12 吋芯片分揀機(jī)龍門架的性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李臣友， 趙永博， 于國輝， 高今朝， 孟憲圓

（河北省數(shù)字影像裝備與數(shù)字顯示技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 秦皇島視聽機(jī)械研究所有限公司， 河北 秦皇島 066000）

0 引言

在關(guān)注設(shè)備剛度、抗震性等基礎(chǔ)性能的提升之外，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)設(shè)備的輕量化及結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)， 是發(fā)展先進(jìn)精密設(shè)備必須要面對(duì)的課題[1]。而傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中對(duì)某個(gè)方案的重新設(shè)計(jì)大多憑借著工程師的經(jīng)驗(yàn)做評(píng)估校核，具有相當(dāng)大的主觀傾向。 目前比較流行的拓?fù)鋬?yōu)化就是一種相對(duì)客觀的優(yōu)化方法， 它能為設(shè)計(jì)者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初始階段提供一個(gè)概念性的設(shè)計(jì)， 使得設(shè)計(jì)在布局上能夠采用最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。但是，如果僅使用某一種優(yōu)化方法會(huì)使優(yōu)化過程存在較多局限性， 難以達(dá)到多項(xiàng)性能指標(biāo)的同步提升的目的。

本文以12 吋芯片分揀機(jī)主梁龍門為研究對(duì)象，通過拓?fù)鋬?yōu)化與尺寸優(yōu)化的綜合使用， 得到一種性能符合要求且減重明顯的龍門結(jié)構(gòu)。

1 12 吋芯片分揀機(jī)

本文涉及的分揀機(jī)主要針對(duì)體積小、薄、脆的芯粒進(jìn)行分揀，主要包括7 部分，見圖1。

通過升降臺(tái)與機(jī)械手的配合實(shí)現(xiàn)芯片的上料與下料功能，通過滑臺(tái)的升降實(shí)現(xiàn)芯片的擴(kuò)膜，并利用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)滑臺(tái)整體平移，以便配合探針系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)，使得吸片系統(tǒng)得以精準(zhǔn)的完成拾取工作，并放入成品盤中，最終送入升降臺(tái)中順利的完成加工。 龍門則是分揀機(jī)設(shè)備上重要的支撐部件，吸片系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)等運(yùn)動(dòng)部件都安裝在龍門上。

圖1 12 吋分揀機(jī)結(jié)構(gòu)布局

在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，既要保證龍門具有足夠的剛度，避免設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后龍門發(fā)生變形， 影響設(shè)備可靠性，又要對(duì)其減重設(shè)計(jì)，提高材料利用率，減少生產(chǎn)加工成本，達(dá)到降本的目的；同時(shí)，還要關(guān)注外部振動(dòng)影響，防止龍門出現(xiàn)共振現(xiàn)象，造成芯粒吸取過程中吸偏，甚至造成芯粒表面劃傷，影響芯粒品質(zhì)。

2 龍門的有限元分析

圖2 最大變形靜力分析云圖

由于機(jī)器結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，設(shè)備更新?lián)Q代迅速，這就需要產(chǎn)品具有較高的性能，為了提高機(jī)器的加工性能，除了合理配置分揀機(jī)部件和控制系統(tǒng)以外，還應(yīng)盡可能提高分揀機(jī)的靜剛度和動(dòng)態(tài)性能[2]。

在有限元分析軟件中，通過對(duì)龍門模型施加外部載荷和約束條件，計(jì)算龍門在工況下的應(yīng)力、變形和前6 階固有頻率，并以此作為優(yōu)化分析的參考標(biāo)準(zhǔn)。 龍門材料選取AISI304，彈性模量為193GPa，泊松比為0.29，密度7930kg/m3。

通過有限元仿真分析得到龍門的最大應(yīng)力為1.93MPa，最大位移為0.001mm。 不難發(fā)現(xiàn)龍門最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，龍門最大變形發(fā)生在龍門中部偏左且變形較小，有較大的剛度冗余。

靜力分析結(jié)果分布云圖如圖2 所示。

安裝于主梁上用于移動(dòng)吸片的直線模組為THK 的GLM10，其基本參數(shù)如下：模組最大行程約為800mm，直線模組最大運(yùn)行為速度4m/s，最大加速度為6G。實(shí)際工作時(shí)， 直線模組的最短運(yùn)動(dòng)距離約為80mm，估算得到直線模組運(yùn)動(dòng)周期為0.05s ～0.2s， 運(yùn) 動(dòng) 頻 率 為5 ～20Hz 左右。

通過表1 的分析結(jié)果可知，龍門的固有頻率遠(yuǎn)大于設(shè)備運(yùn)行激振頻率，在后續(xù)設(shè)計(jì)中可以適度降低頻率優(yōu)化比重。

表1 模態(tài)分析結(jié)果

3 龍門架的拓?fù)鋬?yōu)化

在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)僅僅期望某一種性能取得較好的結(jié)果，常常不能滿足設(shè)計(jì)需要[3]：

