喇，+ 旦a t f t 丝a q ) 。+ 高( 黔 阻埘 时刻约束反力的确定，可由带乘子的拉格朗日方程得到 ( 旦a 皇q l j 7 z = l 一旦a , f t 堡a i l ) 7 + 鼍) 7 + q 4 3 7 初始条件分析 ( 41 9 ) 在进行动力学、静力学分析之前，a d a m s 自动进行初始条件分析，以便在初始系统 华中科技大学硕士学位论文 模型中各物体的坐标与各种运动学约束之间达成协调，这样可以保证系统满足所有的约 束条件。初始条件分析通过求解相应的位置、速度、加速度的目标函数的最小值得到。 对初始条件位置分析，定义相应的位置目标函数k l o = ；杰彤o ，_ 9 0 ，) 2 + 芝葛， ( 42 0 ) 其中： 一系统总的广义坐标数： m 一系统约束方程数； 中，z 一分别是约束方程及对应的拉氏乘子5 q 。，一用户设定的准确的或近似的初始坐标值或程序设定的缺省坐标值。 彬一对应g 。的加权系数。如果用户指定的g 。，是准确坐标值，形取大值； 如果用户指定的g 。，是近似坐标值，形取小值；如果是程序设定的g 。， 坐标值，则矿取零值。 k 取最小值，则由鲁= 。，皑o l o = 。得： 嘞幢秽鲁q 乩：，崩川2 ，。 阻。， 【 巾，2 0 对应的函数形式： ，也，贯) = 0 ，g 瓴) = 0 t = l ，2 ，n ；l = 1 ，2 ，m ( 4 2 2 ) 其n e w t o n r a p h s o n 迭代公式为： h 喜喜母亲 l 形+ 驾蒜l i ，1 ，；i 。q i “吁j 占锄 h = l 嚣k叫 其中a q = q ”+ 一一吼，；也= 墨，l 一置，下标p 表示第p 次迭代a 对初始速度分析，定义相应的速度目标函数厶 ( 4 - 2 3 ) 堡钆 碍)芝怎 j 中 一 一 l w 嘭 = 、lrj 嘛叫 1unj 堡屯。 。卢 华中科技大学硕士学位论文 小；羔i = l 嘶_ 口0 + 喜_ 等 ( 42 4 ) 其中： 乩一用户设定的准确的或近似的初始速度值或程序设定的缺省速度值 形7 一对应乱的加权系数； 百d o j = 言鲁生o t = 。一速度约束方程 形一对应速度约束方程的拉氏乘子。 职最要砒则自鲁。嗡稍 秘缴譬窘一3 朋川a ，。渺。，ol 瓦i = 砉 卦七等= 。 一9 一“一“。 ”“ 写成矩阵形式为 骞剽 笔 = i w 等每o , j l k = 1 , 2 , - - , n ；j = 1 , 2 , - - , m c t z 。， 上式是关于吼，得线性方程，系数矩阵只与位置有关，且非零项已经分解( 见式 ( 4 2 3 ) ，因此可以直接求解巩，彤。 对切始加速度、初始拉氏乘子的分析，可直接由系统动力学方程和系统约束方程的 两阶导数确定 将矩阵形式的系统动力学方程写成分量形式： * e + 薯乃鲁砒埘) p = l ，z l “可 争= 喜( 豺，舶埘细 i = 1 , 2 ，”；，= 1 , 2 ，m ( 4 - 2 7 ) 华中科技大学硕士学位论文 丸= - 【d 矿2 t g j ；| ；昙( 钟嚆毒( 割喜氰杀卜 将其写成矩阵形式为 m + 瓴) 翌 台札 f = 1 ，2 ，h ；j = 1 , 2 ，m( 4 - 2 7 ) 上式中的非零项已经分解，见式( 4 2 3 ) 和( 4 2 6 ) ，因此，可以求解玩和五，。 要建立一个复杂系统的多体动力学模型是一项非常复杂的过程，且计算量非常的 大，故靠理论推导来完成多体系统动力学仿真分析几乎变得不可能。现在国外已有非常 成熟的多体系统动力学仿真软件可用，我们只需要建立系统的c a d 模型，其他的工作都 由计算机柬完成，便不可能为可能了。在本文中将运动a d , 吣, i s v i e w 来建立动力学仿真 模型，并运用浚软件进行分析计算。 、rj q _ = 、rj。吼丑。 ，、【 1j 堡妃。 华中科技大学硕士学位论叉 5 1 仿真模婺酌建立 5 机构的动力学仿真 a d a m s 软件具有强大的动力学解算器，但其实体建模功能帽对比较弱。