（机械设计及理论专业论文）led键合机上料机构的设计与开发.pdf

摘要 本文的研究主要基于自动化高速高精度发光二极管l e d ( l i g h t e m i t t i n g d i o d e ) 生产设备键合机的运动控制、机械结构设计与动力学分析等关键技术， 根据市场需求、现行机构优缺点及工作流程控制等特点，研究设计新型高速高精 度的光机电一体化协同生产技术。分析垂直式l e d 器件和小功率三极管器件封装 设备国际技术发展的趋势，着重研究在多任务操作系统下的机构设计分析、精密 机构的机械优化设计及键合设备的可靠性、稳定性，并最终实现设备综合性能达 到国内领先、国际上有竞争力的先进水平。 本课题来自于广东省关键领域重点突破项目招标( t c 0 5 8 3 7 2 1 ) ：全自动半 导体芯片键合机。 键合机是一种复杂的高精度高速度生产机器，其较高的技术要求及大量的动 作协同不仅使设备的工作速度难于提升，而且设备故障出现率明显高于其它生产 设备，比如可能的引线框损坏、引线框中途丢失、芯片无法拾起、芯片丢失及引 线框步进错位等，这不仅让设备维护费用大大提升，也使其自动化性能严重下降。 本文结合生产现场的分析和生产高效化原则，运用机械设计优化与动力学分析， 构建新型的工艺结构，避免了目前相关机器性能的不足，令键合机加工生产成本 更加低廉。本文的主要研究内容包括： ( 1 ) 研究安全的新型引线框抓取、传送机构。结合引线框分离的要求及引线框 本身的特点，使用转动装料机构、真空吸取、微抬机构、智能识别及电机丝杆传 动分离的方式，实现引线框的大量装载、无损坏抓取、快速稳定分离和准确定位 等功能，从而大大提高引线框的分离效率。此机构在定位精度、智能化控制及机 构协调运作方面有所创新。 f 2 1 研究出料机构及摄像头机构的优化模型。出料机构的作用就是接收加工好 的引线框，它也是机器自动化的一种重要组成部分；本文在合理减少其加工成本 和操作复杂度的基础上，减少了不必要的机械动作，使其在性能与成本保持在一 个合理的界限。而摄像头机构在机械结构方面相对简单，设计的重点就是考虑机 器运行时产生的振动对其影响最小，另外其结构也必须具有良好的稳定性，以保 证在振动环境中仍然能够准确识别移动中的芯片。 广东工业大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 研究基于分机构及整机的布局优化。由于分工和设计过程考虑可能不够全 面的原因，可能存在各机构配合及位置布局问题，使装配时不协调或发生冲突， 因此需要对设计出来的机构进行全局考虑，不断完善其性能。本研究综合考虑了 各个机构的功能、衔接特点与可变更性，对关键部位进行了合理化改造。 关键词：键合机；引线框；上料机构；机构设计；真空吸取 a b s l r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e ri sr e s e a r c ho nh i 曲s p e e da n dh i g hp r e c i s i o nl e d ( l i g h t e m i t t i n g d i o d e ) p r o d u c t i o nm a c h i n ed i e - b o n d e rw h i c hb a s eo nk e yt e c h n o l o g yo f m o t i o nc o n t r o l ， m e c h a n i c a ls t r u c t u r ed e s i g na n dk i n e t i c sa n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h em a r k e td e m a n d , m e c h a n i s m sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，w o r k i n gp r o c e s sc o n t r o l ；w er e s e a r c ha n d d e s i g nah i 曲s p e e da n dh i g l lp r e c i s i o nn e wt y p ec o o p e r a t i v ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo f l i g h tm e c h a n i s ma n de l e c t r i c a li n t e g r a t i o n a n a l y z ei n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t o f v e r t i c a ll e dd e v i c ea n dm i n i - w a t tt r i o d ee n c a p s u l a t i o n p u te m p h a s i s o nm e c h a n i s md e s i g na n da n a l y