基于ANSYS 的LED 粘片機(jī)偏心軸的設(shè)計(jì)與分析

施 健，武美萍，范中廷

(江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)LED 行業(yè)發(fā)展迅速，LED 被廣泛的應(yīng)用在汽車、家電、工業(yè)設(shè)備、裝飾、照明等行業(yè)中，已經(jīng)形成了一個(gè)規(guī)模龐大且潛力巨大的市場(chǎng)。而國(guó)內(nèi)LED的大規(guī)模生產(chǎn)及運(yùn)用，必然驅(qū)動(dòng)LED 芯片封裝設(shè)備的成長(zhǎng)，LED 芯片封裝設(shè)備的巨大需求引起了國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體設(shè)備生產(chǎn)商的積極響應(yīng)。LED 芯片粘片機(jī)既是半導(dǎo)體照明器件的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備又是電子元器件生產(chǎn)設(shè)備，得到國(guó)家在半導(dǎo)體照明與重大裝備兩方面戰(zhàn)略性的長(zhǎng)期雙重支持和優(yōu)惠［1］。

LED 芯片粘片機(jī)是一種用于LED(發(fā)光二極管)生產(chǎn)中進(jìn)行芯片與引線框架粘接的自動(dòng)化設(shè)備，是LED 自動(dòng)化生產(chǎn)線上必備的關(guān)鍵設(shè)備之一，其主要作用就是把LED 晶粒高效精確地粘接到封裝基板或支架上，粘接的精度直接影響LED 的亮度、發(fā)光效率、可靠性等重要指標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)也有一些專家學(xué)者對(duì)LED粘片機(jī)的固晶臂進(jìn)行了研究，卻忽視了其他結(jié)構(gòu)的分析必要性，由于目前國(guó)內(nèi)固晶機(jī)速度較低，可能對(duì)整體的設(shè)計(jì)沒(méi)有多大影響，但如果是高速度高精度的LED粘片機(jī)，那就會(huì)放大無(wú)數(shù)倍。因此，對(duì)LED 固晶機(jī)的研究對(duì)加快LED 產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義［2］。

1 LED 鍵合機(jī)點(diǎn)漿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

點(diǎn)漿結(jié)構(gòu)是粘片機(jī)的關(guān)鍵部件，其功能是從勻漿盤粘取銀漿，通過(guò)點(diǎn)漿臂旋轉(zhuǎn)放置在引線框架的裝載杯中，為芯片粘結(jié)做準(zhǔn)備。該裝置需要精確、快速、平穩(wěn)地往返于取漿和點(diǎn)漿兩個(gè)位置，具有高速度、高精度、運(yùn)動(dòng)曲線復(fù)雜等特點(diǎn)。如圖1 所示，為L(zhǎng)ED 粘片機(jī)的工作流程。

圖1 LED 粘片機(jī)工作流程

LED 粘片機(jī)點(diǎn)漿裝置的具體組成部分如圖2 所示。

圖2 LED 粘片機(jī)點(diǎn)漿裝置

工作原理:在勻漿盤注入銀漿;利用視覺(jué)定位，通過(guò)工作臺(tái)進(jìn)給機(jī)構(gòu)把引線框運(yùn)送到點(diǎn)膠工作區(qū);利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)(旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)偏心軸轉(zhuǎn)換成上下運(yùn)動(dòng))把點(diǎn)漿機(jī)構(gòu)提升至最高點(diǎn);旋轉(zhuǎn)點(diǎn)漿臂至勻漿盤蘸漿區(qū);驅(qū)動(dòng)上下電機(jī)，點(diǎn)漿臂進(jìn)行蘸漿(需打開氣動(dòng)裝置吸取銀漿);驅(qū)動(dòng)上下電機(jī)，提升點(diǎn)漿機(jī)構(gòu);旋轉(zhuǎn)點(diǎn)漿臂，利用視覺(jué)定位至芯片蘸漿區(qū);驅(qū)動(dòng)上下電機(jī)，完成點(diǎn)漿工作(需打開氣動(dòng)裝置)。觀察點(diǎn)漿整個(gè)工作流程，不難發(fā)現(xiàn)偏心軸是保證機(jī)構(gòu)高效運(yùn)行的關(guān)鍵部件，偏心軸的靜力學(xué)特性和動(dòng)態(tài)特性的好壞將直接影響設(shè)備的正常工作。利用solidworks 強(qiáng)大的三圍設(shè)計(jì)功能，完成點(diǎn)漿結(jié)構(gòu)的模型設(shè)計(jì)，如圖3 所示。

圖3 點(diǎn)漿裝置整體結(jié)構(gòu)圖

2 偏心軸尺寸參數(shù)確定

由于點(diǎn)漿結(jié)構(gòu)對(duì)運(yùn)動(dòng)速度要求較高，因而要求其在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到高速度，需要很大的加速度，傳統(tǒng)的直線加減速曲線存在速度與加速度的突變，容易引起設(shè)備共振或破壞，因此本文采用了五次多項(xiàng)式的加減速控制曲線(速度及加速度變化平緩，無(wú)突變)［3-4］。

