周 琦

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 江陰 214405）

0 引言

隨著人們對(duì)產(chǎn)品智能化的要求和芯片制造技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路芯片在機(jī)械、汽車和家電等制造領(lǐng)域的需求和使用越來(lái)越廣泛，成為不可或缺的核心電子元件。在集成芯片制造的末道封裝工藝中，管腳產(chǎn)生的溢料去除工藝，對(duì)芯片制造的外觀質(zhì)量具有重要作用，而芯片小型化的趨勢(shì)使傳統(tǒng)去溢料設(shè)備無(wú)法滿足使用要求，企業(yè)亟需一種新型的去溢料設(shè)備來(lái)提升芯片生產(chǎn)品質(zhì)和效率。課題組研發(fā)的全自動(dòng)激光去溢料機(jī)，能夠?qū)Ψ庋b后的集成芯片管腳等處溢料進(jìn)行快速、精準(zhǔn)和有效的切割，實(shí)現(xiàn)了芯片封裝工藝中的零溢料，大大提高了集成芯片的產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率。

在Solidworks 軟件中進(jìn)行全自動(dòng)激光去溢料機(jī)的設(shè)計(jì)，除了完成零部件的虛擬造型和裝配，還可利用軟件的Simulation 插件功能對(duì)其關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，模擬機(jī)構(gòu)在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)和受力情況，研究其在共振、疲勞、屈曲和諧響應(yīng)等情況下的變形，以此發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中可能存在的問(wèn)題或缺陷[1]，并通過(guò)有效的方法對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)或優(yōu)化，使之能夠符合預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求，有效提升了關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性，大大縮短了設(shè)備的研發(fā)周期和成本。

針對(duì)全自動(dòng)激光去溢料機(jī)中物料推送機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、組成和運(yùn)動(dòng)過(guò)程研究，對(duì)其分別進(jìn)行自由和約束狀態(tài)下的有限元模態(tài)分析，以此驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和合理性。

1 物料推送機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

如圖1 所示，推送機(jī)構(gòu)是全自動(dòng)激光去溢料機(jī)中將坯料準(zhǔn)確推送至對(duì)應(yīng)輸送帶的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，為后續(xù)抓取機(jī)械手的物料抓取定位做好前道工序準(zhǔn)備。推送機(jī)構(gòu)由移動(dòng)軸承座、光軸、頂板、支撐板、頂桿和氣缸等構(gòu)件組成，安裝在軸上的移動(dòng)軸承由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)并通過(guò)兩個(gè)位置傳感器按照設(shè)定的距離往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連接在其上的氣缸和推桿組件做同樣的運(yùn)動(dòng)，到達(dá)預(yù)定位置時(shí)推桿由氣缸驅(qū)動(dòng)將集成芯片推送至對(duì)應(yīng)的輸送帶，并通過(guò)推桿末端的傳感器檢測(cè)動(dòng)作是否到位，完成物料的精準(zhǔn)推送。機(jī)構(gòu)中軸承和光軸的制造材料為AISI1020鋼，其余構(gòu)件的制造材料均為6061 鋁合金，構(gòu)件間通過(guò)螺栓聯(lián)接實(shí)現(xiàn)定位和固定。

圖1 物料推送機(jī)構(gòu)

2 自由狀態(tài)下模態(tài)分析

為全面研究推送機(jī)構(gòu)在激光去溢料機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)變形，可先對(duì)推送機(jī)構(gòu)進(jìn)行自由狀態(tài)下的模態(tài)分析，研究機(jī)構(gòu)在設(shè)備處于靜態(tài)時(shí)的自由振動(dòng)變形，以此為參考研究其在工作時(shí)的振動(dòng)變形[2]。具體操作時(shí)在進(jìn)入Simulation 插件中的“頻率”功能后，無(wú)需對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)定任何約束，直接選定機(jī)構(gòu)中光軸和軸承的材料為AISI1020鋼，其余零件的材料為6061 鋁合金后即可進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格后的推送機(jī)構(gòu)有限元模型單元數(shù)為50836，自由度數(shù)為248706，節(jié)點(diǎn)數(shù)為82902。點(diǎn)擊“運(yùn)行”后軟件自動(dòng)完成機(jī)構(gòu)的模態(tài)有限元計(jì)算，得到了推送機(jī)構(gòu)的前5階固有頻率和振型特征如表1 所列，第4、5 階振型云圖如圖2 所示。

表1 1～5 階固有頻率及振型

由表1 和圖2 可知，推送機(jī)構(gòu)在自由狀態(tài)下的前3 階振型為剛體，機(jī)構(gòu)中的零部件未發(fā)生任何變形，這里可不作研究[2]。當(dāng)機(jī)器因周邊因素產(chǎn)生的靜態(tài)振動(dòng)達(dá)到第4 階振動(dòng)頻率時(shí)，推送機(jī)構(gòu)中的氣缸、推桿左端和頂板右端將發(fā)生微量的變形，該變形對(duì)集成芯片模組的傳送精度影響可忽略不計(jì)，支撐架零件的末端繞Z 軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)，使得機(jī)構(gòu)對(duì)芯片模組的傳送位置發(fā)生變化，可考慮通過(guò)增加該零件的橫截面來(lái)提升其強(qiáng)度和剛度；第5階振型使推送機(jī)構(gòu)中支撐光軸的左右連接板和頂板發(fā)生位移變形，左端由于距離支撐板較遠(yuǎn)發(fā)生的變形量最大，且由于相互間的聯(lián)接和運(yùn)動(dòng)副關(guān)系，推桿也發(fā)生也相應(yīng)的位移變形，這將使得輸送芯片模組的距離精度變差，影響機(jī)構(gòu)運(yùn)行的精確度，需考慮對(duì)機(jī)構(gòu)的零部件進(jìn)行一定的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，在保證足夠剛度的前提下將左右連接板和頂板的厚度降低5%左右，同時(shí)通過(guò)增加支撐架10%左右的厚度來(lái)提升其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，使之盡可能避免發(fā)生此類共振現(xiàn)象。