s i s ，p r e c i s i o ns t r u c t u r eo p t i m i z ed e s i g n ，d i e - b o n d e r s r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yu n d e rm u l t i t a s ko p e r a t i n gs y s t e m f i n a l l yi t sc o m p r e h e n s i v e p r o p e r t i e sc a nr e a c ht h ei n t e r n a t i o n a ll e v e la n dk e e pa h e a di nt h ed o m e s t i c t h i sp r o j e c ti sc o m ef r o mg u a n g d o n g k e yf i e l d sa n dk e yb r e a k t h r o u g hp r o j e c t b i d d i n g ( t c 0 5 8 3 7 2 - 1 1 ：f u l la u t o m a t i cs e m i c o n d u c t o rc h i pd i e - b o n d e r d i e - b o n d e ri sac o m p l e xh i 曲s p e e da n dh i g hp r e c i s i o np r o d u c t i o nm a c h i n e b e c a u s eo f i t sh i g ht e c h n i c a lr e q u i r e m e n ta n dl o t so f m o t i o nc o o p e r a t i o n , i ti sh a r dt o p r e v e n te q u i p m e n tf a i l u r eo rp r o m o t i o ni t sw o r k i n gs p e e d s u c ha sp o s s i b l el e a df r a m e d a m a g e ，l e a df r a m em i s s i n g ，l e a df r a m em i s t a k et r a n s f e r ，c h i pm i s s i n go ru n a b l ep i c k u p ， t h i sw i l lh i 曲e rt h ec o s to f e q u i p m e n ts e r v i c ea n dl o w e rt h ea u t o m a t i o nl e v e l t h i sp a p e r c o m b i n ep r o d u c t i o nf i e l da n a l y s i sa n dh i g hp r o d u c t i o np r i n c i p l e s ，u s i n gm e c h a n i s m o p t i m i z ea n dk i n e m a t i c sa n a l y s i s ，r e b u i l da n e wt y p ep r o c e s sm e c h a n i s mt oa v o i dl o w c a p a b i l i t yo f p r e s e n tm e c h a n i s ma n dh i g hp r o d u c t i o nc o s t t h em a i nw o r ko f t h i sp a p e r c o n t a i n e d ： ( 1 ) d e s i g nas e c u r ec a t c h i n g & t r a v e l l i n gm e c h a n i s mo f l e a df r a m e t oc o m b i n e l e a df l a m ep r o p e r t yi t ss e p a r a t i o nr e q u k e ，u s i n gt u r n i n gu p l o a dm e c h a n i s m ，v a c u u m a b s o r b ，s l i g h tl i f t - u pm e c h a n i s m ，i n t e l l i g e n td i s t i n g u i s ha n dg u i d es c r e ws e p a r a t e t e c h n o l o g yt om a xl e a df r a m es e p a r a t ee f f i c i e n c y t h ei n n o v a t i o n so f t h i sm e c h a n i s m a r e ；h i g hp r e c i s el o c a t i