（机械工程专业论文）高精度超高速贴片机横梁的设计及其动态特性研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：2 毽丝查日期：盈丝： 至：印 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：融? 够如导师( 签名宅三砂面汐2 仁如 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的不断发展，现代设备的自动化程度是越来越高。目前，先进 的电子产品组装中已经普遍采用了表面贴装技术( s u r f a c em o u n t i n g t e c h n o l o g y ，简称s m t ) ，而贴片机是s m t 生产线中最为关键的设备。我国的贴 片机绝大部分是从国外进i s i 的，高中档的贴片机基本都是被外国垄断。针对这样 的情况，我们正在开发研制一种高精度超高速、使用寿命长以及成本低的贴片机， 以打破国外垄断，填补国内空白，为企业在生产过程中所遇到的品质、效率、成 本这三大问题提供全面创新的解决方案。 本论文是以高精度超高速贴片机的横梁为研究对象，通过对横梁运动规律以 及横梁对贴片机精度影响的研究，设计并优化横梁的结构，使横梁达到贴片机所 要求的动态性能，其主要研究内容如下： 1 、对现有贴片机的结构形式进行分类，目前贴片机的结构主要有以下几种： 转塔式、拱架式、复合式以及大型平行系统。并对这几种贴片机的结构特点进行 分析对比，选择出合适的x y 轴运动结构以及驱动方式。 2 、分析横梁在工作中的运动规律以及高精度超高速贴片机对横梁的具体变 形要求。 3 、对横梁的具体结构( 包括外形尺寸、筋板布置以及横梁两端的连接方式) 进行设计，初步选出几种横梁结构( 包括w 型、0 型、米字型和v 型) ，并用 p r o e n g i n e e r 5 0 对这几种结构进行三维建模。另外，还对横梁的材料( 钢、铝 合金、铍铝合金) 以及加工工艺进行了初步的分析。 4 、利用a n s y sw o r k b e n c h 对横梁的动态特性进行分析，包括模态分析和瞬 态动力性分析。模态分析主要是为了观察横梁在工作过程中是否会发生共振，瞬 态动力学分析主要是为了观察横梁在运动过程中以及横梁停止后到贴片机放料 这段过程中的变形情况。 5 、对横梁的筋板以及两端的连接方式进行优化，并对优化后的横梁进行模 态分析和瞬态动力学分析，确保了横梁能够达到高精度超高速贴片机的动态性能 要求。 关键词：高精度超高速贴片机横梁动态特性 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，m o d e me q u i p m e n t a u t o m a t i o nd e g r e ei sm o r ea n dm o r eh i 曲。a tp r e s e n t ，a d v a n c e de l e c t r o n i c sa s s e m b l y h a sb e e ng e n e r a l l ya d o p t e dt h es u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ( s m t ) ，c h i pm o u n t e ri s t h em o s tk e ys m t p r o d u c t i o nl i n ee q u i p m e n t 。o u rc h i pm o u n t e r sm o s t l ya r ei m p o r t e d f r o ma b r o a d ，t o pa n dm i d d l eg r a d ec h i pm o u n t e r sb a s i c a l l ya r ef o r e i g nm o n o p o l y 。 a c c o r d i n gt ot h i ss i t u a t i o n ，w ea r ed e v e l o p i n gah i g h - p r e c i s i o nu l t r a - h i g hs p e e d ，l o n g s e r v i c el i f ea n dl o wc o s tc h i pm o u n t e r ，i no r d e rt ob r e a kt h ef o r e i g nm o n o p o l ya n df i l l t h ed o m e s t i cb l a n k ，p r o v i d ec o m p r e h e n s i v ei n n o v a t i v es o l u t i o n sf o rt h ee n t e r p r i s e i nt h ep r o c e s so f p r o d u c t i o nw i t hq u a l i t y 、e f f i c i e n c y 、c o s t 。 