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文檔簡介
需要購買對應 紙 咨詢 14951605 買對應的 紙 14951605 或 1304139763 言 、電、氣于一體的高速度、高精度、高智能化的設備 , 也是 其性能直接影響到所生產(chǎn) 產(chǎn)效率和產(chǎn)品的合格率。全自動 料機構(gòu)、點漿機構(gòu)、送料機構(gòu)、晶圓芯片供送系統(tǒng)、刺晶系統(tǒng)、粘片機構(gòu)及電氣控制系統(tǒng)、圖像識別系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等組成 前可制作的晶圓最大直徑已達 300圓進一步經(jīng)過劃片、擴晶后,單個的芯片便以行列的形式粘覆在一個膠膜上,為便于拾取芯片,常用一個特制的 圓環(huán)將膠膜繃緊固定。晶圓芯片供送系統(tǒng)即是一個用于連接此晶圓固定圓環(huán),可在 x, 它的主要功能是將晶圓上排列地芯片逐行逐列的送到 吸晶、刺晶)位置處。晶圓供送裝置要求各運動件剛度高,相互摩擦小,配合精度高,能夠滿足小步距、大行程的要求,且具有微調(diào)和裝卸方便的特點。 題來源 “ 失去制造,失去未來 ” 的認識如今已成為全球的共識,在 21世紀的國力競爭中,發(fā)達國家將制造列為戰(zhàn)略發(fā)展的優(yōu)先領域,搶占制造技術的制高點更是各國的戰(zhàn)略必爭。 中國是個制造大國正在向制造強國轉(zhuǎn)變,在微電 子行業(yè)無論是消費市場還是裝備制造基地都在向中國轉(zhuǎn)移,中國正在成為制造大國和消費大國。 微電子技術經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展,在其產(chǎn)業(yè)內(nèi)部形成了自己特有的產(chǎn)業(yè)分工:材料制備、前道工藝和后道工藝。作為微電子技術發(fā)展的基礎,材料制備早就發(fā)展的比較成熟,而在信息技術、控制技術等新技術的發(fā)推動下,前道工藝的相關技術也如日中天,日漸成熟,例如晶元的不斷擴大等。但相比較而言微電子制造的后道工藝技術才剛剛起步,或者說相對而言發(fā)展不是很成熟,因此有必要在微電子制造后道工藝方面做一些技術研究和改進,以適應當今世界對微電子產(chǎn)品的需求。 在半導體封裝領域, 中 稱粘片過程)在封裝工藝中占有極其重要的地位。目前而言國內(nèi)的廠家所用的設備大部分都來自國外, 內(nèi)廠家即使能仿制一些型號的產(chǎn)品,但是精度不急國外產(chǎn)品的二分之一。但慶幸的是這項技術也還在發(fā)展中,如果加以足夠深度的研究完全可以打破國外的壟斷。 在對微電子制造技術做出簡單分析之后即可知道,作為極端制造技術的分支,微電子制造技術存在著高效、高速與精密之間不可調(diào)和的矛盾, 樣面臨此問題。要解決此問題必須對 現(xiàn)在市場主流產(chǎn)品 全自動 研究發(fā)現(xiàn)芯片拾取機構(gòu),即固晶臂在整個粘片工作過程伴隨著高速、高效、精密的特點,它是全自動 是 是解決 高速 和 精密 這對矛盾的關鍵所在。本課題來源于工程實際,以 腳點在于解決半導體制造裝備中高速度與高精度之間的矛盾。 1 緒論 無錫太湖學院學士學位論文 2 題背景 封裝技術的國內(nèi)外發(fā)展狀況 內(nèi) 裝產(chǎn)業(yè)的發(fā) 展狀況 半導體照明技術采用半導體發(fā)光二級管( 為新光源。在同樣的亮度下,半導體燈的耗電量僅為普通白熾燈的 1/10,而壽命卻可延長 100倍。此外,由于 導體燈輻射很低,熱量很小,而且廢棄物可以回收,無污染,被稱為綠色光源。因此近年來,美國、日本、韓國、歐盟等國家和地區(qū)都在制定相關的發(fā)展計劃以搶占半導體照明產(chǎn)業(yè)的制高點。 半導體照明也引起了我國相部門的高度重視。由科技部,信息產(chǎn)業(yè)部等 6部委和 14個地方政府共同實施的 國家半導體照明工程 相關項目已經(jīng)正式啟動。