o n ，i n t e l l i g e n tc o n t r o la n dm e c h a n i s mc o o p e r a t i o n ( 2 ) a n a l y z eo nm o d e lo p t i m i z a t i o no f l f - - l o a d e ra n dc a m e r am e c h a n i s m t h e f u n c t i o no f l f - - l o a d e ri sr e c e i v i n gt h el e a df r a m ew h e ni t sf i n i s hb yo t h e rm e c h a n i s m ， i ti sae s s e n t i a lc o n s i s to f m a c h i n e sa u t o m a t i o n t h i sr e s e a r c hr e d u c ep r o c e s s i n gc o s t a n dc o m p l e xo p e r a t i o ni nac o n s i d e r i n gw a y c a m e r am e c h a n i s mi ss i m i l a ri ns t r u c t u r e ， b u tt h ed e s i g nm u s tc o n s i d e rt h ev i b r a t i o ne f f e c ta n di t ss t a b i l i t y 厂东工业大学工学硕士学位论文 ( 3 ) r e s e a r c ho nd i e - b o n d e r so v e r a l la r r a n g e m e n to p t i m i z a t i o n f o rt h eu n - t o t a l c o n s i d e ro f d e s i g n i n gp r o c e s s ，t h el a y o u tc o o r d i n a t i o nm a yb en o ta sg o o da se x p e c t , t h i sp a p e ra n a l y z et h es i t u a t i o na saw h o l es ot oc o n t i n u ei m p r o v ed i e - b o n d e r sp r o p e r t y s u c h 嬲m e c h a n i c a lf i m c f i o n ，t h el i n ku pa n dc h a n g i n ga b i l i t y k e yc o m p o n e n t i m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：d i e - b o n d e r ；l e a df r a m e ；l f - - l o a d e r ；m e c h a n i s md e s i g n ；v a c u u ma b s o r b 广东工业大学工学硕士学位论空 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中卅i 包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，小包 含本人或其它用途使用过的成果。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切 相关责任，特此声明。 论文作者签 指导教师签 如杉年 第一章绪论 第一章绪论 本课题是广东省关键领域重点突破项目，投标项目名称：全自动半导体芯片 键合机；投标单位：佛山市蓝箭电子有限公司；招标编号：t c 0 5 8 3 7 2 - - l 。 l e d 键合机是属于高速度高质量的管芯焊接机器，是制造发光二级管( l e d ) 的一个关键步骤。它的基本工作原理是：首先，把一个单引线框从重叠式载具取 出并释放落入到引线引线框导轨上，此引线框条会被推动到导轨限定器并从此处 开始步进移位，此时移位器会首先把引线框导入点滴银浆的的焊位处，在对被扩 张的芯片完成图像识别处理后，焊臂会从芯片处选取一个管芯并把它贴合到焊位 上，然后会继续移动到下一个焊位直至此引线框全部杯口焊上芯片。 1 1 本课题研究的背景及意义 近几年，l e d 的发光效率增长1 0 0 倍，成本下降1 0 倍，广泛用于大面积图 文显示全彩屏，状态指示、标志照明、信号显示、液晶显示器的背光源，汽车组 合尾灯及车内照明等等方面，其发展前景吸引全球照明大厂家都先后加入l e d 光 源及市场开发中。极具发展与应用前景的是白光l e d ，用作固体照明器件的经济 性显着，且有利环保，正逐步取代传统的白炽灯，世界年增长率在2 0 以上，美、 日、欧及中国台湾省均推出了半导体照明计划。目前，普通白光l e d 发光效率 8 0 1 m w ( 流明瓦) ，专家预计2 0 1 0 年可能超过1 5 0 1 m w 。