蘆 俊，張佳佳，李 丹，潘小華

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第五十八研究所華普公司，江蘇無錫 214035）

轉(zhuǎn)塔式集成電路測(cè)試打標(biāo)檢查編帶一體機(jī)（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)塔機(jī)）用于對(duì)超小型封裝形式的集成電路如QFN、SOP、SOT等進(jìn)行電信號(hào)測(cè)試、打印標(biāo)識(shí)、外觀檢查和分選編帶[1]。轉(zhuǎn)塔機(jī)具有技術(shù)性能先進(jìn)、功能集成度高、穩(wěn)定性高、測(cè)試效率高的特點(diǎn)，大大地提高集成電路測(cè)試速度、降低其測(cè)試成本，是未來高端集成電路測(cè)試設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)。

轉(zhuǎn)塔機(jī)通過端面凸輪下壓機(jī)構(gòu)的下壓、上抬運(yùn)動(dòng)和主轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)將集成電路由一個(gè)工位搬運(yùn)到下一個(gè)工位，凸輪下壓機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度和穩(wěn)定性決定了轉(zhuǎn)塔機(jī)的性能。端面凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)提高超小型集成電路生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，起到重要作用。

1 端面凸輪機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)塔機(jī)端面凸輪下壓機(jī)構(gòu)由連接在伺服電機(jī)輸出軸上的端面凸輪和固定在下壓塊上的隨動(dòng)軸承（滾子直動(dòng)推桿）組成，其中下壓塊和機(jī)座通過線性導(dǎo)軌和封閉彈簧連接，下壓塊可沿線性導(dǎo)軌作上下滑動(dòng)。具體工作原理如下：在封閉彈簧預(yù)緊力的作用下隨動(dòng)軸承與端面凸輪的端面保持接觸，伺服電機(jī)帶動(dòng)端面凸輪旋轉(zhuǎn)，在隨動(dòng)軸承與端面凸輪接觸力的作用下，下壓塊克服封閉彈簧的阻力下移，即固定在下壓塊上的頂桿下移，同時(shí)封閉彈簧產(chǎn)生壓縮變形。隨后端面凸輪回轉(zhuǎn)，下壓塊在封閉彈簧壓縮力的作用下上升。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用合適的彈簧及端面凸輪轉(zhuǎn)速，保證下壓、上抬過程中隨動(dòng)軸承與凸輪時(shí)刻保持接觸，否則有沖擊噪聲產(chǎn)生，加劇凸輪副的磨損。

轉(zhuǎn)塔機(jī)的端面凸輪下壓機(jī)構(gòu)如圖1所示，其中端面凸輪最小半徑5.5 mm，滾子寬度2 mm，升程5.5 mm；隨動(dòng)軸承半徑3 mm；封閉彈簧剛度系數(shù)0.63 N/mm。

圖1 轉(zhuǎn)塔機(jī)端面凸輪下壓機(jī)構(gòu)

端面凸輪和隨動(dòng)軸承材料特性如表1所示。

2 仿真分析

2.1 接觸定義

ADAMS軟件采用基于碰撞函數(shù)的 接 觸 算 法[2～3]，其接觸模型如圖2所示，當(dāng)I和J距離下降至名義自由長(zhǎng)度x1，2個(gè)物體開始接觸。接觸力由2部分組成，彈性力和阻尼力。彈性力與k成正比，是關(guān)于I點(diǎn)與J點(diǎn)在自由長(zhǎng)度范圍內(nèi)穿透量的函數(shù)。阻尼力是關(guān)于穿透速度的函數(shù)，方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反。

表1 材料特性

圖2 ADAMS接觸力模型

接觸力定義為

其中：x——兩物體接觸（碰撞）過程的實(shí)際距離；

x?——相對(duì)于位移的碰撞速度；

x1——表示位移x自有長(zhǎng)度的正實(shí)數(shù)變量，如果x＜x1，則力賦一個(gè)正值，否則力值為0；

e——力的變形特征指數(shù)，金屬與金屬材料取1.5；

C——阻尼系數(shù)，通常取剛度值的0.1～1%；

d——施加全阻尼時(shí)的邊界穿透量，其合適值為0.1 mm；

k——?jiǎng)偠戎?，取決于接觸物體的材料和結(jié)構(gòu)形狀。

R1，R2——兩接觸物體在接觸點(diǎn)的接觸半徑（如果接觸面為平面，則接觸半徑為無窮大）；

μ1，μ2——兩個(gè)接觸物體的泊松比；

E1，E2——兩個(gè)接觸物體的彈性模量。

根據(jù)表1的材料特性，計(jì)算得到k=100 000 N/mm，取阻尼系數(shù)C=50 Ns-1/mm，變形指數(shù)e=1.5，穿透深度d=0.1 mm。

2.2 凸輪運(yùn)動(dòng)參數(shù)的確定

定義端面凸輪與隨動(dòng)軸承的接觸后，再確定端面凸輪的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。一般設(shè)計(jì)中，默認(rèn)端面凸輪為勻速運(yùn)動(dòng)，而本文中的轉(zhuǎn)塔機(jī)端面凸輪下壓機(jī)構(gòu)的下壓和上抬運(yùn)動(dòng)受伺服電機(jī)控制，以實(shí)現(xiàn)間歇性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)端面凸輪下壓機(jī)構(gòu)的下壓時(shí)間40 ms，上抬時(shí)間40 ms，端面凸輪的角速度曲線如圖3所示。