另外國 家還設立了 半導體照明產(chǎn)業(yè)化技術開發(fā)專項 ,以產(chǎn)業(yè)化為目標,解決市場急需半導體照明應用產(chǎn)品低成本產(chǎn)業(yè)化技術,培育新型大功率半導體照明產(chǎn)業(yè),重點在大功率、高亮度半導體發(fā)光體芯片制造及封裝產(chǎn)業(yè)化,照明系統(tǒng)技術及重大應用產(chǎn)品開發(fā)等倆各個方面。 我國 前從業(yè)企業(yè)已超過 400多家,封裝能力超過 200億只,預計在今后我國在 0%左右,封裝規(guī)模生產(chǎn)線及設備的需求將會劇增。但我國的封裝產(chǎn)業(yè)中存在很多問題,一是企業(yè)雖有所增多但生產(chǎn)線規(guī)模很小,還有很大一部分企業(yè)是手工或者說 半自動生產(chǎn)作業(yè),產(chǎn)量也有限;二是產(chǎn)業(yè)綜合競爭力不強產(chǎn)品都集中在傳統(tǒng)支架式 是主要封裝設備像全自動粘片機、引線焊接機測試機、編帶機等幾乎全部依賴進口,即使有一小部分企業(yè)在做封裝設備的研究,但是主要還是通過測繪國外儀器進行復制,精度差,效率低;四是 前而言我國的封裝技術及設備發(fā)展水平還不是很高。 目前國產(chǎn)設備領域 的初期階段,各廠家都在使用 備昂貴,企業(yè)壓力大。但是近年來也有不少單位、企業(yè)在這方面做出了努力,為 如四十五所也能獨立自主的生產(chǎn)高水平的全自動粘片機;另外在廣州深圳等地方也有幾家企業(yè)能夠獨立自主的研發(fā)相關設備。 自動 片機的國外發(fā)展狀況 國外全自動 外我國的香港,馬來西亞也有 生產(chǎn)的 份額,其技術形式也基本代表了 內(nèi) 業(yè)的發(fā)展狀況 目前國內(nèi)的生產(chǎn)廠家在線的 00 臺以上 , 我國 量從 2000 年 84億只增加到 2003年的 200億只 , 平均每年新增粘片機在 100臺以上 , 業(yè)內(nèi)預計 2004 年 量可突破 300億只 , 新增粘片機將會在 150臺以上。未來 5 年內(nèi) ,將是 業(yè)大發(fā)展時期 , 中國將會成為世界 這將會有一大批規(guī)模 ( 年產(chǎn) 10億只以上 ) 型企業(yè)誕生 ( 注 : 我國目前只有兩三 家年產(chǎn) 5億只以上的企業(yè) ) 。 需要購買對應 紙 咨詢 14951605 3 展方向與前景 一個固晶周期包括固晶,提升,抓取,旋轉(zhuǎn),下降,粘片以及回復動作。國家對環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品的支持,國際市場對節(jié)能產(chǎn)品的追逐,必將迎來 業(yè)將在提高效率方面下大功夫,效率的提高必定大大提升產(chǎn)能。針對國際市場上的 00在新研究的粘片機推出的理論周期值在 160展前景會非常的好。 自動 片機的主要結(jié)構(gòu)及工作原理 合了圖像處理、模式識別、光電檢測 、控制理論、機電一體化等多門學科的知識理論。但是整機的設計是在固晶臂(用于粘片的核心部件)設計研究基礎上進行的,所有的軟件、電氣、控制部件、機械部件的設計都是圍繞固晶臂的設計而展開的。 圖 1.1 整個工作過程在圖像識別系統(tǒng)的監(jiān)控下進行,通過控制系統(tǒng)對傳輸機構(gòu)的控制配合點膠機構(gòu)及拾取粘片機構(gòu)的工作。工作流程如下圖 無錫太湖學院學士學位論文 4 圖 現(xiàn)有的比較高端的粘片機固晶臂回轉(zhuǎn)時,峰值加速度達到 79g,峰值速度達到 12m/s, 封裝度的達到 5次 /s。另外,由上圖可見 是 裝工藝流程簡述 裝工藝流程如下所述: (1) 排 支 架 前站 : 擴晶 溫度 : 調(diào)整 50氏度 預 熱 十 分 種 擴 晶 時 溫 度 設 為 65氏度。 (2) 點膠 調(diào)節(jié)點膠機時間 :氣壓表旋紐 要調(diào)節(jié)點膠旋紐使出膠標 準。 