功率型l e d 优异的散 热特性与光学特性更能适应普通照明领域，被学术界和产业界认为是l e d 进入照 明市场的必由之路。为替代荧光灯、白光l e d 必须具有1 5 0 2 0 0 1 m w 的光效，且 每1 m 的价格应明显低于o 0 1 5 5 1 m ( 现价约o 2 5 5 1 m ，红l e d 为o 0 6 5 5 l m ) ，要实 现这一目标仍有很多技术问题需要研究，但克服解决这些问题并不是十分遥远的 事。按固体发光物理学原理，l e d 的发光效率能近似1 0 0 ，因此，l e d 被誉为 2 1 世纪新光源，有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光 源峨 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。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 广东工业大学工学硕士学位论文 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【2 】。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。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。 中国在半导体照明领域已具备一定技术和产业基础。与微电子相比，中国在 半导体发光器件领域与国外的差距较小。我国自主研制的第一个发光二极管 ( l e d ) ，比世界上第一个发光二极管仅仅晚几个月。据专家称，目前我国半导体发 光二极管产业的技术水平，与发达国家只相差3 年左右。通过国家科技攻关计划 等科技计划的支持，我国已经初步形成从外延片生产、芯片制备、器件封装集成 应用的比较完整的产业链，现在全国从事半导体发光二极管器件及照明系统生产 的规模以上的企业有4 0 0 多家，产品封装在国际市场上己占有相当大的份额。发 展半导体照明产业能够发挥我国的比较优势。半导体照明产业，特别是位于产业 链f 游的芯片封装和照明系统产业，既是一个技术密集型产业，又是一个劳动密 集型产业，其难度和风险都大大低于微电子产业。发展半导体照明产业，能够充 分发挥我国的人力资源优势，带动相关产业，并增加出口，吸纳就业【3 】。随着政 策的扶持和资金、技术的到位，国内厂家大有可为。 半导体发光二极管、三极管生产包括前后两道工序，前工序( f r o n te n d ) 是 指芯片扩散、快速热处理、硅片处理等过程，后工序( b a c ke n d ) 包括芯片切割、 芯片键合、焊线、封闭、测试、包装等工序，其中焊线设备涉及极高的制造水平， 目前辆尚难突破，而芯片键合机定位精度比前者相对宽松，以芯片键合机作为突 破口，逐步实现半导体生产专用设备的国产化，对整个半导体行业的发展具有深 远意义。 全自动半导体芯片键合机是半导体发光二极管、三极管后工序生产线关键设 备之一，主要由送料系统、粘晶系统、芯片供给系统、出料系统以及芯片检测系 统几大部分组成。国外一些大公司如日本n e c 公司、瑞士e s e c 公司、香港a s m 公司以及韩国的s a m s u n g 等大公司都连续推出各自特色的全自动半导体芯片键 合机。每台机器都在1 0 万美元左右。经过研究，这类机型关键技术采用了先进 的检测和定位技术，配合调整高精度的焊头运动系统和芯片供给系统达到高速、 高产、高质和高可靠性的目的。国外的厂商为了保持竞争力，对核心技术都实行 第一苹绪论 了严密的技术封锁政策，目前该类设备主要依靠进口，耗费大量的外汇，因此我 们更要投入资金、人力进行科技攻关。 1 2 国内外研究现状 近几年日本、台湾发光二极管封装厂为了扩大产量，降低成本，增加市场竞 争能力，纷纷在大陆设厂，带动了辆发光二极管封闭设备的需求量，由于发光二 极管市场价格不断下降，使发光二极管封装厂商纷纷不断寻求低价格设备来满足 生产，甚至用手动简单的方法满足生产，生产设备的本土化迫切需要，据初步了 解，国内从事发光二极管产业的单位超过4 0 0 家，2 0 0 4 年产量约3 0 0 亿只，但由 于自动化生产设备完全依赖进口，价格较高，小型企业由于资金上的问题只能依 靠手动或半自动设备，严重制约了企业的发展，预计点浆型全自动发光二极管芯 片键合机每年市场需求量在2 0 0 台以上，随着中国半导体照明产业与市场的高速 增长，高质量的发光二极管的需求量不断增加，为发光二极管封装设备的需求提 供了良好的外部环境和巨大的发展空间，在未来的几年中中国发光二极管封装设 备市场存在着巨大的商机。具有优良性价比的国产发光二极管生产设备必将受到 国内企业的青睐 5 1 。 近几年电子行业以3 0 以上的高速增长，拉动半导体三极管行业的发展，造 成半导体三极管产品供不应求，欧美、日本、韩国及台湾基本将工厂转入国内， 东南亚的生产规模也逐步被国内取代，同时，国内新兴的半导体生产厂商为国产 自动半导体芯片键合机的产业化提供了难得的机遇。 全自动半导体芯片键合机是半导体三极管生产必不可少的设备，其需求也将 随半导体行业的发展而增长，因而具有广阔的市场及发展前景。