超小型IC轉塔式測編一體機凸輪機構運轉分析*

蘆 俊，張佳佳，潘曉華

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

隨著智能手機、網(wǎng)絡通信、智能家電等領域對集成電路的需求持續(xù)擴大，中國集成電路（IC）產(chǎn)業(yè)呈持續(xù)增長的勢頭。早期IC封裝體積較大，隨著技術進步，IC封裝體積大大縮小，近年來隨著終端消費電子便攜化的要求以及物聯(lián)網(wǎng)、三網(wǎng)融合及4G網(wǎng)絡通信技術的進一步發(fā)展，IC封裝形式向著SOT、QFN、TSOP、DFN、LGA等高端超小型方向發(fā)展。隨著IC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，智能手機、智能電視、平板電腦、智能家電、穿戴式設備的普及，超小型封裝成為IC的發(fā)展方向，已占IC市場的80%，并將完全取代傳統(tǒng)封裝形式的IC。2013年國內(nèi)IC產(chǎn)業(yè)的銷售收入規(guī)模為2460.2億元，其中芯片測試行業(yè)銷售額收入規(guī)模為1156.4億元，同比增長21.5%。IC產(chǎn)量越來越多，封裝形式越來越先進，對相應測試設備提出更高要求，測試設備速度越來越高，功能越來越多，復雜程度也越來越高。

由于目前IC超小型化的發(fā)展趨勢，以及IC測試產(chǎn)業(yè)的持續(xù)增長，亟需研發(fā)超小型IC測試專用設備來滿足超小型IC測試市場的需要。轉塔式IC測試打標檢查編帶一體機（簡稱轉塔機）用于對超小型封裝形式的IC如QFN、DFN、SOP、SOT等進行電信號測試、打印標識、外觀檢查和分選編帶[1]。轉塔機具有技術性能先進、功能集成度高、穩(wěn)定性高、測試效率高的特點，大大提高了IC測試速度、降低其測試成本，是未來高端IC測試設備發(fā)展的趨勢。

轉塔機端面凸輪高速旋轉機構是轉塔機實現(xiàn)高生產(chǎn)效率的關鍵機構，通過端面凸輪下壓機構的下壓、上抬運動實現(xiàn)IC拾取，凸輪下壓機構的運行速度和穩(wěn)定性決定了轉塔機的性能。現(xiàn)有中國電科第58所研制的CB-11系列QSOP24轉塔機的端面凸輪下壓機構采用正弦加速度凸輪，完成一個下壓上抬工作循環(huán)最快需要46~50 ms，其中下壓上抬時間各為23~25 ms，但如果提升電機轉速，將下壓上抬時間各縮短到20 ms，就會有沖擊噪聲產(chǎn)生，加劇凸輪的磨損。因而端面凸輪機構的合理設計以減小下壓上抬所需時間，對提高超小型IC生產(chǎn)效率和自動化程度起到重要作用。

2 端面凸輪機構

轉塔機端面凸輪下壓機構由連接在伺服電機輸出軸上的端面凸輪和固定在下壓塊上的隨動軸承組成，其中下壓塊和機座通過線性導軌和彈簧連接，下壓塊可沿線性導軌做上下滑動。具體工作原理如下：在彈簧預緊力的作用下隨動軸承與端面凸輪的端面保持接觸，伺服電機帶動端面凸輪旋轉，在隨動軸承與端面凸輪接觸力的作用下，下壓塊克服彈簧阻力下移，即固定在下壓塊上的頂桿下移，同時彈簧產(chǎn)生壓縮。隨后端面凸輪回轉，下壓塊在彈簧彈力的作用下上升。

轉塔機的端面凸輪下壓機構見圖1。其中端面凸輪最小半徑5.5 mm ，滾子寬度2 mm，升程5.5 mm；隨動軸承半徑3 mm；彈簧剛度系數(shù)0.63 N/mm。

圖1 轉塔機端面凸輪下壓機構

3 仿真分析

3.1 接觸定義

使用Solidworks軟件建立端面凸輪下壓機構的三維模型并導入ADAMS，添加運動副和接觸[2]。

ADAMS軟件采用基于碰撞函數(shù)的接觸算法[3~4]，接觸力由兩部分組成：一個是由兩個構件之間相互切入而產(chǎn)生的彈性力，另一個是由相對速度產(chǎn)生的阻尼力。

接觸力的公式為F=kde+Cvi。式中k為剛度值，取決于碰撞物體的材料和結構形狀，通常取默認值1×105；d為施加全阻尼時的邊界穿透量，合適值為0.1 mm；e為力的變形特征指數(shù)，金屬與金屬材料接觸取1.5；C為阻尼系數(shù)，通常取剛度值的0.1%~1%；vi為相對于位移的碰撞速度。