冰箱取出膠 , 解凍三十分鐘 , 安 全 解 凍 后 攪 拌 均 勻 (20鐘 ) 銀膠 高 度 在 晶 片 高 度 后 1/3 以下 ,1/4 以上 , 偏心距 離 小 于 晶 片 直 徑 的 1/3. (3) 固晶 固 晶 臂 與 固 晶 平 面 保 持 30 . 直 至 壓 到 臂 尖 頂 部 。 固 晶 順 序 從 上 到 下 , 從 左 到 右 。 用 固 晶 筆 將 晶 黏 固 到 支 架 , 腕部 絕緣膠 中 心 。 (4) 固晶烘烤 烤 溫度定 150 攝氏度 時后出烤 (5) 一 般 固 晶 不 良 品 為 : 固騙、固漏、 固斜、少膠、多晶、芯片破損、短墊 (電極 脫落 )、芯片翻轉(zhuǎn)、銀膠高度超過芯片的 1/3( 多膠 ) 晶片 粘膠 焊點粘膠 (6) 焊線 機太溫度為 170氏度 單線 :220 度 雙線 :180 度 需要購買對應 紙 咨詢 14951605 5 焊線拉力 715g 焊線 弧度 高 于 晶 片 高 度 小 于 晶 片 3 倍 高 度 焊 點 全 球 直 徑 為 全 線 直 徑 的 2 . 焊 點 應 用 2/3 以 上 電 極 上 注 :一般焊線不良品 : 晶片破損 掉晶 掉晶電極 交晶 晶片翻轉(zhuǎn) 電極粘膠 銀膠 過多超過晶片 銀膠過少 (幾乎沒有 ) 塌線 虛焊 死線 焊反線 漏焊 弧度高和低 斷線 全球過大或小。 (7) 補充說明: 擴晶,把排列的密密麻麻的晶片弄開一點便于固晶。 固晶,在支架底部點上導電 /不導電的膠水 (導電與否視晶片是上下型 后把晶片放入支架里面。 短烤,讓膠水固化焊線時晶片不 移動。 焊線,用金線把晶片和支架導通。 前測,初步測試能不能亮。 灌膠,用膠水把芯片和支架包裹起來。 長烤,讓膠水固化。 后測,測試能亮與否以及電性參數(shù)是否達標。 分光分色,把顏色和電壓大致上一致的產(chǎn)品分出來。 包裝。 文研究的內(nèi)容 機構(gòu)是 此固晶臂的設計至關重要,因此本課題主要圍繞固晶臂的研究而進行,主要研究內(nèi)容如下: (1) 固晶臂的工作過程優(yōu)化; (2) 固晶臂的動態(tài)特性分析; (3) 固晶臂的結(jié)構(gòu)設計、分析及優(yōu)化,包括固晶臂的模態(tài)分析、優(yōu)化設計 ; 文研究的目的與意義 由 固晶這一過程在整個封裝流程中至關重要,本課題主要著眼于固晶這一過程進行相關研究及相關設備的設計、優(yōu)化、實驗、分析等。 粘片機是完成固晶過程的主要設備,而現(xiàn)在市場上的全自動粘片機主要是 國要發(fā)展自己的 必須擺脫對國外產(chǎn)品的依賴,就必須有自己的一套裝備及相關理論和研究。因此本課題的研究有著十分重要的意義。本課題的研究也將為我國做 我國 外也可以為中小企業(yè)提供參考,使之在各自領域形成自己的知識產(chǎn)權(quán),有助于企業(yè) 轉(zhuǎn)型。 此外本課題提出的自適應、閉環(huán)的分析優(yōu)化方法也可以促進虛擬設計技術的發(fā)展,使虛擬設計突破目前設計與分析優(yōu)化分離的瓶頸。作為極端制造的產(chǎn)品如航空件、風電、橋梁、建筑等,本課題的研究還將為這類產(chǎn)品的研制提供很好的產(chǎn)考。 無錫太湖學院學士學位論文 6 裝配設計 上。設計分為旋轉(zhuǎn)電機,圓柱直線電機,固晶臂,旋轉(zhuǎn)軸,聯(lián)軸器等主要設備元器件組成。 圖 體結(jié)構(gòu)圖 電機的組合式運動。旋轉(zhuǎn)電機帶動直線電機以及固晶臂做旋轉(zhuǎn)運動,直線電機帶動固晶臂做直線往復運動。固晶臂在兩電機的作用下實現(xiàn)上移,旋轉(zhuǎn)( 90) 下移,旋轉(zhuǎn)( 90)。要求旋轉(zhuǎn)的頻率較高,同時要求旋轉(zhuǎn)電機的頻率要高,同時直線運動的電機運動 4要保證運動的震動型,避免頻率形同引起共振。與直線電機相連的軸直徑需要滿足疲勞強度,直徑至少 13心。通過聯(lián)軸器連接。最終選用實心 14合金材料的軸。聯(lián)軸器選擇與軸相配合的法蘭,法蘭與直線電機相連。 接設備的設計 在連接部件運動過程中,滿足許用 力非常關鍵。