t h i sp a p e ri sad o m e s t i co n eh i g hp r e c i s i o nu l t r a - h i g hs p e e dc h i pm o u n t e rb e a m a st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h r o u g ht h em o t i o nl a wo fb e a ma n db e a mt oc h i pm o u n t e r p r e c i s i o ni m p a c ts t u d y ，d e s i g na n do p t i m i z et h es t r u c t u r eo f t h eb e a m ，m a k et h e b e a mg e tt h ec h i pm o u n t e rr e q u i r e dd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t i sa sf o l l o w s 1 c l a s s i f yt h ee x i s t i n gc h i pm o u n t e rs t r u c t u r e ，a tp r e s e n tc h i pm o u n t e rs t r u c t u r e b a s i c a l l yh a st h ef o l l o w i n gk i n d s ：t u r r e t , a r c hf r a m e ，c o m p o u n d ，a n dl a r g ep a r a l l e l s y s t e m 。a n da n a l y z ea n dc o m p a r et h ec h i pm o u n t e rs t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，c h o o s e t h ea p p r o p r i a t ex - ya x i sm o t i o ns t r u c t u r ea n dd r i v i n gm o d e 2 a n a l y z et h em o v e m e n tl a wo ft h eb e a mi nt h ew o r ka n dh j 【g hp r e c i s i o n u l t r a - h i g hs p e e dc h i pm o u n t e rt ot h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t so f t h eb e a m 3 。d e s i g nt h es p e c i f i cs t r u c t u r eo fb e a m ，p r e l i m i n a r ys e l e c t e ds e v e r a lb e a m s t r u c t u r e ( w j0 ，r i c ef o n ta n dv ) ，a n db s et h ep r o e n g i n e e r 5 0t om o d e ls e v e r a l s t r u c t u r eo f3 d i na d d i t i o n ，p r e l i m i n a r i l ya n a l y z em a t e r i a l so ft h eb e a ma n d p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ( s t e e l ，a l u m i n u ma l l o y , b e r y l l i u ma l u m i n i u ma l l o y ) 4 u s ea n s y sw o r k b e n c ht oa n a l y z ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb e a m ， i n c l u d i n gm o d a la n a l y s i sa n d t r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i s m o d a la n a l y s i si sm a i n l yi n o r d e rt oo b s e r v et h eb e a mw o u l dh a p p e nr e s o n a n c ei nt h ew o r kp r o c e s s 。