圖2 自由狀態(tài)下第4、5 階振型

3 約束狀態(tài)下模態(tài)分析

前述推送機(jī)構(gòu)在自由狀態(tài)下的模態(tài)分析，通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)中頂板和支撐架零件的結(jié)構(gòu)改進(jìn)即可避免相應(yīng)共振現(xiàn)象的發(fā)生，而對(duì)于推送機(jī)構(gòu)在激光去溢料機(jī)工作時(shí)可能發(fā)生的共振，依據(jù)推送機(jī)構(gòu)在設(shè)備中的位置關(guān)系和工作狀態(tài)添加約束，再次對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元模態(tài)分析[3]。具體分析過(guò)程首先以機(jī)構(gòu)與設(shè)備聯(lián)接的支撐板側(cè)面設(shè)定固定端約束，其余材料設(shè)定、網(wǎng)格劃分與自由狀態(tài)下模態(tài)分析流程一致，點(diǎn)擊“運(yùn)行”后軟件自動(dòng)完成機(jī)構(gòu)的模態(tài)有限元計(jì)算，得到了推送機(jī)構(gòu)的前5 階固有頻率和振型特征如表2所列，前5 階振型云圖如圖3 所示。

表2 1～5 階固有頻率及振型

由表2 和圖3 可知，推送機(jī)構(gòu)在全自動(dòng)激光去溢料機(jī)工作狀態(tài)時(shí)可能發(fā)生破壞的頻率約在53～283Hz 之間，第1 階固有頻率與常用電器50Hz的工作頻率幾乎一致，需要特別注意該類振動(dòng)可能對(duì)該機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的影響。推送機(jī)構(gòu)第1 階振型產(chǎn)生的變形是推送端部件繞Z 軸扭轉(zhuǎn)，第2 階振型是推送端部件沿Y 軸正方向彎曲，第3 階振型則是推送端部件繞Y 軸扭轉(zhuǎn)，以上三種變形使推送機(jī)構(gòu)的相對(duì)位置發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)位，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)無(wú)法正常動(dòng)作和準(zhǔn)確輸送物料，其主要原因是由于推動(dòng)機(jī)構(gòu)須安裝在導(dǎo)軌上整體移動(dòng)，無(wú)法進(jìn)行頂板的及其連接件的兩端固定，導(dǎo)致左側(cè)伸出端的聯(lián)接剛度不足，對(duì)于此類振動(dòng)變形可考慮適當(dāng)增加頂板與支撐架之間的接觸面積，如將頂板右端的高度尺寸增加10%，將頂板設(shè)計(jì)成階梯結(jié)構(gòu)并通過(guò)倒角圓滑過(guò)渡，以此提升機(jī)構(gòu)伸出端在運(yùn)行過(guò)程中的強(qiáng)度和剛度。

圖3 約束狀態(tài)下1～5 階振型

第4 階振型除了前述機(jī)構(gòu)伸出端分別沿X、Y軸的扭轉(zhuǎn)和彎曲變形，支撐架零件沿Z 軸方向發(fā)生彎曲變形，考慮到機(jī)構(gòu)的末端執(zhí)行元件推送桿的動(dòng)作過(guò)程，該變形對(duì)機(jī)構(gòu)的正常工作影響不大，而推送桿末端是安裝傳感器，該位置的變形也不會(huì)影響機(jī)構(gòu)的精度；第5 階振型導(dǎo)致推送桿末端的直線位移，與前述第四階振型一樣可忽略不計(jì)；雖然，在正常工作狀態(tài)下機(jī)器產(chǎn)生的振動(dòng)達(dá)到表2 中第4、5階振型的概率微乎其微，但不排除因設(shè)備整體及工作環(huán)境的影響而產(chǎn)生綜合共振現(xiàn)象，因此，在激光去溢料機(jī)運(yùn)行過(guò)程中仍需避免這兩種頻率的綜合振動(dòng)發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

在SolidWorks 軟件中完成推送機(jī)構(gòu)的虛擬造型和裝配設(shè)計(jì)，利用有限元方法對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行自由和約束狀態(tài)下的模態(tài)分析，研究機(jī)構(gòu)在激光去溢料機(jī)工作中可能產(chǎn)生的振動(dòng)變形和共振頻率[4]，發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)中最可能發(fā)生變形的是頂板和其左側(cè)連接板零件，通過(guò)分析這些零件的各階振動(dòng)變形產(chǎn)生的原因及可能的后果，并有針對(duì)性得提出相應(yīng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，從而達(dá)到提升推送機(jī)構(gòu)工作的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，有效避免共振現(xiàn)象發(fā)生的目的。

研究表明，在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，對(duì)按預(yù)定方案設(shè)計(jì)完成的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元模態(tài)分析，對(duì)其可能產(chǎn)生共振的頻率及其振動(dòng)變形進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在問(wèn)題或設(shè)計(jì)缺陷并加以改進(jìn)或優(yōu)化，能夠有效提高機(jī)構(gòu)工作性能、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性[5]。該方法也可用于自動(dòng)化設(shè)備整機(jī)設(shè)計(jì)的合理性驗(yàn)證與結(jié)構(gòu)改進(jìn)。