（1）僅以應(yīng)變能最小為優(yōu)化目標(biāo)，會(huì)使得材料的去除率較低，優(yōu)化效果不明顯。

（2）僅考慮一階固有頻率最大，會(huì)使得模型的減重過于大，喪失龍門基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重脫離實(shí)際，無法滿足其基礎(chǔ)功能的實(shí)現(xiàn)。

綜合考慮上述兩個(gè)目標(biāo)，既要保證龍門的靜態(tài)剛度，同時(shí)也要降低龍門的低階固有頻率與外部振動(dòng)發(fā)生共振的機(jī)會(huì)，對(duì)二者附加權(quán)重，在不增大質(zhì)量或質(zhì)量有所減小的前提下，得到拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，如圖3 所示[4]。

通過觀察龍門的優(yōu)化結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

（1） 左右支撐立柱變化相對(duì)平整， 支撐立柱內(nèi)部中空， 立柱外側(cè)開有長(zhǎng)孔， 連接支耳處有少許材料去除， 內(nèi)側(cè)去除一塊三角形材料，但由于立柱底部需要與定位鍵相連用于定位，暫不去除。

（2）橫梁外部傳力路徑較為復(fù)雜，內(nèi)部多為中空，考慮到實(shí)際其他部件的安裝位置，不能完全將材料去除，需要根據(jù)材料去除路徑對(duì)其添置筋板已達(dá)到減重目的，暫定壁厚10mm。

圖3 加權(quán)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

4 龍門架的尺寸優(yōu)化

4.1 龍門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前文已經(jīng)得到龍門加權(quán)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果， 兩側(cè)支撐立柱根據(jù)材料分布進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證功能的同時(shí)，盡量減少材料的使用。為簡(jiǎn)化計(jì)算，左側(cè)和右側(cè)立柱采用相同的結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)控制，如圖4 所示。

最終得到立柱的結(jié)構(gòu)及尺寸控制參數(shù)， 關(guān)鍵尺寸定義的變量名稱、原始尺寸及變化范圍如表2 所示。

主梁經(jīng)過拓?fù)浜?，形狀變得相?duì)復(fù)雜，盲目依據(jù)拓?fù)浣Y(jié)果進(jìn)行材料去除， 不僅使得主梁加工工藝難以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)， 與之配套的視覺系統(tǒng)和吸片系統(tǒng)也無法穩(wěn)固的安置在主梁之上，所以， 決定保留原有主梁的外觀， 參照優(yōu)化仿真的材料分布結(jié)果， 對(duì)其進(jìn)行筋板布局的設(shè)計(jì)，如圖5 所示。

圖4 支撐立柱

表2 設(shè)計(jì)變量及變化范圍

圖5 主梁

最終得到主梁尺寸控制參數(shù)，關(guān)鍵尺寸定義的變量名稱、原始尺寸及變化范圍如表3 所示。

表3 設(shè)計(jì)變量及變化范圍

4.2 龍門尺寸優(yōu)化

經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化后的龍門與原始結(jié)構(gòu)相比變得更加復(fù)雜，涉及的尺寸參數(shù)變多，若優(yōu)化每一個(gè)參數(shù)，將增大計(jì)算量，降低效率。 因此，需要首先進(jìn)行龍門各個(gè)尺寸參數(shù)的靈敏度分析，用以判斷各個(gè)參數(shù)對(duì)龍門總質(zhì)量m、靜剛度k（變形）和一階固有頻率f1影響程度的大小。 為得到對(duì)龍門性能影響較大的參數(shù)、減少計(jì)算工作，選取三項(xiàng)相關(guān)度絕對(duì)值之和大于0.6 的參數(shù)作為尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)變量，如表4 所示。

表4 重要尺寸與優(yōu)化目標(biāo)相關(guān)度

以質(zhì)量最小，剛度最大，一階固有頻率最大為優(yōu)化目標(biāo)，利用ANSYS 仿真軟件計(jì)算得到龍門主要優(yōu)化尺寸的最佳值：T2：692mm，T10：93mm，S6：181mm，S7/S8：7mm。

5 龍門架性能分析

將經(jīng)過優(yōu)化取整得到的數(shù)值作為各個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的新值，并進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)分析，得到優(yōu)化前后立柱的性能參數(shù)，見表5。

表5 優(yōu)化前后立柱性能參

結(jié)果表明，經(jīng)過多次優(yōu)化后的龍門，在靜剛度和1 階固有頻率基本保持不變的前提下， 質(zhì)量減小了219.9kg，也說明了拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化的綜合運(yùn)用能夠使機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)，避免靜動(dòng)態(tài)性能的降低。

6 結(jié)論

以12 吋分揀機(jī)主梁龍門為研究對(duì)象， 通過拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化對(duì)龍門進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，觀察優(yōu)化結(jié)果可知：經(jīng)優(yōu)化產(chǎn)生的龍門，在體積、尺寸比例等要素與原結(jié)構(gòu)基本相同的前提下， 質(zhì)量減少40.9%、1 階固有頻率提高6%，而最大變形僅為0.005mm，優(yōu)化效果較為顯著，對(duì)龍門的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義，同時(shí)，本文的研究思路也為分揀機(jī)的其他部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了有益的參考。