t r a n s i e n t d y n a m i c sa n a l y s i si sm a i n l yi no r d e rt oo b s e r v et h ed e f o r m a t i o no f t h eb e a m w h i l et h e b e a mi na t h l e t i cp r o c e s sa n db e a ma f t e rs t o pt oc h i pm o u n t e rf e e d i n g a 5 o p t i m i z et h er e i n f o r c i n gp l a t eo f t h eb e a ma n do nb o t he n d so ft h ec o n n e c t i o n m o d e ，a c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z a t i o nb e a m ，d ot h ed y n a m i ca n a l y s i s ，m a k es u r et h a t t h eb e a mc a na c h i e v eh i i g hp r e c i s i o nu l t r a - h i g hs p e e dc h i pm o u n t e rd y n a m i c 一 亟婆里三盔堂堡主兰垡笙奎 _ _ - _ _ - _ - - _ _ - _ _ - _ _ 一 p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：h i g hp r e c i s i o n ，u l t r a - h i g hs p e e d ，c h i pm o u n t e r ，b e a m ，d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 本课题的研究背景与研究意义l 1 1 1 本课题的研究背景：1 1 1 2 本课题的研究意义2 1 2 国内外贴片机发展概况2 1 3 本课题研究内容、拟解决的关键问题及研究方法6 1 3 1 研究内容6 1 3 2 拟解决的关键问题6 1 3 3 研究方法6 第二章超高速贴片机的结构形式8 2 1 表面贴装技术概述8 2 2 贴片机的工作原理8 2 3 超高速贴片机的结构形式9 2 3 1 贴片机的结构类型9 2 3 2 超高速贴片机x - y 轴运动机构的确定1 1 2 3 3 超高速贴片机x y 轴驱动电机的确定1 3 2 4 超高速贴片机对横梁的具体要求1 4 2 4 i 超高速贴片机的技术指标1 4 2 4 2 超高速贴片机横梁的主要设计目标1 5 2 5 本章小结1 6 第三章初步确定横梁的结构1 7 3 1 横梁基本尺寸的确定1 7 3 1 1 横梁长度的确定1 7 3 1 2 横梁宽度的确定1 7 3 1 3 横梁高度的确定1 8 3 2 横梁筋板布置1 8 3 3 横梁两端的连接方式2 0 3 4 横梁材料的选择2 1 3 5 横梁加工工艺的确定2 2 3 6 本章小结2 2 第四章横梁的动态特性分析2 3 4 1 有限元分析的基本原理及a n s y sw o r k b e n c h 介绍2 3 4 2 动力学分析概述2 4 4 2 1 模态分析概述2 4 4 2 2 瞬态动力学分析概述2 5 4 3 横梁的静力学分析2 6 武汉理工大学硕士学位论文 4 3 1v 型横梁的三维模型2 6 4 3 2v 型横梁的网格划分2 7 4 3 3v 型横梁的约束和加载2 7 4 3 4v 型横梁的静力学分析结果2 8 4 4 横梁的模态分析2 9 4 4 1 横梁三维模型的建立2 9 4 4 2 横梁的网格划分2 9 4 4 3 横梁的模态分析结果一3 0 4 5 横梁的瞬态动力学分析3 5 4 5 1 横梁的运动规律3 5 4 5 2 横梁的三维模型3 6 4 5 3 横梁的网格划分3 7 4 5 4 对横梁的有限元模型施加约束与加载3 7 4 5 5 横梁瞬态动力学分析结果3 9 4 6 本章小结4 3 第五章横梁的结构改进4 4 5 1 横梁筋板的改进4 4 5 2 横梁安装方式的改进4 4 5 3 横梁加工方法4 6 5 4 对改进后横梁的分析4 6 5 4 1 改进后横梁的模态分析。