目前自动化半导 体芯片键合机主要由香港a s m 及日本韩国少数败家供应商垄断，价格昂贵。 国内全自动芯片键合机研制尚处于起步阶段，三极管、l e d 生产设备是调整、 高精度和高可靠性的光机电一体化系统，其制造工艺与精密程度极高，目前只有 少数败家机构在进行一些尝试性研究，比如4 5 所，华南理工大学在软件方面已作 了相应的研究工作，特别是基于图像处理的高速高精度芯片检测系统、视觉伺服 的多任务协调与优化系统的研究，但要进行产业生产研究院所还必须与熟悉生产 工艺的企业进行合作，强强结合，形成技术互补，通过产学研联合，来进行设备 攻关，参与各方要形成责任与风险共担、利益共享的机制，带动整个光机电产业 的发展。 广东工业大学工学硕士学位论文 l _ 3 键合机上料机构的设计流程及研发难点 用于垂直式l e d 器件的芯片键合机采用点浆键合工艺，主要通过研究点浆工 艺的原理和特点，设计出适合垂直式l e d 器件生产的整机工艺方案【6 。 产品目标设想 可行性论证技术经济分析 总体功能、指标确定 方案设想 系统分解、功能分解 总体方案形成 方案及关键技术实验 分系统初步设计及接口设计 评价与审定 工程设计 工艺审定 试制与调试 总体性能测试 生产设计 图l - 1 现代机械系统设计基本步骤 f i g 1 - 1s y s t e md e s i g np r o c e d u r eo f m o d e mm a c h i n e r y 本项目涉及光电检测、运动控制、路径规划、图像处理等多个前沿学科，是 综合多学科的系统工程。首先需要确定将各个子系统整合起来的开发平台。l i n u x 作为一种开源的操作系统具有真正的3 2 位处理能力，稳定性高且价格低廉，用户 可以获得大量的源，并且根据系统的需要进行适当的裁剪。此外，l i n u x 操作系统 第一苹绪论 还支持大量的硬件体系结构和外围设备，已经具备了优秀的开发高度和大量应用 软件，是适合的软件发展平台。在设计方面，本文遵循了图1 一l 的设计步骤。 1 3 1 键合机的工作流程分析 用于垂直式l e d 器件的芯片键合机采用点浆键合工艺，主要通过研究点浆工 艺的原理和特点，设计出适合垂直式l e d 器件生产的整机工艺方案。 利用键合机本身工艺的特点和相关类似的生产设备共同点，兼顾其它相同的 一些辅助工艺( 比如芯片平台、顶针机构、主轨道步进机构等) ，设计出整机的 细化工艺方案m 。 图1 - 2 键台机的工作流程 f i g 1 - 2w o r k i n gp r o c e s so f d i e - b o n d e r 1 3 2 键合机的设计要求 结合多种类似产品的结构和芯片键合的特点，根据辆精密机械加工条件设计 合理机械结构，满足批量生产要求。 f 1 1 设计出适合不同引线引线框的上料和收料机构； ( 2 1 如何实现传输定位机构要求传动加速度大、走动停止平稳、定位精度高的 要求； f 3 1 点浆工艺中，研发合适的机械结构满足所需点银浆量的一致性； ( 4 ) 芯片台高速移动和精确定位： f 5 1 芯片拾取键合机构是芯片键合机的核心部件，键合臂质量要轻，运动高速 平稳，定位精确以及焊头压力的控制； e 广东工业大学工学硕士学位论文 f 6 1 顶针机构的项针与顶针帽中心孔同心度要求极高，但由于在加工和装配过 程中产生不可避免的误差，如何消除此误差对芯片拾取所产生的影响也是研究的 重要内容之一。 1 3 3 似解决的关键技术 ( 1 ) 准确切换引线框。切换引线框时，上料机构的大轴要转动6 0 0 ，此时的定 位是关键，它决定了挂载的引线框是否处于水平状态。 ( 2 ) 在分离引线框时，吸嘴要产生足够的吸力，就必须使吸嘴表面足够光滑， 同时引线框的实心部位刚好处于吸嘴的中央并贴紧吸嘴，这就要求机械部分保证 精度及结构的合理； ( 3 ) 松料机构在松料的时候，还需要感应料架上是否有料，此时处理气缸的行 程要特别注意，在满足感应到引线框时又能不使引线框变形过大； ( 4 ) 出料部分使用了三根轴带动，有产生过大摩擦力的趋势，变形问题也是必 须考虑的； ( 5 ) 如何控制好摄像头部分的稳定性是很关键的，不然会对图像的识别产生较 差的影响。 ) 整机的合理布局。整机设计基于整体结构考虑及各功能机构的具体设计的 综合结果，在各个功能模块的相互配合、稳定性保障方面都需要非常细心。 1 4 本文的主要研究工作 本课题的的研究是采用理论联系实际，基于现行键合机的市场现状，深入分 析目前国内各类键合机生产的情况，对比它们的优点及缺点，然后结合行业发展 状况及自身的理论知识，开发出一种易用、高效、及低成本的l e d 键合机：它具 有高速度、高精度、自动化的特点。由于分工的原因，本文主要研究内容如下： ( 1 ) 上料机构设计与分析；它又可以分为三大机构：前方转动换料机构，吸取 分离机构和前轨传料机构： ( 2 ) 出料机构； f 3 1 摄像头机构； 整机布局优化。 