对于比 较复杂静零帮释，蟊瑶a d a m s 遴孬三维实毒拳建搂，苓憨绦诞镤辇熬冗寸壤发秘装配款 位置精度。因此，在本仿真分析中首先用s o l i d w o r k s 建立精放片机构模型，然后将其 以a d a m s 能较好识别的p a r a s o l i d 格式导出。晟后只需将其导入到a d a m s 环境中使 用那可。导入步骤如下： f 1 ) 在f i l e 菜单，选择i m p o 靠命令，显承f i l ei m p o 拉( 文件输入) 对话攥。 ( 2 ) 在f i l e t y p e ( 文件类溅) 栏中选择p a r a s o l i d ( x m t _ t x t ，+ x - t ，x m t _ b i n ，+ xb ) ， 在f i l et or e 砒( 输入文件名输入) 输入文体的路径和零件名，在m o d e ln a m e 框中单 蠢右键煮选c r e a t e ，著在弹氆的对话疆中移魏m o d e ln a m e 颈，连续单击o k ，箨胃导 久部件。 ( 3 ) 导入文件后，双击部件弹出“m o d i f yb o d y ”对话框，在d e f i n em a s sb y 栏中选 择g e o m e t r ya n dm a t e r i a lt y p e ，在m a t e r i a lt y p e 文本框辕入糖辩痒孛豹毒毒秘或垂定义戆 材料，单击a p p l y 显示该零件躺质量、转动惯盈和质心等特性值。 为了使导入的模型能进行动态仿真分析王作，必须在备个部件之间按照实际的工 作传况添燕约寒关系及作用力。葳a d a m s 生工兵筵中可选取旋转彰( r e v o t u t e ) 、移动 剐( t r a n s l a t i o n a l ) 、圆柱副( 两裔由度x c y l i n d r i e a l ) 、球形副( s p h e f i e f l ) 、平面涮( p l a n a r ) 、 恒速副( c o n s t a n t v e l o c i t y ) 、固定9 1 ( f i x e d ) ，螺旋副( s c r e w ) 、齿轮副( g e a r ) 、连轴器( c o u p l e r ) 簿约束关系。添加约束时应注意选择约束的类璎、作用部件、作用点和方向。蛋构件添 加完约束及弦溺力盖，整个攘掇样橇帮在a d a m s 孛建立了越来。在该模型审，电极静 旋转惯量使用一个等惯量旋转体替代。图5 1 为该拾放片机构的仿真模型。 华中科技大学硕士学位论文 图5 - l 拾放片机构的仿真模型 在完成仿真模型的建立后，需要定义机构的运动，a d a m v i e w 两种类型的运动： 连接运动和点运动。连接运动定义铰接副、梭柱副和圆柱副中的移动和转动，每一个连 接运动约束了一个自由度。点运动定义两点之间的运动规律。定义点规律时，还需指明 运动的方向。点运动可以应用丁任何典型的运动副，例如：圆柱副、球形副等等。通过 定义点运动可以在不增加额外约束或构件的情况下，构造复杂的运动。在本分析中，主 要用到了连接运动，即对旋转副施加旋转运动。其中用到运动函数主要为s t e p ( 阶梯) 函数和i f 函数。 ( 1 ) s t e p ( 阶梯) 函数 s t e p 函数的格式为 s t p p ( x ，h o ，j l ，啊) 其中： z 为自变量，通常为时问( t i m e ) ； 华中科技大学硕士学位论文 是阶梯函数丌始时的x 值 是阶梯函数的初始值； x 1 是阶梯函数终止时的x 值； h ，是阶梯函数的终止值。 s t e p 函数的定义如下： f b ) = h o：x z 。 + o 。一y i b 一) g 。一x o 1 2：x 0c xcx 岛：，五 ( 2 ) 函数 i f 函数的格式为i f ( e x p r e s s i o n l ：e x p r e s s i o n 2 ，e x p r e s s i o n 3 。