4 6 5 4 2 改进后横梁的瞬态动力学分析4 8 5 5 本章小结4 8 第六章总结与展望4 9 6 1 论文总结4 9 6 2 展望5 0 致谢5 3 v 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景与研究意义 1 1 1 本课题的研究背景 表面贴装技术( s u r f a c em o u n t i n gt e c h n o l o g y ，简称s m t ) 是指无需对印制板 钻插装孔、直接将表面组装元器件( 又称片式元器件，如i c ，电容，电阻等) 贴焊 到印制板表面规定位置上的装联技术i ”。把表面贴装技术应用于电子产品上，不 仅使产品可靠性高、拥有更多的功能，而且使产品逐步走向轻量化、小型化。长 期以来的发展，导致今天的s m t 技术已逐步趋于成熟，目前在制造业、计算机 行业以及通信业等各个领域已经广泛开始运用。在电子制造行业供应链中，生产 制造已经成为其中非常重要的环节，而生产制造又以s m t 生产设备为重。现如 今，贴片机已成为电子行业和机械行业不可缺少的生产设备，该设备精度高、速 度快，受到很多电子公司和企业的青睐。其主要运动部件横梁的性能好坏决定了 贴片机的整体性能，故在设计中需要严格的把关【1 4 】。 。 s l d t 技术可以直接把表面贴装的微型电器元件通过焊接的形式连接到印刷 电路板上。它是- - f - j 涉及了多学科的综合性技术，如光学、微电子、精密机械、 材料学、焊接技术、自动化控制等。在实际生产中，印刷机、贴片机、回流焊和 清洗检测设备构成了s m t 生产线的主要组成部分，有时还要用到点胶机。表面贴 片技术具体说来，就是首先用印刷机把焊锡膏涂布在印刷电路板上，再通过贴片 机贴片头的位移，把从喂料器拾取的电子元器件准确而迅速地放到p c b 板上的预 定位置，通过回流焊对印刷电路板加热，直至焊锡膏熔化，然后放置冷却，从而 实现了印刷电路板内部电子元器件之间的电气互联。s m t 的工艺流程主要取决于 组装的质量要求、贴装元器件的类型以及组装生产线的条件等。不同的组装方式 工艺流程会有所不同，同一组装方式的工艺流程也可能不一样。针对s m t 具体的 实际情况来安排合理的工艺流程，能够有利的促进表面贴装效率和质量的提高。 贴片机是s m t 生产线上的最重要的设备之一，也是整条生产线上的最重要 一环。首先，贴片机性能的好坏、速度的高低直接决定了整条生产线的生产效率、 生产能力和产品精度，其次，购买贴片机所付出的费用几乎占到了整条生产线上 所有设备一半以上的投资额。因此，国内外许多企业、高校以及著名的科研单位 都密切关注着电子行业中贴片机的发展i l 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 本课题的研究意义 目前，电路板组装技术有很多，其中最可靠和应用最广泛的是表面贴装技术， 它拥有当今生产制造中最热门的一些性能指标，如自动化的生产、可靠性、轻量 化等。据有关数据统计，全世界7 0 以上的电子产品的组装采用了表面贴装技术， 而贴片机已经成为当今电子产品组装中不可或缺的关键设备，它的技术含量很 高，是机电一体化的产物，集机械、电子、控制、计算机技术等于一体，贴片机 将表面组装元件( 如芯片、电阻、电容等) 迅速而精确的贴装到印刷电路板装元 件的位置，如电路板焊盘、p c b 板等，能够实现吸取、位移、定位、放置等功 能。 从我国整体水平来讲，我国内陆地区发展缓慢，沿海地区的电子工业发展比 较迅速，大量引进和购买了各种类型的贴片工艺设备，而且由于国内电子信息工 业的快速发展，也使国内尤其是沿海地区的贴片机生产与制造技术得到了长足的 进步。现在国内应用的贴片机，基本上都是国外的成品，如果仅靠引进贴片机成 品设备来发展国内电子工业，那么中国以后将成为其他国家电子工业的代工厂， 消耗的是国内的人力物力资源，大量的资金会因为“看不见的手” 而流失到国外，这也不利于我国综合国力的提高。 本文将采用虚拟样机技术对高速贴片机横梁进行设计，并对设计的方案进行 动力学仿真分析，从横梁的动力学性能、抗振性能以及加工的工艺性等方面进行 对比分析，通过对比，最终设计出一种质量小、刚度大、满足贴片机精度要求的 横梁。 1 2 国内外贴片机发展概况 从6 0 年代至今，s m t 设备经历过手动半自动全自动，精度从毫米 级提高到目前的微米级，s m t 元件也逐渐向薄、轻、小、短化方向发展。s m t 的制程难度在不断加深，制程技术已经慢慢成熟。包括无铅制程( l e a df r e e ) 和 0 2 0 1 ( 0 6 0 3 r a m ) 甚至0 1 0 0 5 ( 0 4 0 2 r a m ) 元件技术都己逐步应用。 根据国外关于贴装技术的资料报道，2 0 世纪8 0 年代以后，全球电子公司和 相关技术企业已逐渐不采用通孔组装技术了，且每年都会有很多企业放弃采用该 技术而使用表面贴装技术。截止到2 l 世纪为止，欧美发达国家和地区以及许多 发展中国家无一例外的采用了s m t 应用于它们的产品上。