为了使设计出来的各个机构其功能、成本及自动化程度得到尽大的提高，针 对以上各个机构的功能，本文研究的设备将具备如下特点： 第一章绪论 ( 1 ) 对于上料机构，可以稳定高速地切换引线框； ( 2 ) 由于多样化要求，上料系统需要设计成可调节机构，以适应不同长度的引 线框： ( 3 ) 在分离引线框机械中真空吸气孔可以准确对准引线框实心部位，吸气口能 与引线框紧密结合，使引线框能准确稳定地吸附在吸嘴上，并被传送； ( 4 ) 前轨能准确检测到掉落到里面的引线框，推动杆可以准确推动引线框送到 主轨道的合适位置； f 5 ) 出料机构能准确地对准引线框拨出点，切换料盒方便快捷； ( 6 ) 摄像头机构在满足x ，y ，z 轴方向可调的基础上，在振动的条件下保持稳定 不漂移。 7 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章键合机的工作原理与整机方案 2 1 引言 全自动l e d 键合机是集机、光、电、气于一体的高速度、高精度、高智能化 设备，主要用于焊接各种l e d 产品，是l e d 生产过程中的关键设备，其性能的好 坏直接影响到所生产l e d 的性能、生产效率和产品的合格率。全自动l e d 键合机 是由上料机构、出料机构、点浆机构、送料机构、晶圆芯片供送系统、刺晶系统、 键合机构及电气控制系统、图像识别系统、软件系统等组成。整机工作所需的原 料包括引线框、银浆和l e d 芯片。 图2 - 1 键合机实物图 f i g 2 - 1m a t e r i a lo b j e c to f d i e - b o n d e r 随着键合机技术的不断发展，全自动化键合机的性能在多个方向上出现了极 大的提高，其特点有如下： 第一，效率高，自动化程度高。其粘片周期超过3 0 0 毫秒，即每秒完成3 次以 上的粘片动作，运动频率高。整个运动包括三维点胶、二维拾片粘片、二维芯片 台、二维传输夹持和图像处理。每个粘片周期由十几个点到点的基本运动单元组 成，每秒完成几十个这样的运动。摆臂最大加速度极大。 第二，整机动作复杂。有十多个电机，其中大部分为高速大力矩伺服或步进电 机。在一个粘片周期内有多达十几个电机在同时运动，因此每个电机的运动时序分 第二章键台机的工作原理与整机方案 配、运动脉冲、加减速度曲线、信号反馈等巨大数据处理都必须在粘片周期内有 条不紊的完成，以保证机器运行的稳定。 第三，运动的精度高。整机中有多个关键电机的分辨率达到微米级，用以控制 直径约8 英寸的芯片台和传输台。 第四，运动有高可靠性。一般的封装键合设备必须可以2 4 小时不问断开机， 操作系统软件的成熟化和各元器件的高可靠性、高质量是保证该设备稳定运行的 关键指标。 本设备设计调试预期达到的各项技术指标如下： ( 1 ) 产能： = 8 0 0 0 u p h ； ( 2 ) 置片精度：x y + 7 0 p m ，0 9 9 9 ； ( 8 ) 压缩空气：o 5 一o 6 m p a ； ( 9 ) 真空： 4 m + g “1 ) f 。为引线框与吸取器的相互作用力，此力由吸口内外压力差引起，p * 为外 界大气的压力，p 为真空腔内的压力，s ，为相应吸口的面积，f # 为相应压力下引 线框与吸取器的竖直方向摩擦力，“为摩擦系数，m 为引线框质量，g 为重力加速 度n ”。 确定了吸口形式后，为了实现相应的功能，本研究使用了如下的整体方案， 见图4 - 8 所示； 图4 - 7 整体设计解决方案何图 f i g 4 - 7s o l u t i o no f w h o l ed e s i g n 图号说明：1 ，吸取器运动方向；2 ，吸取器前端；3 ，引线框：4 ，引线框支 撑架。 在图4 - 7 的右边，固定着一对支撑架，支撑架穿插于引线框的两个宽为2 m m 的缺口中，使引线框处于直立悬挂状态，左边为可控制移动的吸取器前端，吸取 器可在如图所示的方向来回运动。当前方有引线框并得到取料命令后，吸取器向 前运动，当传感器感应到引线框贴住吸取器的吸口时，马上通知真空系统打开真 3 0 第四章键台机上料机构的结构设计与分析 空，依靠吸口内外的压力差使引线框吸附在吸取器上，然后吸取器退到合适的位 置释放引线框让机器进入下一步动作。 4 2 4 吸取端的运动受力分析 本机构最关键的是吸口部分的设计，图4 - 5 为选用的方案。由于自动化生产 的要求，吸取器前端留出两个缺口位置用于安装传感器，用来感应是否吸取到引 线框。另外为了减少各吸口漏气时对其它部分的影响，选用了处于同一个水平线 的四个长方形吸口。显然，吸口的宽度不能超过l m ，不然无法吸住引线框中宽度 只有l m m 的筋，考虑到机械装配精度及成本的影响，经过实际测试表明，吸口的 宽度为0 4 m m 的方形明吸取效果最好；也就是说，理论对准偏差上下不可超过 0 3 咖，这样才不会出现漏气导致无法吸住引线框。从图3 - 1 中可以看出引线框外 围面积较大，吸取的部位宽度只有1 m ，而引线框又有一定程度的弯曲，针对这个 问题本设计让吸口这一区域突起0 3 m m 。为了避免引线框掉落下来，除选择更大功 率的真空泵和加大吸口的吸取力外，增加引线框与吸取器的摩擦系数也相当重要， 经过试验证明，打磨处理是一个有效的方法，在合适的打磨条件下，它增加的摩 擦力远大于由于表面不平滑而产生的漏气吸力损失。 