式中:s(t)為位移函數(shù);xm為系統(tǒng)規(guī)定的位移(可以是直線位移也可以是角位移);t為運(yùn)行的時(shí)間;tm為系統(tǒng)總的運(yùn)行時(shí)間;a1～a5為假定參數(shù)。由運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)，可得

式中:v(t)為速度函數(shù);a(t)為加速度函數(shù);j(t)為加加速度函數(shù)。

通過(guò)邊界條件擬合，最終得到的伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)角位移時(shí)間曲線方程如下:

該運(yùn)動(dòng)方程為伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)位移曲線，通過(guò)偏心軸及其他附屬機(jī)構(gòu)完成角位移與線位移的轉(zhuǎn)換。如圖4 所示是偏心軸運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖。

圖4 運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖

如圖4a 所示，偏心軸上下方向的行程為S，偏心段初始位置的角度為a，偏心軸的偏心距為e，他們存在一個(gè)關(guān)系式cosa = S/2e，xm =π-2a。

假設(shè)偏心軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間t，則偏心軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度可以通過(guò)方程(2)來(lái)求出，進(jìn)而通過(guò)三角函數(shù)轉(zhuǎn)換，得到t時(shí)刻，偏心軸豎直方向的位移，具體計(jì)算過(guò)程如下所示:

假設(shè)t時(shí)刻偏心軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度為b，通過(guò)三角函數(shù)轉(zhuǎn)換得出線段c = e* cos(a + b)，因此t時(shí)刻豎直方向的位移為

將方程(2)代入方程(3)，可以得到點(diǎn)漿結(jié)構(gòu)豎直方向的位移時(shí)間曲線:

點(diǎn)漿結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)周期為30ms，上下的最大位移為9mm，代入方程(4)，得到豎直位移關(guān)于時(shí)間t和偏心距e(受尺寸限制，e的取值在4.5mm 到10mm 之間)的方程。

通過(guò)mathematic 軟件，得出偏心軸豎直方向上的位移曲線，速度曲線及加速度曲線，如圖5 所示。

圖5 含變量e 和t 的曲線

由圖5，可以看出e的取值越大，峰值加速度值就越小，這樣提供的力也就越小，因此選取偏心距e=10mm，此時(shí)最大的加速度值及轉(zhuǎn)過(guò)的角位移值為:amax= 58.4m/s2，b =4.98°。

如此確定了偏心軸的結(jié)構(gòu)，主要尺寸:總長(zhǎng)83mm，偏心距為10mm。第一段軸長(zhǎng)28mm，直徑8mm;第二段軸長(zhǎng)29mm，直徑10mm;第三段軸長(zhǎng)3mm，直徑13.5mm;第四段軸長(zhǎng)5mm，直徑33mm;第五段軸長(zhǎng)5mm，直徑12mm;最左端軸長(zhǎng)13mm，直徑為10mm。

圖6 偏心軸結(jié)構(gòu)模型

3 偏心軸的有限元分析

3.1 偏心軸的靜力學(xué)分析

將偏心軸三維模型導(dǎo)入到Ansys14.0 中，材料選用經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的45 鋼，其彈性模量為205GPa，泊松比為0.29，密度為7850kg/m3，選用計(jì)算和求解精度較高的高階三維20 節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)實(shí)體單元solid186，使用智能網(wǎng)格劃分直接建立偏心軸的有限元模型(將圓角、小孔等結(jié)構(gòu)進(jìn)行刪除處理，保證計(jì)算能高效運(yùn)行)，最終有限元模型產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)數(shù)為78592，單元數(shù)為50211，如圖7 所示，為偏心軸的有限元模型［5］。

圖7 偏心軸有限元模型

對(duì)模型加載，從偏心軸的運(yùn)動(dòng)方程可以得出偏心軸運(yùn)動(dòng)的最大加速度，大小為amax=58.4m/s2，負(fù)載約為2kg。由物理學(xué)知識(shí)和設(shè)備結(jié)構(gòu)組成了解到，同樣大小的峰值加速度下，上升過(guò)程中的偏心軸受到更大的壓力，因而可能產(chǎn)生破壞。因此，對(duì)此狀態(tài)下的偏心軸進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到的結(jié)果會(huì)更為真實(shí)。計(jì)算得到偏心軸的最大應(yīng)力值大小136.8N，而此時(shí)偏心軸旋轉(zhuǎn)的角度為68°，因而確定了施力點(diǎn)的位置。

圖8 靜力學(xué)分析結(jié)果

觀察圖8，發(fā)現(xiàn)偏心軸最容易破壞的點(diǎn)在軸肩銜接的地方，與實(shí)際情況相符，最大應(yīng)力大小為37.7MPa，遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度值，因此設(shè)計(jì)較為安全。在正常加工的時(shí)候，為減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，可以在軸肩銜接處增加圓角。