表1 1 列出了s m t 的 发展历史。 武汉理工大学硕士学位论文 表1 1s m t 的发展历史 年代国家技术领域代表产品特点 2 0 世纪6 0美国投资类电子 片式组件、环球规模化生产、高质、 年代产品和军事贴片机、回流焊低耗、低污染等 装备领域机 2 0 世纪7 0日本基础材料与焊锡膏、各种贴从美国引进s m d 和 年代贴片设备领片机( 富士、松s m t 产业并加速在 域下、日立等等)电子设备领域中的 全面推广应用 2 0 世纪8 0欧洲各国基础材料与德国的西门子、其发展水平和整机 年代贴片设备领荷兰的飞利浦贴使用效率仅次于美 域片机国和日本 2 0 世纪8 0新加坡、规模化电子韩国的三星贴片其发展多源于美国 年代到9 0韩国及中产品制造技机、台湾的电脑技术的支撑，但已经 年代国台湾地术应用主板制造技术等走过了最初的“拿来 区主义”模仿阶段并已 拥有相当知识产权 贴片机的研发和制造可以追溯到上世纪六十年代，当时，美国、日本以及德 国在内的发达国家已经制备了一些功能简单且容易实现、低速重型的贴片机。将 表面组装技术( s m t ) 应用于贴片设备的初期，表面组装元件( 电容、电阻) 的 封装形式很简单，当时日本松下、三洋等公司已经将初级贴片机系列化，如松下 公司的m q 系列，由于技术的落后，贴片机采用的定位方式是机械定位，定位 精度不高，只有0 3 m m 左右，贴片效率大概能够达到2 0 片分钟，这在当时已经 是很大的创举了。之后随着电子工业技术的进步，虽然之后的贴片机设备速度和 精度相对于之前都有很大的提高，但贴片机仍然面临了一大堆新的问题1 2 0 | 。 世界上最早研制成功并应用s m t 的国家是美国，但美国只重视s m t 在军事装备 领域的作用，没有将s m t 的高组装密度和高可靠性方面的优势发挥到人们日常生 活所用的电子产品上，所以后来发展的较慢，渐渐被日本和一些欧洲国家赶上。 2 0 世纪7 0 年代，由于表面组装元件的封装形式不是很多，形式比较单一，主要 是片式化电容以及电阻元件，美国、日本相继研制出一些低速度、低精度的贴片 机。这些贴片机采用纯机械式的贴片方式，贴片精度只能达到o 2 5m m ，速度只 能达到1 0 0 0 c h i p h ，而在2 0 世纪8 0 年代，日本把从美国引进s m t 技术后，并 将其广泛地应用在消费类电子产品领域，如数码相机，手机，录相机等等，并投 入大量资金，来加强s m t 生产设备的基础材料、基础技术，而且日本也在推广应 用s m t 方面做了大量的开发研究工作。从2 0 世纪8 0 年代中后期，随着半导体工 武汉理工大学硕士学位论文 艺的发展，进一步提高了对贴片机性能的要求，日本加大了s m t 在电子设备行业 的应用的力度，仅仅四年左右的时间，日本使s m t 的相关设备在计算机和通讯设 备中的应用数量增长了近3 0 ，极大的促进了日本电子行业的发展，超过了其他 所有国家，在s m t 应用方面达到了世界领先地位。 进入2 0 世纪9 0 年代以后，随着微电子行业的发展和进步，给全球经济带来 了新的契机，同时也带动了贴片机的发展。当时贴片机的最高精度可以达到 o 1 m m 左右，比7 0 年代一8 0 年代的贴片机的精度提高了3 倍以上，且采用的是 多贴装头的配置，可以满足不同类型和形式的元件。这些机器中专门采用的是机 械对中定心台，目的是为了提高贴片机的精度，这一批贴片机相对于以前的贴片 机来说进步很大，具有柔性好、多功能、效率高等特点。用于抓取元件的定心爪 和定心平台采用的均是纯机械的结构，从而定心精度不高，同时气缸应用在设备 中，对p c b 板产生很大的冲击，而且机械抓片的方式会对细小的元件引脚造成 一定损害。9 0 时代的贴片机还没有视觉传感系统，几乎还不能实现自动检测、 自动定位等功能，这都是当时学者遇到的实际问题。现如今，高性能全自动的贴 片机已经成功占据了市场的主导地位。据相关调查发现，当今主流贴片机生产公 司生产的多功能、高速、高精度、高性能贴片机基本都配备了高精度机器视觉定 位系统f 3 3 】。 相对国外来讲，国内的研制贴片机技术的能力仍然不行，国外有很多公司在 这方面都做得非常好，如德国的西门子，日本的富士、三洋、松下等，还有美国 的环球，荷兰的飞利浦，以及韩国的三星都已经研究出很成熟的产品系列，而二 十多年以来，国内只有少数的公司和企业、高校进行了这方面的研究，资料和技 术都不是很全面。 从1 9 7 8 年开始，我国才正式开始研究和开展贴片机的相关技术工作，并且 取得了一定的科研成果，这些都为后续贴片机的开发和研究提供了一定的参考价 值。 2 0 世纪9 0 年代以来，国内已经有很多企业和公司投入到贴片机的研发和生 产工作之中，例如：深圳日东、上海微电子、熊猫电子、等。其中这些公司都是 走的自主研发的道路，并销往全球各地，其中羊城科技在这贴片机方面做得很好， 取得了一定的研究成果，他们成功研制出了s m t 2 5 0 5 贴片机，反响非常强烈。 