下图为此吸取前端吸到引线框时的受力图： 、 ：= = 接 细节 图4 - 8 吸取端面受力分析 f i g4 - 8f o r c ea n a l y s i so f s u c t i o np o r t 要顺利吸取出引线框，悬挂引线框的机构也是重要的，本机构要实现两个目 的：可以一次性装载大量引线框；保证引线框处于竖直状态；取出过程中引线框 受尽量少的摩擦力或不受阻碍。图4 - 7 为基于此原则的设计简图。支撑架从两端 缺口支撑着引线框，选用的材料是铬1 2 ，的厚度为1 4 m m ，这样即保证了支撑架的 广东工业大学工学硕士学位论文 强度，引线框又有足够的自由空间；移动过程中支撑架是可能与引线框接触的， 镀铬的支撑架表面可以有效减少摩擦力；为了方便安装引线框及取出时平稳过渡 支撑架前端加工成扁平而有导角。根据此分析，本文的吸嘴设计了如下参数的吸 嘴： 1 85 8 “4 5 。( d a nn 伊 坠d a 3 。 ， _ il ，h 。l i 一 。4 c o l龠十 廷陟 稍悠 劳虱上 l 查袖 4 “广 柚 6 i | 0 、c 一6 - 1 04 士l0 i2 0 1 一一l i 一 图4 9 吸嘴工程图 f i g 4 - 9 t h e d r a w i n g o f s u c k p o r t 理论可靠性分析：根据真空吸取相关公式，吸口极限真空吸取力为 f j - - n g = k g a p a ( n ) ( 4 2 ) 其中g 为工件( 引线框) 的重力；k 为有效真空吸取力系数，取k = 0 8 ：a p 为真空表压值：a 为吸口的有效工作面积；c 为换算系数；n 为吸取器吸口的安全 系数，为了机器工作稳定性需要，选用较大值4 。 由于吸取力与引线框重力方向垂直，还必需计算摩擦力与重力的关系： k 鹕 _ 4 c 斟m g ( 4 3 ) 可满足设计要求。 f * 是引线框所受摩擦力，肛为压力系数，m 为引线框质量，g 为重力加速度。 根据以上公式，计算并选择相应的真空泵和吸口有效面积m ，。计算数据见表4 1 。 第四章键台机上料机构的结构设计与分析 表4 - l 吸料实验数据 t a b 4 1t e s td a t ao f s u c t i o n 真空泵压差吸口有效面积 真空吸取力摩擦力引线框自重4 倍 a p snf f # ( 4 m g ) 1 5 x 1 0 一p a2 0 m m 2 0 3 n o 1 2 n0 2 4 n 4 5 x 10 一p a2 0 m m 20 9 n 0 3 6 n0 2 4 n 6 o x l 0 4 p a2 0 r a m 21 2 n0 4 8 no 2 4 n 从表4 一l 可以看出，在确定了最优的吸取面积及相应的摩擦系数后，真空泵 压强差选用4 5 x 1 0 4 p a 及6 0 x 1 0 p a 均可满足f 擦2 ：嵋 _ 4 c 爿m g 的要求，也就是说 两种真空泵的选用均能有效吸起引线框。从成本考虑，优先选用压力差为4 5 x 1 0 4 p a 的真空泵。 4 2 5 吸取端的通气与密封 由于此吸取器前端设计的增加了传感器位置，通气孔的位置被分离成了三块 非直线连接的真空吸口，这让与之配套的用于空气传输零件的设计出现了困难， 它们体现在： ( 1 ) 吸取端面积有限，需要同时考虑气体通道的宽度和预留出合适的位置安装 密封圈； ( 2 ) 原本有限的面板由于左右两个传感器缺口更让可利用的气道的面积大幅 减少； ( 3 ) 安装螺孔在侧面占用了部分位置； ( 4 ) 由于真空吸取的特殊性，还必须在通气孔外围加装环绕密封圈，其空间需 求极大。 基于这些特殊的要求，本研究经过多次分析平衡，设计出了如下的通气面板， 见图4 一l o 。 广东工业太学工学硕士学位论文 传感器空位( 2 个) 气压源 自封闭密封槽 安装孔( 4 个)隔离筋( 密封槽与真空通道之间) 图4 1 0 通气口的设计 f i g 4 - 1 0t h ed e s i g no f a e r a t i o nm o u t h 从图中可以看出，当选用直径为2 m m 的密封橡胶后，为了充分增加吸取力， 空气通道与密封槽所占用的面积几乎达到了极限，密封槽与边缘的最小距离为刚 好满足要求的o 5 m m 厚，隔离通气口与密封槽的隔离筋最薄处也只有0 5 m m 。 4 2 6 传动部分运动受力分析 由于装料机构设计的特殊性，吸嘴在工作时必须移动较大的距离才能有效吸 取各个位置的引线框，这就关联到几个关键标准件的选择：直线导轨、滚珠丝杆 和吸嘴支撑板一。见下图4 1 1 。 图4 - 1 1 吸取端设计及受力分析 f i g 4 - 11d e s i g na n df o r c ea n a l y s i so f s u c t i o nf u c t i o n 通过计算，落料位置到取料位置的最大距离约为d = 1 4 9 r r r a ，考虑到滑块两 端面的距离l 1 约9 8 r i m a ，直线导轨的长度l 就必须超过1 4 9 r r r a + 9 8 r m _ f 2 4 7 n m a ； 因此本文选用最适合本机构的长度为3 5 0 r a m 的标准导轨s t z l f l 4 3 5 0 。