圖3 端面凸輪的角速度曲線

在ADAMS中用IF函數(shù)描述端面凸輪的角加速度曲線，IF函數(shù)為判斷函數(shù)，可嵌套使用。端面凸輪的角加速度函數(shù)如下：

2.3 仿真比較

凸輪機(jī)構(gòu)中推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇，關(guān)系到凸輪機(jī)構(gòu)的工作質(zhì)量。凸輪機(jī)構(gòu)的型式、有關(guān)基本尺寸確定后，根據(jù)選定的推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)出凸輪應(yīng)有的輪廓尺寸[4～5]。推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是指推桿的位移s、速度v和加速度a隨時(shí)間t變化的規(guī)律。

當(dāng)凸輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，推桿常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律有等速運(yùn)動(dòng)、等加速運(yùn)動(dòng)、余弦加速度、正弦加速度、正弦-拋物線-正弦（改進(jìn)梯形）加速度，其中正弦加速度凸輪和改進(jìn)梯形加速度凸輪的加速度從零開始增大，沒有突變，適用于高速場(chǎng)合，且無沖擊。

本文采用ADAMS軟件對(duì)推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律為正弦加速度和改進(jìn)梯形加速度的端面凸輪下壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，研究端面凸輪勻加速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)端面凸輪下壓機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)特性。取仿真時(shí)間80 ms，步數(shù)8 000步。

圖4 正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律端面凸輪

（1）正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律

如圖4所示，使用Solidworks軟件建立正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律端面凸輪下壓機(jī)構(gòu)，導(dǎo)入AD?AMS，添加運(yùn)動(dòng)副和接觸[6-7]，設(shè)置參數(shù)后先進(jìn)行靜平衡分析，再進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 速度、加速度曲線

由圖可知正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律的端面凸輪機(jī)構(gòu)加速度最大值為70 300 mm/s2，碰撞力最大值為11.42 N，且在0.06 s左右，即下壓塊上抬階段，接觸力等于零，說明隨動(dòng)軸承和凸輪脫離，之后接觸力迅速增大，產(chǎn)生振動(dòng)及噪聲。

（2）改進(jìn)梯形加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律

如圖7所示，使用Solidworks軟件建立改進(jìn)梯形加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律端面凸輪下壓機(jī)構(gòu)，導(dǎo)入ADAMS，添加運(yùn)動(dòng)副和接觸，設(shè)置參數(shù)后先進(jìn)行靜平衡分析，再進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8、圖9所示。

改進(jìn)梯形加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律的端面凸輪機(jī)構(gòu)加速度最大值為41 800 mm/s2，碰撞力最大值為8.67 N，且運(yùn)動(dòng)過程中端面凸輪和隨動(dòng)軸承始終保持接觸。

由于最大加速度值的大小，會(huì)直接影響從動(dòng)件系統(tǒng)的慣性力，從動(dòng)件與凸輪的接觸應(yīng)力，從動(dòng)件的強(qiáng)度等。從動(dòng)件（下壓塊）在運(yùn)動(dòng)過程中的最大加速度值越小越好。

圖7 改進(jìn)梯形加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律端面凸輪

圖8 速度、加速度曲線

圖9 位移、接觸力曲線

對(duì)比可知，當(dāng)端面凸輪的轉(zhuǎn)速曲線為三角波時(shí)，仿真得到的改進(jìn)梯形加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律的端面凸輪下壓機(jī)構(gòu)力曲線優(yōu)于正弦加速度的力曲線，即碰撞力較小，且沒有沖擊噪聲，故本轉(zhuǎn)塔機(jī)設(shè)計(jì)采用改進(jìn)梯形運(yùn)動(dòng)規(guī)律的端面凸輪。

3 結(jié)論

本文主要研究端面凸輪下壓機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題。轉(zhuǎn)塔機(jī)工作時(shí)要求下壓塊（從動(dòng)件）高速、平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)，并能夠保證凸輪機(jī)構(gòu)在沖擊、精度及壽命等方面的要求。因而力學(xué)性能較好的從動(dòng)件為改進(jìn)梯形加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律的端面凸輪。

［1］蘆俊，曹盤江，皮志松，等.轉(zhuǎn)盤式分選機(jī)中高速旋轉(zhuǎn)真空吸盤的動(dòng)力學(xué)分析及計(jì)算［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2011（12）：35-38.

［2］王丹，柳洪義，劉明晨，等.基于ADAMS的管道施工機(jī)械手虛擬樣機(jī)建模與動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2013，32（11）：1644-1649.

［3］徐長(zhǎng)密，常宗瑜，李捷，等.基于單邊接觸模型的含間隙槽輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2010，27（2）：50-53.

［4］賀煒，彭國(guó)勛，胡亞平，等.弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)特性研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2000，36（11）：33-38.

［5］彭國(guó)勛，肖正揚(yáng).自動(dòng)機(jī)構(gòu)的凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

［6］張憲，李文昊，趙章風(fēng)，等.基于ADAMS的單、雙軸顎式破碎機(jī)性能研究［J］.機(jī)電工程，2013（11）：1317-1322.

［7］吳國(guó)平.基于ADAMS與VC 6.0的凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真與自動(dòng)編程 ［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2013（7）：133-135.