不过这与国外同类型的机型相比还存在着很大的差距，但研发经验和技术仍 然值得学习和提倡。在这之后，也有很多企业也进行了贴片机的研发工作。由于 贴片机的研究投入大、研发周期长以及技术含量较高，因此绝大多数的中小企业 对贴片机的研究工作仍然停留在样机阶段，还无法将产品进行批量生产并且应用 到生产线上去。 4 武汉理工大学硕士学位论文 我国的s m t 贴片机现状是绝大部分贴片机是从国外进口的，对于国家来讲， 国家每年要花费大量外汇从国外购买；对于企业来讲，企业订购设备的周期是比 较长的，短则2 个月，长则一年，而且国外设备商要求我国企业必须全额支付设 备款，从而加大了企业的资金使用成本，另外由于设备都是被国外垄断，他们提 供的设备维护及配件价格都是极其昂贵的，这也加大了企业在设备使用上的成 本。购买配件及维修的周期也是比较长的时间，从而影响了企业的生产计划，增 加了企业的运营成本。目前我国进口的中高档贴片机，每台设备的价格的成本都 在2 0 0 万元人民币以上，这又加大了企业的投资成本。 据数据统计，我国在2 0 0 0 年从事表面组装元器件的研发、生产以及销售的 企业有4 0 多家，他们都采用了s m t 技术，但引用的程度不一样，当时国内从国 外引进的各种类型的贴片机已有7 0 0 0 多台。随着国内经济的深入发展，近年来， 许多外企准备利用国内低成本的劳动力资源，已经陆续将一些s m t 加工厂迁到中 国，如美国的环球公司、日本的松下公司。我国在逐渐向社会主义现代化工业强 国转变，s m t 的应用还有非常广阔的市场，同时，我国也需要s m t 技术来增强我 国的综合实力，提高我国的工业自动化程度。在引进国外s m t 设备的同时，如丝 印机、点胶机、贴片机，我国也开始s m t 相关设备的研究。经过近3 0 年的发展， 我国的贴片机设备由一开始的产品设备引进，到半国产化的改造，再到国产化的 自主研究，由于近几年连续的快速发展，中国已成为世界第一的s m t 产业大国， 拥有的s m t 设备为世界之最，但数量最多并不代表国力最强，于是从2 0 0 5 年起， 我国的s m t 产业开始调整，进入一个转型期，通过这个转型期，中国希望由s m t 大国走向s m t 强国。 目前，中国不仅是电子产品的研发中心，也已经成为全球电子产品的加工制 造基地，故中国的s m t 市场需求也就成为最大市场。按应用结构来分，网络通 信、消费电子和计算机领域这三大领域对s m t 设备的应用最大。网络通信是s m t 设备最大的应用市场，特别是近几年我国的手机生产对s m t 的设备应用，网络 通信对s m t 设备的应用占中市场的百分之三十五左右的份额。其次是计算机方 面，随着全球计算机产业逐渐向中国的转移，中国显示器、n b 、p c 等已经成为 全世界的最大的生产基地，另外由于包括网卡、声卡、显卡、主板等在内的板卡 类产品对s m t 市场有比较突出的贡献，所以计算机领域对s m t 设备的应用占 总市场的百分之二十八左右的市场比例。在消费电子领域，中国的电子消费前景 很广阔，大家电和小家电都占据了相当大的市场份额，冰箱、空调的产量已经占 全球总产量的百分之七十，d v d 以及机顶盒等小家电在产量也占有很大的比重， 因此消费电子领域对s m t 设备的应用占总市场2 7 左右的份额。除这三大领域 外，汽车电子，医疗电子等占s m t 的市场份额约为1 0 。 武汉理工大学硕士学位论文 随着市场经济的发展和信息水平的提高，s m t 发展也相当迅猛。我国海关 在2 0 0 0 年才开始公布贴片机的引进的相关数据，第一年公布的贴片机引进量为 一千三百七十台。部包括二手贴片机的进口数量，我国每年引进贴片机的数量在 2 0 0 6 年以后都超过一万台，我国现在每年进口的二手贴片机已达到五千台左右。 中国已经成为全世界最重要最大的贴片机市场，中国的自动贴片机数量已经占全 球市场总数量的百分之四十五左右，所占比例非常之大。到2 0 1 0 年底，我国贴 片机的总保有量已超过1 0 万台1 3 2 。 这些年来，中国电子信息产业保持持续稳定发展，特别近几年新型电子产品 的出现，电子产品的升级必然会更新换代一大批s m t 设备，以及中央扩大内需 的政策刺激，我国消费电子制造业、计算机制造业以及通信设备制造业等将继续 保持在百分之二十五以上的增长率，从而带动s m t 贴片机市场继续快速发展。 1 3 本课题研究内容、拟解决的关键问题及研究方法 1 3 1 研究内容 l 、分析贴片机的精度要求以及横梁的运动规律，并得出高精度超高速贴片 机对横梁的具体变形要求； 2 、根据对横梁的要求初步确定横梁的材料和结构； 3 、对横梁进行建模并进行模态和瞬态动力学分析，观察它的受力及变形， 最终对横梁两端的连接方式以及横梁的横截面结构进行改进设计： 4 、对改进设计的结果进行模态分析和动力学分析，检测横梁是否满足精度 要求。 