3.2 偏心軸的模態(tài)分析

偏心軸在正常工作時(shí)是利用軸承支撐的，以往在分析此類部件的振型和固有頻率時(shí)，使用剛性約束，這樣就帶來(lái)了分析誤差。為避免上述情況，得到比較準(zhǔn)確的偏心軸的動(dòng)態(tài)特性，在分析設(shè)置的時(shí)候，利用4 個(gè)軸向均勻分布的壓縮彈簧來(lái)模擬軸承的約束，替代傳統(tǒng)的剛性約束分析。選用ANSYS14.0 的彈性阻尼單元Combin14 來(lái)模擬軸承，彈簧的剛度即為軸承的徑向剛度。對(duì)彈簧與偏心軸相連的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行軸向位移約束，對(duì)另一端施加完全約束，得到彈性約束下的偏心軸有限元模型。如圖9 和圖10 所示，分別為軸承對(duì)軸的約束模型和彈性約束下的偏心軸有限元模型［6-7］。

圖9 軸承對(duì)軸的約束模型

圖10 彈性約束下的偏心軸有限元模型

模態(tài)動(dòng)力分析是查看部件的固有屬性，與受載荷的大小無(wú)關(guān)，因此可以忽略載荷對(duì)偏心軸分析的影響。利用ANSYS14.0 模態(tài)分析模塊中的分塊法，進(jìn)行模態(tài)分析。一般機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)是通過(guò)每一階結(jié)構(gòu)固有振型的線性組合表示，而結(jié)構(gòu)低階固有振型對(duì)結(jié)構(gòu)本身的振動(dòng)影響較為明顯，因此結(jié)構(gòu)本身的低階固有振型對(duì)結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)態(tài)特性起決定作用。在提取結(jié)構(gòu)固有頻率和振型的時(shí)候，只需要提取結(jié)構(gòu)前幾階固有頻率及振型即可。根據(jù)偏心軸模態(tài)分析結(jié)果，本文提取了偏心軸的前6 階固有頻率和振型(如表1 和圖11)進(jìn)行分析，并通過(guò)公式n =60f，求解偏心軸的臨界轉(zhuǎn)速，式中f為頻率，單位Hz。

表1 剛性約束下各階頻率及振型描述

圖11 偏心軸各階振型

根據(jù)偏心軸的運(yùn)動(dòng)方程，得到偏心軸的峰值轉(zhuǎn)速為1860r/min，而由表1 可知，偏心軸的1 階固有頻率為5527.1Hz，根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算公式n=60f，得到偏心軸的一階臨界轉(zhuǎn)速大小為331626r/min。不難發(fā)現(xiàn)，偏心軸的工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)避開了其一階臨界轉(zhuǎn)速，不會(huì)有共振情況的發(fā)生。而依據(jù)上述分析結(jié)果，在設(shè)備條件允許的情況下，可以適當(dāng)?shù)奶岣咂妮S的工作速度，提高生產(chǎn)效率。此外，觀察圖11 可知，偏心軸在1 階和2 階的振型都是第二節(jié)直徑末段在平面內(nèi)的來(lái)回?cái)[動(dòng)，在設(shè)計(jì)偏心軸結(jié)構(gòu)的時(shí)候考慮添加倒角，以減小應(yīng)力集中;偏心段的擺動(dòng)也比較明顯，可考慮適當(dāng)增加偏心段的剛度，可以采用加大直徑的方法［8］。

通過(guò)對(duì)偏心軸的模態(tài)分析，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)生疲勞失效的危險(xiǎn)段，為結(jié)構(gòu)的改良提供參考，為后續(xù)的諧響應(yīng)和瞬態(tài)分析提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)論

點(diǎn)漿機(jī)構(gòu)是一種高速運(yùn)動(dòng)裝置，要求有較高的定位精度和運(yùn)動(dòng)精度，而偏心軸作為其關(guān)鍵零部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鍵合機(jī)的整體性能有重要的影響，因此必須對(duì)偏心軸的靜力學(xué)性能和動(dòng)力學(xué)性能給予更高的關(guān)注。

本文將CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))及CAE(計(jì)算機(jī)輔助分析)技術(shù)融入傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，綜合應(yīng)用多種先進(jìn)技術(shù)與方法:

(1)通過(guò)mathematica 軟件實(shí)現(xiàn)偏心軸運(yùn)動(dòng)曲線的規(guī)劃設(shè)計(jì)、偏心軸的關(guān)鍵尺寸設(shè)計(jì);

(2)通過(guò)ANSYS 軟件對(duì)偏心軸進(jìn)行有限元分析，確定強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)需求;

(3)通過(guò)ANSYS 軟件模擬偏心軸的實(shí)際約束情況，得到偏心軸的固有頻率及振型，確定偏心軸的安全工作速度及良好的動(dòng)力學(xué)性能。

運(yùn)用以上設(shè)計(jì)方法有效的提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，縮短了設(shè)計(jì)周期。另外，本文提出的從運(yùn)動(dòng)曲線擬合到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，到有限元分析驗(yàn)證的設(shè)計(jì)建模方法，可以運(yùn)用到各類高速運(yùn)動(dòng)的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具有較高的理論及工程應(yīng)用價(jià)值。

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