根據(jù)ADAMS默認值取k=100 000 N/mm，取阻尼系數(shù)C= 50 Ns-1/mm，e= 1.5，穿透深度d= 0.1 mm。并取動摩擦系數(shù)μd= 0.05，靜摩擦系數(shù)μs= 0.08。

3.2 凸輪運動參數(shù)的確定

定義端面凸輪與隨動軸承的接觸后，再確定端面凸輪的運動參數(shù)。一般設計中，默認端面凸輪為勻速運動，而本文中的轉塔機端面凸輪下壓機構的下壓和上抬運動受伺服電機控制，以實現(xiàn)間歇性往復運動，設計端面凸輪下壓機構的下壓時間20 ms，上抬時間20 ms，其速度曲線如圖2所示。

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

if(time-0.01:2040000d,2040000d,if(time-0.02:-2040000d,-2040000d,if(time-0.03:-2040000d,-2040000d,2040000d)))。

圖2 端面凸輪的速度曲線

3.3 仿真比較

推桿的運動規(guī)律是指推桿的位移s、速度v和加速度a隨時間t變化的規(guī)律。當凸輪勻速轉動時，推桿常用運動規(guī)律有等速運動、等加速運動、余弦加速度、正弦加速度，其中正弦加速度凸輪的加速度從零開始增大，沒有突變，適用于高速場合。凸輪機構中推桿運動規(guī)律的選擇關系到凸輪機構的工作質量。凸輪機構的形式、有關基本尺寸確定后，根據(jù)選定推桿的運動規(guī)律設計出凸輪應有的輪廓尺寸[5~6]。

考慮到本轉塔機使用等加速凸輪，以及正弦加速度凸輪良好的動力學特性，故采用ADAMS軟件對推桿運動規(guī)律為等加速和正弦加速度的端面凸輪下壓機構進行仿真分析，研究端面凸輪高速轉動時凸輪下壓機構的運動學動力學特性。取仿真時間40 ms，步數(shù)4000步。

3.3.1 等加速運動規(guī)律

圖3 等加速運動規(guī)律端面凸輪

圖4 等加速運動規(guī)律速度、加速度曲線

圖5 等加速運動規(guī)律位移、接觸力曲線

建立等加速運動規(guī)律端面凸輪下壓機構的三維模型，導入ADAMS，設置參數(shù)后先進行靜平衡分析，再進行仿真，結果如圖4、圖5所示。由圖可知等加速運動規(guī)律的端面凸輪機構加速度最大值為9.98×105mm/s2，碰撞力最大值為35.07 N，且在0.03 s左右即下壓塊上抬階段，接觸力等于0，說明隨動軸承和凸輪脫離，之后接觸力迅速增大，有振動噪聲產(chǎn)生。

3.3.2 正弦加速度運動規(guī)律

圖6 正弦加速度運動規(guī)律端面凸輪

建立正弦加速度運動規(guī)律端面凸輪下壓機構的三維模型，導入ADAMS，設置參數(shù)后先進行靜平衡分析，再進行仿真，結果如圖7、圖8所示。

圖7 正弦加速度運動規(guī)律速度、加速度曲線

由圖可知正弦加速度運動規(guī)律的端面凸輪機構加速度最大值為7.78×105mm/s2，碰撞力最大值為30.71 N，且運動過程中端面凸輪和隨動軸承始終保持接觸。

圖8 正弦加速度運動規(guī)律位移、接觸力曲線

對比可知，當端面凸輪的轉速曲線為三角波時，仿真得到的正弦加速度運動規(guī)律的端面凸輪下壓機構力曲線優(yōu)于等加速運動規(guī)律凸輪的曲線，即最大加速度小、碰撞力較小，且沒有沖擊噪聲，故本轉塔機設計采用正弦加速度運動規(guī)律的端面凸輪。

為驗證仿真結果的準確性，將CB-11系列轉塔機的等加速運動規(guī)律端面凸輪替換為正弦加速度運動規(guī)律端面凸輪，在相同條件下進行試驗，正弦加速度運動規(guī)律的端面凸輪下壓機構完成一個下壓上抬工作循環(huán)最快需要42~44 ms，其中下壓上抬時間各為21~22 ms，和仿真結果有細微差異，這主要由端面凸輪的加工精度造成，但比等加速端面凸輪機構更快更平穩(wěn)，能夠實現(xiàn)轉塔機的高效穩(wěn)定運行。

4 結論

轉塔機工作時要求下壓塊高速、平穩(wěn)地運動，并能保證凸輪機構在沖擊、精度及壽命等方面的要求。

本文采用ADAMS軟件對轉塔機端面凸輪下壓機構的高速旋轉運動進行仿真，結果表明從動件運動規(guī)律為正弦加速度的端面凸輪機構的力學性能較好，且能實現(xiàn)下壓機構的高速旋轉，對此進行試驗，結果驗證了仿真的準確性。

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