下面是針對銷的設計計算: 銷如圖 : 2 片機芯片取放機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計 構(gòu)的整體設計 需要購買對應 紙 咨詢 14951605 7 圖 連接銷 3rr ; ( )(9 5 5 0 ; ( 若 傳遞功率單位為馬力( , 由于 m/s; )(7024 ;滿足扭矩要求, 軸的材料選用鋁合金;鋁合金的許用剪應力為 60T=3 ( 取直徑為 13果采用空心軸的話,則最小直徑 可取 13果采用40抗拉強度為 981 熱處理, 3 ( 00498.0d 直徑可取 8 動的時間分配以 及電機負載慣量分析 間分配 共 160ms( 無錫太湖學院學士學位論文 8 表 2間分配 部件 動作 停頓 (在藍膜上) 上 移動 下 停頓 (在支架上) 上 移動 下 擺臂 10 17 36 17 10 17 36 17 移動 等待 等待 等待 工作臺 110 20 10 20 等待 等待 移動 等待 承片臺 10 20 110 20 轉(zhuǎn)動 90 度大概用 36 毫秒; 時間分配圖 如下(時間單位為 : 36 10 17 17 17 17 10 10 圖 運動時間簡圖 擺臂平均每分鐘達到的轉(zhuǎn)速為:; 轉(zhuǎn)動 90 度大概用 36 毫秒;直線電機 17動 4 慣量系統(tǒng) 擺臂: m 重量: 料 : 鋁合金 左右轉(zhuǎn)動慣量的生成及疊加: 擺臂: 軸套: 法蘭: 筒套: 鎢鋼吸嘴: 法蘭 2: 法蘭 軸上總轉(zhuǎn)動量: J 花總 =2+4+于傳動比為 1,因此折算到電機軸的轉(zhuǎn)動慣量不變即 J 花總 =J 折 = 總的負載慣量為: J 負載 =J 折算 =要購買對應 紙 咨詢 14951605 9 機的選擇 機加速度的選擇 為了算出 設備所需要的扭矩, 合適的功率, 去找適當?shù)碾姍C 。在設計的過程中,首先對機構(gòu)在不同加速度運轉(zhuǎn)下需要的電機參數(shù)進行試驗計算, 從而為所需要的參數(shù)下的電機提供理論基礎。 假設 1:在 30,擺臂轉(zhuǎn)過2,前 15角加速度為正轉(zhuǎn)過 45 度,后 15轉(zhuǎn)過 45度,角加速度為負,則在 15速度加到最大值,其平均速度為: sr a d /35010302 3 ( , d /31 0 0m a x ,因此其平均角加 速度 230m a x /920000103021310021 sr a ( 算出電機的負載力矩: 2 9 2 4 ,則電機的負載功率為: ( 假設 2:在 40擺臂轉(zhuǎn)過 90 度,在前 20速,后 20速,則其加速時平均角速度為 sr a d / ,其最大角速度為 5 ,其平均角加速度為23m a x /39251020 25/ sr a , 算 出 起 負 載 力 矩 為 2 9 2 4 9 0 2 5負載 , 負載功率 ( 假設 3:在 50轉(zhuǎn)過 90 度,在前 25速,后 25速,則其平均角速度為sr a d /101025 4 3 , 其 最 大 角 速 度 為 20 ,其平均角 加速度為23m a x /2 5 1 21025 20 sr a , 算出起負載力矩為 2 9 2 4 9 0 1 2負載( 負載功率 , 機選擇設計方案 用 36過 90 度。 直線電機用 18完 4 無錫太湖學院學士學位論文 10 ( 1)用多項式求解電機的關鍵參數(shù) 用 5 次多項式逼近時 表 2鍵參數(shù) ff 0ff 轉(zhuǎn)電機: )/(8 1 2 3 0 7 2 8 7 5 0 0 7 5 0 0 a a ( 每分鐘轉(zhuǎn)速為: m (7812499862/0 )/(a a )/(0 0 4 2 2 2 0 0 5 60/60333m a a 電機最大負載力矩為: )(4 6 7 5 3 1 9 70 0 2 9 2 4 9 0 a x ( 負載功率為: 5 8 7 2 3 0 7 2 7 5 ( 用 9 次多項式逼近: 表 2鍵參 數(shù) ff 2/775466.6 ff 要購買對應 紙 咨詢 14951605 11 ( 2)旋 轉(zhuǎn)電機的關鍵參數(shù)設計計算 )/(4 7 2 9 6 7 8 9 6 0 9 6 4 0 9 6 4 0 a a (每分鐘轉(zhuǎn)速: m i 2 9 6 7 8 9 ; 222a x sr a ; 333a x sr a ; 電機最大負載力矩為: 3 3 4 8 7 6 5 0 70 0 2 9 9 0 0 4 a x 負圖 運動簡圖 勻速時間為零,停止時間為零。 ( 3) 計算負載慣量及慣量比 負載J =折算J+ 連接裝置慣量為 J 總負 = J 負載 +J 聯(lián)軸器 =m2 預選取 3電機 400 慣量 中容量 轉(zhuǎn)子慣量 (無制動器) 2m J 2m J (有 制動器) 無錫太湖學院學士學位論文 12 慣量比計算: 0 7 8 2 9 9 0 0 4 負 倍 10 倍, 符合要求。 (( 4) 計算轉(zhuǎn)速: 轉(zhuǎn)動距離為2,轉(zhuǎn)動時間為 36 加速時間為 速時間為 421 m a x 加速時間; sr a 24m a x 加速時間 (加速度 =6997 (s2) m m a xm a x (5)計 算轉(zhuǎn)矩 : 4 80 0 2 9 9 0 0 4 0 7 8 負(有效轉(zhuǎn)矩 : 時最大轉(zhuǎn)矩 ) T (松下電機: 400慣量 中容量 電機滿足要求。 ( 6) 直線電機的選擇。 確定機構(gòu)部件:定子,電機直連機構(gòu)。擺動臂。 確定運動模式:直線運動。加速運動,減速運動。 計算負載慣量及慣量比: 負載J= 折算J +接裝置慣量為 因此總負載慣量為 J 總負 = J 負載 +J 聯(lián)軸器=m2 ff = )/( ; 2/ )/( 90 0 8 0 3 5 0 2 ; 3/60ff )/(3 9 0 7 9 90 0 8 3 sr a d ; 電機最大負載力矩為: )( a x ; 需要購買對應 紙 咨詢 14951605 13 電機負載功率為: ; 選擇滿足要求的電機:行程 續(xù)推力 136N,最大推力 424N,負載功 線性馬達 圖示如下圖 圖 線性馬達 無錫太湖學院學士學位論文 14 全自動 片機是一個高精密機構(gòu)。芯片拾放裝置是粘片機最重要的部件,其功能是將晶圓上已切割分離成一粒粒的芯片逐個吸起,傳送并放置到引線框架上涂 有銀漿的裝載杯中,使芯片在引線框架上被粘焊固定。芯片拾放裝置需要精確、快速、平穩(wěn)地往返于拾片和粘片兩個位置,實現(xiàn)拾取、傳送和放置芯片等動作。擺桿是芯片拾放機構(gòu)中最重要的部件。擺桿既要精密、輕巧又要剛度高。擺桿質(zhì)量的好壞直接影響到粘片機速度的提高。傳統(tǒng)的設計只是要求擺桿轉(zhuǎn)動半徑要達到要求,盡量省材料。擺桿在工作過程中,當擺到引線框架上方時,壓縮空氣通到吸嘴,迅速將芯片吹出釋放,并通過吸嘴對芯片施加壓力將芯片放置在引線框架上涂有銀漿的位置。為此通過對擺臂進行靜力學分析以及振動分析來模擬擺臂在運動過程中即將出現(xiàn)的 問題,同時為盡可能地滿足生產(chǎn)要求提供一定的實驗依據(jù)。 圖 臂 工業(yè)生產(chǎn)中常見的是連接套與擺臂相連,也有三段的連接體,如圖示:圖 段連接體 二段以上的擁有緩沖的優(yōu)勢,在嵌套上面連接傳感器,保證晶體破壞,但是二段及以上段在高速運轉(zhuǎn)( 160周期運轉(zhuǎn))下固連部件容易出現(xiàn)松動,影響精度。 晶臂靜力學分析 片機關鍵部件是焊頭運動機構(gòu)。焊頭主運動結(jié)構(gòu)要求在垂直平面內(nèi)實現(xiàn)兩個方向的運動 , 在高速運動的同時還要求定位高、運動平穩(wěn)。焊頭的作用是將晶圓 ( 上已切割3 固晶臂的研究分析 需要購買對應 紙 咨詢 14951605 15 分 離成一片片的芯片逐個吸起 , 傳送并放置到引線框架上 , 使得芯片在引線框架上被粘焊頭通常由兩個電機分別驅(qū)動。為了使焊頭運動平穩(wěn) , 在設計機架的時候一定要使機架固有頻率避開驅(qū)動電機的運動頻率及倍頻 , 以減少共振。 