1 3 2 拟解决的关键问题 1 既要保证横梁有足够的刚度，又不能使横梁的质量太大； 2 由于横梁是由直线电机驱动，直线电机的线圈和磁铁的吸引力很大，在 设计横梁时既要保证横梁两端的刚度同时要使横梁装配起来比较简单； 3 在选择材料和确定横梁结构的时候，要考虑到加工的工艺性，尽量减少 横梁的加工成本。 1 3 3 研究方法 通过查阅相关文献，深入了解当前贴片机的国内外研究现状、结构特点和设 武汉理工大学硕士学位论文 计理念；结合本课题的实际情况，设计出一种质量小、刚度大、满足贴片机精度 要求的横梁。首先根据超高速贴片机对横梁的变形要求，初步确定横梁的材料和 结构，并用p r o e 对横梁进行三维建模，然后利用a n s y sw o r k b e n c h 对横梁模 型进行模态分析以及瞬态动力学分析，观察横梁的动态特性，最后对横梁两端的 连接方式以及横梁横截面进行改进，并用a n s y sw o r k b e n c h 对横梁改进后的模 型进行验证。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章超高速贴片机的结构形式 2 1 表面贴装技术概述 表面贴装技术( s mn _ 芝所以能够如此迅速的发展，与其具有良好的自动化生 产程度和较高的组装密度密不可分，该技术广泛应用于电路组装的过程中。$ 1 v h 技术有许多优点，如实现自动化比较容易，高密度的元器件安装，成本不高以及 生产效率高等优点。s m t 生产线主要由三部分组成，分别是锡膏印刷、贴片以 及回流焊接，其过程如图2 - 1 所示。其中s m d s m c ( 片式电子器件元件) 的 贴装是整个表面贴装工艺中很重要的组成环节，它比其他的工序难度大得多，而 且更为复杂。匦日匝日 s m t 生产线 印刷机贴片机回流焊 i 焊接后检查l 仁流蚶接i ： i 贴片检查l l j l j 、一 图2 1 基本s m t 生产线组成 在当下的经济时代，随着科学技术的不断进步，电子产品也在不断的更新换 代，它们正向着小型化、便携式的方向发展，则片式电子器件元件也同时随之 发展。很多产品均采用细闻距和多引线的方案，它们能满足很大的需求。小型化 方向指的是贴装元件外形尺寸的小型化，它所经历的历程为：3 2 2 5 3 2 1 6 2 5 2 0 2 1 2 5 1 6 0 8 呻1 0 0 3 一1 6 0 3 0 4 0 2 0 2 0 1 。贴片机是当下比较热门的电子设备之 一，它融合了电子产业的关键技术，尤其是全自动贴片的技术，该技术能降低生 产成本，提高效率。目前电子芯片一般间距很小，且引脚非常多，越来越向小型 化方面发展，贴片机的速度越来越快，精度也越来越高，但是速度和精度需要综 合在一起考虑，不能单方面的考虑，这样才能把贴片机的效率提高到最好。 2 2 贴片机的工作原理 守习 武汉理工大学硕士学位论文 贴片机是集机、光、电、气和计算机控制技术于一体的综合体，它通过贴片 头吸料，移动贴片头，计算机定位，然后放料，将s m d ( 表面贴装器件) 准确 而快速的贴装到p c b ( 印刷电路板) 板上的预定的位置。从结构组成上讲，贴 片机主要由底座、x y 轴、贴片头、p c b 板传送机构、喂料器、上位机和视觉 检测系统组成。从关键技术上讲，贴片机上所应用的关键技术有精密机械一体化 技术、视觉与图像识别技术、智能化精密控制技术、模块化及系统集成技术和高 效智能化软件技术。贴片机的实质其实是一个工业机器人，实现的功能是芯片等 一起元器件的贴装工作，要求的精度非常高 元件的对中需要贴片机在这方面要很高的精度，一般对中有三种方式，即视 觉对中、激光对中以及机械对中。贴片机的整体主要是由计算机控制系统、机架、 x y 轴运动机构( 直线导轨、滚珠丝杠以及驱动电机) 、p c b 板承载机构、贴装头、 元器件对中检查装置以及元件供料器组成， 贴片机整机的运动部分主要由x y 轴运动机构组成，通过滚珠丝杆传递动 力、由滚动直线导轨运动副实现定向的运动，这样的结构形式不仅仅使其自身的 结构紧凑、运动阻力变小，而且较高的运动精度有力地保证了各元件的贴装位置 精度1 1 8 j 。贴片机的工作流程框图如图2 2 所示。 图2 2 贴片机工作流程图 2 3 超高速贴片机的结构形式 2 3 1 贴片机的结构类型 一般情况下，贴片机分为四种类型，即转塔式、拱架式、复合式以及大型平 行系统。它们各自有各自的优缺点，什么情况下选择什么类型的贴片机取决于系 统和工艺的要求。 转塔式贴片机( 如图2 3 所示) 由于吸料动作和放料动作是同时进行的，这 种形式的贴片机的贴装速度提高很容易实现，国内转塔式贴片机应用的非常广 泛，该贴片机反映速度快，性能很稳定。但仍然有其缺点，即机械结构单一，贴 9 武汉理工大学硕士学位论文 片速度已达到了其极限，很难再继续提高。 