综合以上 及其它条件，通过p r o e 建立实际模型 名，本机构的设计中可能存在一个问题 并测量得图示参数l ：长度为2 5 4 n m a 。显 材料为铝合金的支撑板空悬端距离过长， 第四章键合机e 料机构的结构设计与分析 在长力臂的作用下，支撑点的受力将被成倍放大，因此必须考虑如何减少吸嘴部 分的重量并计算主要受力点中材料强度硬度是否达到要求。机械设计中常用的减 轻重量方法有：a 、使用轻质材料代替常用材料，b 、对机构的零件进行精细化设 计，c 、简化机构的附加功能；本设计也是基于这一原则进行改进的，包括使用铝 合金代替钢，吸嘴的各零件均精心选用更加轻薄的零件。另外根据动力学分析上 图得知： e _ e + e ( 4 4 ) 当以e 为支点时，又有如下关系式： 耳【1 - e k ( 4 5 ) f ，实际为支撑板及其右端所有材料的重力和，根据材料的密度及体积计算得 e 2 g 总z 2 4 5 n ；在公式( 4 5 ) 代入上l 、2 的值得e “6 3 5 n ；由公式( 4 4 ) 又可 知e * 2 4 5 n + 6 3 5 n = 8 8 ( ) n 。为了确认本机构中的铝合金具有足够的承受能力，本 设计加厚了铝质支撑板的厚度致1 0 m m ，并尝试在施力点e 处再增加外力2 0 n 测试 其机械强度，实验表明，在长时间的超常压力下，当卸去多余的外力时，铝质支 撑板仍然能恢复到其原始工作位置。因此本机构符合实际使用要求。 4 3 装料分机构的分析 从上述整体设计方案中已经可以看出装料机构的大体模型，但为了详细表述 它的工作原理及设计思路，下文将对其重点分析。 4 3 1 设计概述 装料机构的目的就是把大量的引线框安置在适当的位置，以方便吸料机构顺 利地分离它们，它的主要要求就是：保持引线框处于直立且其它约束力尽量少， 引线框一次性可以大量装载，装载引线框的方式简单可靠，装载机构还必须有自 我感应能力，当引线框使用完后可以有效反馈信息给系统。 依据以上的要求，本文给出了如下的方案，它是由带有六对支撑架的可转动 轴心组成，处于水平方向及其上方的支撑架都可以装载引线框，转动是由一交流 电机驱动，引线框穿插并悬置于支撑架上；在轴心，设置了有定位机构，当执行 换料动作时，气缸向下拉下，电机带动转轴转动6 0 。停止，同时下方的气缸就抬 起卡在转盘的两个凸轮轴承随动器中间，使带有新引线框的支撑架固定在吸取料 广东工业大学工学硕士学位论文 片的位置，从而实现换料动作。为了适应不同长度的引线框，安装于轴上的支撑 架是可以在轴方向上自由移动。在取料位置下方，还增加了一个松料机构及感应 开关，目的是使叠放在一起的引线框在此力的作用下出现一定的分离，在振动过 程中，施力机构上附带的传感器可以判断其上方是否存在引线框。 图4 1 2 垂直式装料机构平面简图 f i g 4 - 1 2t h es c h e m a t i co f v e r t i c a lu p - l o a d e r 图4 - 1 3 垂直式装料机斜视简图 f i g 4 - 1 3g e n e r a lv i e wo f v e r t i c a lu p l o a d e r 第四章键合机上料机构的结构设计与分析 图号说明：1 ，交流电动机： 2 ，转动轴；3 ，支撑架；4 ，凸轮轴承随动 器；5 ，支架；6 ，定位气缸；7 ，定位销；8 ，松料气缸；9 ，松料和感应机构； l o ，真空吸嘴；1 1 ，底板。 转动轴( 2 ) 、安装板( 3 ) 和凸轮轴承随动器( 4 ) 是固定为一体的；转动轴( 2 ) 依 靠定位销( 7 ) 与两边的凸轮轴承随动器( 4 ) 的作用力而固定；定位销( 7 ) 可在定位气 缸( 6 ) 的作用下上下运动；机构( 9 ) 可随松料气缸( 8 ) 上下运动；吸嘴( 1 0 ) 能产生真 空吸力。 如图4 1 2 和图4 1 3 所示，转动轴上安装有多个安装板，处于水平及其上方 的安装板均可装载支架，这样就大大增加支架的一次性装载能力：由于支架是悬 挂在安装板上的，本身受力相当小，避免了支架的变形；定位气缸、定位销和凸 轮轴承随动器可实现了转动轴的精确定位，使工作位置的支架保持水平状态；松 料气缸作上下运动松料支架，同时安装在此机构上的感应器可识别是否存在支架， 提高自动化程度：吸嘴通过真空吸力分离支架，由于作用力不大且接触处为面， 因此不存在引起支架变形的力。 4 3 2 装料机构受力分析 装料机构是整个上料机构的设计成败的关键，因为只有引线框在整机运行时 保持严格的运动精度才能给吸料过程提供一个可预测的结果，具体来说就是不管 装料机构如果转动换料，新的引线框都必须保持在同一高度，另外六对支撑架都 需要处于同等的距离以避免引线框在吸取过程产生卡位现象。 在此机构的各个精度控制方面，最重要的一点就是保证换料时电机转动一定 角度后，新的支撑架与原来工作的支撑架位置重合且处于水平状态，而此处的精 度保证由下面的设计解决，见图4 1 4 。 广东1 1 k 大学工学硕士学位论文 罔4 1 4 转动盘定位机构设计 r i g4 - 1 4t h ed e s i g no f r o t a t i o nm e c h a n i s m 图号说明：1 ，定位