限元分析的工具 通常 , 使用 立復雜的三維實體模型比較麻煩 , 所以在一般情況下使用三維軟件 ( 例如 來建立幾何模型 , 同時將該模型轉(zhuǎn)換為 可的文件格式 , 例如 式和 式的模型文件導人 可以發(fā)現(xiàn)該模型往往存在或多或少的缺陷 , 例如線或面之間存在小間隙、出現(xiàn)多余的圖元等 , 這都是模型文件進行轉(zhuǎn)換時所造成的不良影響。我們可以使用 的幾何和拓撲修復工具對這些缺陷進行修復和完善 , 有時候效果并不是很好 , 這對分析結(jié)果會造成影響。同時 , 操作界面不是很友好 , 有時還需要進行文字命令輸入 , 而且在進行模態(tài)以及諧響應分析時 , 占 用的內(nèi)存資源過多 , 并會消耗大量的時間。有限元靜力學分析方程靜力學分析是指求解不隨時間變化的系統(tǒng)平衡問題 ,如線彈性系統(tǒng)的應力等。線性方程的 等效方程為 K u = F ( 1) K u + F r ( 2) 式中: K為總剛度矩陣, K n m=1 u為節(jié)點位移矢量, n 為單元數(shù), 單元剛度矩陣, F r為支反載荷矢量, 所受的總外載荷。 通過式( 1)和式( 2)得出各點的位移矢量 u。根據(jù)位 移插值函數(shù),由彈性力學中的應變和唯一、應力和應變的關系,得出節(jié)點的應變和應力表達式: e l = B u - ( 3) = D e l ( 4) 式中, e l 為由應力引 起的應變, B為節(jié)點上的應變 u為節(jié)點上的位移矢量, 熱應變矢量(本文不考慮), 為應力矢量, D為彈性矩陣系數(shù)。求解式( 3)和式( 4),得到各節(jié)點的應力。 臂靜力學分析 ( 1) 在 可以先劃網(wǎng)格,然后再定義單元類型,對劃好的單元賦以材料屬性 . 幾何模型從 件導入 . 進行有限元分析時,如果要準確模擬這些特征,需要用到很多小單元,導致求解時間延長。 需要簡化的幾何模型,因此需要對模型部件的一些 細節(jié)信息進行簡化,以便于 網(wǎng)格劃分和分析。此外,模型的一些幾何信息在導入時可能會出錯,如導入曲面數(shù)據(jù)時可能會存在縫隙、重疊、邊界錯位等缺陷,導入單元質(zhì)量不高,求解精度差。一般,所有的有限元軟件的單位都是需要用戶自己定義。不過有些軟件也有一些默認的單位,例如長度單位是 量單位是 。用戶在設置單位的時候要注意所有的單位要形成一個 封閉的回路 。例如,當質(zhì)量的單位是 間的單位是 s,長度單位是 m,那么根據(jù)牛頓第二定律: F= F 的單位為 N。 把三維軟件的幾何模型導入到 前 最好把零件組裝成裝配體的形式,因為對幾何模型進行切分在三維軟件里操作要比在 件里操作起來方便多了。另外,由于只是對擺桿的中間部分進行優(yōu)化,當把中部分修改了尺寸(局部修改),擺桿最左邊的部分和最右邊的部分的網(wǎng)格可以完全不作改變,只需要把中間部分的幾何模型重新導入,再單獨對這一無錫太湖學院學士學位論文 16 部分進行網(wǎng)格劃分就可以了。當然,由于這里的擺桿整體模型也不是很復雜,上面提到的這些操作也可以在 完成。 ( 2) 擺桿約束和載荷 擺桿靜力分析主要是為了算出沒有優(yōu)化前的擺桿在受力情況下的位移。根據(jù)實際工作中的 要求,擺桿在豎直方向的位移要求小于 50m,擺桿在受到電機扭矩作用后水平方向的位移要求在 6間。擺桿和抱夾零件的材料類型采用鋁合金,彈片的材料類型采用碳素鋼。整個擺桿采用 見的實體單元有六面體單元,四面體和棱柱體六面體單元,五面體單元和帶中間節(jié)點的四面體單元,這些單元的計算精度都是很高的,它們的區(qū)別在于:一個六面體單元只有 8 個節(jié)點,計算規(guī)模小,但是復雜的結(jié)構(gòu)很難劃分出好的六面體單元,帶中間節(jié)點的四面體單元恰好相反,不管結(jié)構(gòu)多么復雜,總能輕 易地劃分出四面體,但是,由于每個單元有 10 個節(jié)點,總節(jié)點數(shù)比較多,計算量會增大很多。