e x p r e s s i o n 4 ) 其中 e x p r e s s i o n l 是条件判别式； e x p r e s s i o n 2 当e x p r e s s i o n l 小于零时，函数返回该值： e x p r e s s i o n 3 当e x p r e s s i o n l 等于零时，函数返回该值； e x p r e s s i o n 2 当e x p r e s s i o n l 大于零时，函数返回该值。 3 9 1 1 4 0 1 4 1 1 5 2 仿真分析中运动规律参数的确定和输出的物理量 本文所进行的仿真分析是对第三章中所论述的两种运动规律进行的对比分析，从中 找出最适合该机构的运动规律和运动参数。该拾放片机构属于高速、间歇、往复运动机 构，其运动规律的正确选择将能大大提高该机构性能，以及运动噪音等。在运动规律的 选择上主要对几种典型的情况进行了仿真分析，再通过对仿真结果的对比，选耿最佳的 运动规律和运动参数。 在本文的拾放片机构仿真分析中，解算器( s l o v e r ) 采用了a d a m s 软件的w s t i f f 积分程序，主要的计算结果为下述物理量；四连杆机构所需驱动力矩、连杆的受力情况 华中科技大学顽士学位论文 和撰臂的运动规律。朗连杆机构所需驱动力矩就怒电机的驱动转矩，如采电机的驱动转 矩鸯突然变化，既容易使设备产生振动芹i | 噪声，叉会使设蠢精度受到影响，从而增加设 备设计难度，同时还为选择电机提供参考；知道涟杆的受力情况可以为相关零件的强腹 设科壤i 结构优佬设计提供有关参数；鲰邋摆譬的运动规律可以掌握攥臂各阶段的运动愤 况，使设计人员能够很好的了解设计方案。 5 3 不同道动规律下的动力学仿真分析 囊兹嚣瓣设诗鼓翔遒，该壤鞫弱戮动摇柽瓣旋转弗褰兔1 8 2 。7 2 8 2 0 。蠡| 凌零籀挺 可知，要达到技术要求须保证其在8 0 r n s 内完成整个动作。通过计算可以知道驱动电 撬懿角翔蠢遮发、魏速度帮速寝等穗关参数。 5 2 1 驱魂撼轻以四逸形曲线女b 减速运动 在孩运动规律下，以下两种情况将被考虑： i ) 整个运动出线均为加减速，即搬速时间为4 0 m s ，减速时两谯为4 0 m s 。由计箨 可以知道其驱动电机的角加速度c t = 2 2 8 4 1 0 2 5 0 l s ；2 ，峰值角速度为9 1 3 6 4 1 0 s ，其加速 度艴线如凿5 - 2 所示。驱动该琏耔概扮所需驱动力矩、连轩的受力情况和摆蒲酌运动蕊 时间( s e c ) 辫5 - 2 捅遴废蓥线 。蔷p)繇辫器程 华中科技大学硕士学位论文 律如图5 - 3 、图5 - 4 _ 和圈5 - 5 所示。 基 g z v 疑 露 7 。” l 二， z v 妖 学 啷 v 潍 斟 攒 时黼( s e e ) 图5 - 3 迮杆机构所需驱动力矩 时间 s e c ) 圉s 4 连杆的受力情况 时间( s ) 鞠5 - 5 摆蒋的角位穆 最大驱动力矩1 m x - 3 0 2 n m i l l 3 7 华中科技大学硕士学位论文 平均驱动扭矩t = 1 9 0 6 n r a n l 连杆的最大受力f = 3 0 n ( 2 ) 加速时间为2 0 m s ，减速时间也为2 0 m s 。由计算可以知道其驱动电机的角加速度 f 3 0 4 5 4 7 。1 s 2 ，峰值角速度为t o = 6 0 9 0 9 4 0 s 。其加速度曲线如图5 - 6 所示。驱动该连丰t 机 构所需驱动力矩、连杆的受力情况和摆臂的运动规律如图5 7 、图5 - 8 和图5 - 9 所示。 拿 8 萝 i 薹 娥 时间( s e c ) 削5 - 6 加速度曲线 时同( s e e ) 图5 - 7 驱动该迮杆机构所需驱动力矩 目e z v 鞭黾 华中科技大学硕士学位论文 z v r 铲 3 羚 越 暖 时间( s e c ) 图5 - 8 连杆的受力惰况 时间( s e e ) 图5 - 9 摆臂的角位移 最大驱动力矩t m a x = 3 1 9 n m m 平均驱动扭矩t = 1 2 l n m m 连杆的最大受力f = 3 4