t r ：1 3 , j i 图2 - 3 转塔式贴片机 拱架式贴片机( 又称动臂式贴片机，如图2 _ 4 所示) 的基板( p c b ) 和送料 器是固定不动的，它是通过安装于x 轴横梁的贴装头沿着x 轴和y 轴移动来完 成吸料和放料的动作。这种结构贴片机的贴片精度主要取决于定位轴x 、y 和元 件偏移角度0 的精度。 图2 _ 4 拱架式贴片机 复合式贴片机( 如图2 - 5 所示) 是转盘式贴片机和拱架式贴片机的综合体， 集中了它们的特点，在拱架上安装有转盘。因为复合式结构的贴片机可以通过增 加拱架( 也就是x 轴横梁) 的数量来提高整体的贴片速度，具有非常大的灵活 性，所以复合式贴片机的发展前景被普遍看好。 p c b 体送 图2 - 5 复合式贴片机 武汉理工大学硕士学位论文 大型平行系统( 又称模组机，如图2 - 6 所示) 由一系列的小型独立组装机组 成。各自有丝杆定位系统机械手，机械手带有摄像机和安装头。该系统有若干个 带式送料器，可以利用各安装头从其中拾取元件，并为电路板的分区进行安装。 这种类型的贴片机单个安装头的贴装速度有限，不是很高，但有很多安装头，故 贴片机整体的贴装速度很快。 i 叠目 蠖捧 图2 - 6 大型平行系统 23 2 超高速贴片机x y 轴运动机构的确定 现在贴片机上的x - y 运动机构的构成方式有三种，即由直线电机的驱动方 式、由直线导轨加同步齿形带传动的伺服电机驱动方式以及由直线导轨加滚珠丝 杠传动的伺服电机驱动方式。x y 轴运动系统能够使贴装头在x 轴和y 轴上来 回运动，从而使贴片机的贴片头可以到达指定的贴装位置，贴装头的运动非常灵 活，而且它的工作行程也非常大。它们有类似的驱动方式，均利用直线导轨做导 向，但是它们的传动方式是不同的。 图2 7 所示为s a m s 瑚gc p - 4 5 单驱运动机构，它是贴片机一个基本x - y 运动 系统，x 轴和y 轴分别利用安装在横梁和机架上的直线导轨和滚珠丝杠驱动横 梁和贴装头分别在y 轴和x 轴方向上运动。y 轴方向需要把横梁两端固定在直 线导轨上，且横梁横跨在两根导轨上，这种机构的缺点是当横粱的长度以及贴装 头的重量达到一个比较大的值时，贴装头在远离电机一端的导轨近处的移动时会 在y 轴滚珠丝杠与横梁的结合处产生一个很难平衡的角摆力矩。所以现在很多 贴片机利用两个电机同步来驱动横梁产生移动，也就是采用双电机驱动的模式， 如图2 - 8 所示。这样有利于贴片机缩短定位的时间。并且提高定位稳定性，从而 提高y 轴的精度和速度。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 9 y a m a h a 的单横梁双贴装头贴片机结构 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 0 双横粱，双贴装头贴片机结构 速度和精度是衡量贴片机性能好坏的两个重要指标。一个贴装循环所用的时 间大概为1 - - 2 s ，影响贴装速度的关键因素是x y 运动机构驱动贴装头移动时间 的长短，x ，y 向要以i2 5 m s 或更高的速度运动才能达到目前高速贴装的要求， 同时加速与减速的时间要尽量短，运动要非常容易控制，根据这种要求，需要贴 片机各个装置更灵活，质量和惯量要尽量小，从而实现最佳惯量匹配。 本课题研究的超高速贴片机是采用复合式结构来设计的，总共有两个横梁和 两个贴装头，当其中一个贴装头在吸取元件时，另外一个贴装头去贴装元件，通 过这种方式来达到提高效率的目的。 2 33 超高速贴片机x y 轴驱动电机的确定 i i 前，很多贴片机x - y 轴都是采用滚珠丝杠系统进行驱动，但是当运动速 度要求较高时，滚珠丝杠系统还存在着许多缺点。由于滚珠丝杠系统( 包括伺服 电机、传动齿轮、滚珠、丝杠、螺母、支架等) 的组成元件较多，传动链长，滚 珠丝杠又是一种细而长的非刚性传动元件，当运动速度要求较高时，由于滚珠丝 杠传动惯量太、扭转剐度低、传动误差大、摩擦磨损严重、弹性变形引起爬行等 一系列缺陷，从而影响运动平台的动态性能。 直线电机( 又称为直线马达、线性电机、直线伺服电机) 驱动与传统的旋转 伺服驱动存在较大的不同，它省出了中间的传动环节，带来了极好的刚性和稳定 性。直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需要任何中间转换机 构的传动装置。直线电机的优点主要有以下几点： ( 1 ) 高刚度 在直线电机系统中，电机被直接连接到从动负载上。因此，在电机与负载之 间，不存在传动间隙，实际上也不存在柔度。 ( 2 ) 较宽的速度范围 由于直线电机的无框部分为非接触式部件，不存在机械传动限制，因此很容 易达到极高和极低的速度。速度不受电机的限制，但是会受系统中其他部件的限 武汉理工大学硕士学位论文 制，比如直线轴承以及能够从任何反馈装置实现的带宽。直线电机通常可