在只考慮只受慣性沖擊力的作用下,整個擺桿也可以采用梁單元或者 元。由于在吸嘴部位有孔存在,采用梁單元不是很合適。如果只是從靜力分析的角度考慮,用 元是很合適的。整個擺桿采用 元,抽取中面劃 2D 網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)量 比較少,分析比較快。但是,由 于考慮到后面將要做拓撲優(yōu)化進行初步概念設計和接下來要做的模態(tài)分析,采用 元后,后續(xù)的分析又要重新劃網(wǎng)格才能看到拓撲優(yōu)化后的材料密度云圖(或者稱 為材料分布),綜合考慮,整個擺桿最后采用了一階的 元。其實這里也可以用二階的 元,但是在實際計算中采用二階的 元,由于節(jié)點數(shù)目巨大,計算起來速度很慢。擺桿受到扭矩作用的時候,水平方向的位移就沒有被限制。所以這個時候整個裝配體的約束就加在抱夾零件孔壁上的節(jié)點上,限制節(jié)點的 x、 y、 z 方向的自由度。由于實體單元只有三個方向的自由度,所以這樣的約束就使整個裝配體固定了下來。這個約束也可以這樣處理,先在抱夾零件孔的端面的圓心點創(chuàng)建兩個臨時節(jié)點,然后把這兩個節(jié)點用剛性單 元連接起 來。 臨時節(jié)點與圓周上的節(jié)點也用剛性單元連接起來,最后在臨時節(jié)點的地方限制自由度。這里臨時節(jié)點和圓周上的節(jié)點用剛性單元連接起來是為了圓周上的節(jié)點與臨時節(jié)點的位移一致。其效果與第一種約束的效果是一致的。由于整個裝配體在實際工作中繞抱夾零件的孔的中軸轉(zhuǎn)動,所以也可以在抱夾零件的端面新建立一個坐標系,然后限制三個方向的平移自由度。在正常工作中,擺桿轉(zhuǎn)到引線框架上,頂針將晶圓刺破頂起,這個頂起過程中,根據(jù)初始設計的計算大概只有 外,焊頭在豎直方向運動是一個變速運動,最大的加速度是 就要求擺桿在豎直方向盡快停下來,即使有振動也要使在豎直方向的位移盡量小,否則會很容易使晶圓破碎。假設這個時候擺桿在某一刻停下來了,但是由于慣性,沖擊力按最大的加速度計算,這個力按照最大值估計 1N。擺桿在水平轉(zhuǎn)動過程中也是一個變速運動。電機輸出扭矩也是一個變化值。這個扭矩按照實際設計中步進電機的最大輸出扭矩 m 來計算。 ( 3)擺桿靜力學分析計算 擺臂在速 781r/000材料選擇鋁合金。結(jié)果通過有限元 需要購買對應 紙 咨詢 14951605 17 圖 析結(jié)果 軟件,分析出擺臂的應力分布圖 格的應力集中分 布點。 位移結(jié)果如下圖 圖 移結(jié)果 擺臂的振動幅度在 3%左右,滿足位移滿足設計要求。但是,現(xiàn)在的擺桿質(zhì)量還是比較大,擺桿轉(zhuǎn)動起來迎風面積也是比較大,而且轉(zhuǎn)動中心和重心偏離比較遠,所以需 要 要進一步優(yōu)化。 圖 一步優(yōu)化結(jié)果 無錫太湖學院學士學位論文 18 以下圖紙為靜力學分析的報告: 圖 力學分析報告 有擺臂限元分析要注意的事項 幾何模型的 質(zhì)量 直接影響到分析的結(jié)果。有些復雜的機械零件或者裝配體 , 動輒幾百、幾千萬節(jié)點、單元 ,計算機的分析能力也時有限的 , 用原型 進行有限元分析也時不現(xiàn)實的 3。所以在進行有限元分析之前要對幾何模型進行合理的簡化。傳統(tǒng)的方法多采用相似性原理來簡化,是對于形狀相對復雜的零件 , 尤其是裝配體 , 建立簡化模型也很困難。模態(tài)分析為我們建立一個合理、合適的模型提供了較好的方法。用于模態(tài)分析的模型由 實體三維建模完成。所謂簡化就是去除一些小孔、小的圓角 , 小的臺階等次要特征。因為這些小的臺階 , 小的圓角 , 小的孔很容易造成網(wǎng)格化時生成畸形的網(wǎng)格 , 最終導致有限元分析不能進行下去。這里的 小 是一個相對的概念。 小 是相對于整 個幾何模型或者裝配體模型而言。當然 , 這里的簡化也要時針對分析目標。在不影響分析目標結(jié)果的情況下 , 我們才可以合理簡需要購買對應 紙 咨詢 14951605 19 化。至于簡化后的模型是否和原型有相似的動態(tài)特性 , 可以通過對原型和模型的模態(tài)分析比較來驗證。由于模態(tài)分析 ,尤其是低階模態(tài)對系統(tǒng)的動態(tài)特性影響較大 , 因此通過比較模型的低階模態(tài)和原型的低階模態(tài) , 一般兩者相差不超過 3%就應該認為簡化是合理的。 化分析 單擊“ , 新建一個算例 , 算例類型選“優(yōu)化”。右鍵單擊“優(yōu)化”算例下的“目標” , 選擇質(zhì)量最小。在設置“設計 變量”前要將相關的特征尺寸顯示出來。在右鍵單擊第一個“注解” , 選擇“顯示特征尺寸”。將不相關的尺寸隱藏起來 , 然后把相關的尺寸重新命名。其方法是選中相關的尺寸 , 右鍵單擊 , 選擇“屬性” , 更改尺寸的名稱。在這里要注意的是 , 新建的算例也好 , 尺寸的名稱也好 , 最好只用英文或者英文字符 ( 即拼音字母 ) 。有時候用中文字符會造成分析的失敗。設置相關尺寸的名稱最好在分析之前完成。右鍵單擊“設計變量” , 選擇“ 添加” ,然后用鼠標選擇相關的尺寸。其他的設置按照要求完成就行了。添加 約束的方法和添加設計變量的方法類似。設置完成后 , 右鍵單擊“優(yōu)化” , 選擇“運行”。本次優(yōu)化的最后結(jié)果如圖:。 圖 晶臂優(yōu)化結(jié)果圖 最終的總質(zhì)量為 433g, 模式 1 的頻率為 合開始的設計要求。同時對材料的金屬材料進行優(yōu)化,根據(jù)實驗(以下會提及)分析,在剛度越大,有助于提高固有頻率,選擇輕型,剛度大的材料進行分析也是今后研究的方向。 在實踐中,經(jīng)常需要對變截面梁或變截面軸進行動力分析,求其橫向振動的固有頻率。為了簡化計算,將變截面梁看成一系列集中質(zhì)量、無質(zhì)量的梁和支承一個接著一 個連接而成的系統(tǒng)這種力學模型顯然是不精確的。為提高計算精度,勢必要增加分割單元的數(shù)目,則計算工作量隨之而增加。如果采用連續(xù)體力學模型來計算變截面梁橫向振動的固有頻率,則計算精度必然大為提高。但按傳統(tǒng)的計算方法是很繁瑣的:按梁的不同剛度分段分別建立以撓度表示的高階微分方程;考慮段與段連接處內(nèi)力、變形的連續(xù)條件,求出此高階微分方程的通解;再由梁兩端邊界條件,最后求出梁自由振動時階固有頻率。求解方程過程復雜,難以編制適合于不同形狀、剛度的變截面梁求解固有頻率的通用計算機程序,不利于工程設計的應用 。 采 用連續(xù)體作為 力學模型,但提出的方法與傳統(tǒng)方法不同。傳統(tǒng)方法分析梁的橫向振動無錫太湖學院學士學位論文 20 時,是求解同一種變量(撓度)表示的高階微分方程;而本研究將四種變量(撓度、轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力)作為混合變量(稱為狀態(tài)變量),它代表了梁一個截面的變形和內(nèi)力的狀態(tài)。建立了以狀態(tài)變量表示的、僅為一階齊次常微分方程,形式簡單,極易求解。矩陣表示了梁段兩端狀態(tài)變量的傳遞關系。它普遍適用于求解各種邊界條 件下的階梯梁及帶集中質(zhì)量和彈性支承梁的橫向振動固有頻率,具有普遍性。 需要購買對應 紙 咨詢 14951605 21 有頻率理論研究 ( 1)鋁合金密度 氏模量 E =2705kg/m3; E= 0G 。 ( 2)計算單位長度質(zhì)量 面慣性矩 1 9 0 5 48I (擺臂尺寸如圖 : 圖 4.1 b=15;h=40;l=233; l=260; ( 3)第一、二、三階固有頻率(橫向,扭轉(zhuǎn)): 等截面處理:橫向振動 懸臂梁邊界條件: 特征方程為: 0 0 (固有頻率: 22i1 l(振型函數(shù)為: 111 ,co , 其中: 前三階特征根的平方為: m al al a 2212212211 (4 固晶臂彎曲振動固有頻率和振型函數(shù) 無錫太湖學院學士學位論文 22 )/
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