面向LED封裝的XY二自由度的工作臺(tái)的設(shè)計(jì)
面向LED封裝的XY二自由度的工作臺(tái)的設(shè)計(jì),面向,led,封裝,xy,自由度,工作臺(tái),設(shè)計(jì)
引線鍵合的低成本分析
Equipment for Electronic Products ManufacturingEPE（總第160期）May.2008引線鍵合的低成本解決方案Jong-Soo Cho,Jeong-Tak,Moon(R&D,MK Electron Co.,Ltd.Korea,449-812)摘要:最近,金價(jià)不斷上漲突破了35.4美元/g,同時(shí)半導(dǎo)體產(chǎn)品特別是存儲(chǔ)器類產(chǎn)品的價(jià)格卻不斷下降。目前半導(dǎo)體行業(yè)最大的挑戰(zhàn)是如何控制并降低成本。為了降低引線鍵合的原材料成本,近年來金-銀合金引線已被開始用來替代金線鍵合。但是,由于金-銀合金引線鍵合的器件在測(cè)試中出現(xiàn)的故障,不能用于在高濕度環(huán)境下進(jìn)行可靠性測(cè)試(例如PCT測(cè)試)的器件,使其在應(yīng)用上受到限制。研究了傳統(tǒng)Au-Ag合金引線鍵合的電子器件在PCT測(cè)試時(shí)所產(chǎn)生的故障機(jī)理和鈀元素的作用,通過在Au-Ag合金引線中摻入(Pd)鈀元素來阻止在高濕度環(huán)境下進(jìn)行可靠性測(cè)試時(shí)出現(xiàn)的故障。關(guān)鍵詞:Au-Ag合金引線;PCT(高壓爐測(cè)試);潮濕度;可靠性
1介紹
金被廣泛的作為半導(dǎo)體封裝的引線鍵合。然而，為了降低半導(dǎo)體工業(yè)的成本，用其它廉價(jià)的金屬線替代金線成為一個(gè)嚴(yán)峻的問題。金和銀能純粹的溶解，使高容量的銀作為合金成分加入金成為可能，因此可以節(jié)約半導(dǎo)體封裝中的金屬線成本。這個(gè)眾所周知，然而，金銀球與鋁墊之間連接的退化是一個(gè)嚴(yán)峻的問題。濕度可靠性問題在金銀合金中起的障礙作用給半導(dǎo)體封裝減低成本帶來了困難。有兩個(gè)問題需要考慮：（1）為什么金銀球與鋁材料的粘合能力在濕度測(cè)試中如此脆弱。（2）在金銀合金線中用Pd元素解決濕度可靠性中未實(shí)現(xiàn)的問題。
2討論與結(jié)果
2.1 FAB的三種形狀：第一種連接、第二種連接、環(huán)狀連接
電子掃描顯微鏡圖象監(jiān)測(cè)查出在圖1中不論是自由氣球連接第一種連接、第二類針腳連接還是環(huán)狀都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。結(jié)果是，我們需要的是在所有情況下都不會(huì)出現(xiàn)問題的類型。
2.2高壓爐測(cè)試后的連接能力
4N的金、含15%的銀的金、含15%銀和5%鈀的金三種金屬線（直徑均為20微米）以球形方式連接到鋁上面。使這三種樣例作用在JESD 22-A102，高壓爐條件下（121攝氏度，204.9X10（-3）兆帕100%RH）
在圖2中顯示了垂直線描述了連接拉力測(cè)試水平，水平線描述了高壓爐測(cè)試的持續(xù)時(shí)間。查看圖表可以看出含銀15%的金的的金屬線和純金的金屬線對(duì)比高壓爐測(cè)試24小時(shí)后連接拉力水平大幅度下降。再次進(jìn)行對(duì)比，金含量為99.99%的金屬線和含！金中含15%銀5%鈀的金屬線，同樣條件下，他們保持了原來的連接拉力水平。
因此，我們知道鈀元素可以減緩含15%銀的金線在高壓爐測(cè)試中連接力的降低。
圖3顯示了球形扭轉(zhuǎn)測(cè)試結(jié)果，在含銀15%的金線中，球形扭轉(zhuǎn)測(cè)試水平和圖2中的連接拉力測(cè)試水平相比較下降緩慢。但總體趨勢(shì)和圖2中的連接拉力測(cè)試水平幾乎相似。
圖4反映出了含銀15%金線與鋁墊分界面經(jīng)過高壓爐測(cè)試后的電子發(fā)射掃描顯微鏡圖像，查看圖片可以發(fā)現(xiàn)在鋁墊上有金屬化合復(fù)合物。這就是觀測(cè)到的黑色線條，含銀15%的金線與金銀鋁復(fù)合物之間的微小裂縫。
圖5顯示了這條線沿著電子發(fā)射掃描顯微鏡圖像中的紅線經(jīng)過電子數(shù)據(jù)測(cè)試后的掃描分析，分析還顯示了氧、鋁、金、銀四種元素。作為一個(gè)顯著的結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)氧氣高峰和鋁高峰周圍是裂縫較多的區(qū)域。從裂縫周圍的鋁氧化物，我們可以猜想裂縫是由鋁氧化物引起的。氧化層與裂縫發(fā)生的原因是電流腐蝕，即銀的移動(dòng)現(xiàn)象。
圖6顯示了含銀15%的金線之間經(jīng)過電子射線顯微鏡圖像與經(jīng)過電子能量損失光譜儀繪制的氧的圖像的分界面。觀測(cè)到IMC的厚度在50至100納米之間，裂縫在10至30納米之間。
經(jīng)過電子能量損失光譜儀分繪制的氧元素都分布在裂縫的區(qū)域，因此裂縫是由腐蝕導(dǎo)致這個(gè)結(jié)論再次被證實(shí)。
圖7顯示了電子射線顯微鏡和電子能量損失光譜儀分析鈀元素對(duì)含銀15%鈀5%的金線球與鋁材料分界面經(jīng)過高壓爐96小時(shí)測(cè)試后的影響。
查看電子射線顯微鏡和電子能量損失光譜儀圖像可以發(fā)現(xiàn)更稀少的金屬復(fù)合物還有更少氧與沒有鈀元素之間的比較。測(cè)量得到IMC的厚度在20至30納米之間，并且在電子射線顯微鏡圖像中沒有發(fā)現(xiàn)裂縫。
因此，在含銀15%的金線中加入鈀會(huì)使形成的金屬氧化復(fù)合物和氧更少，并且沒有裂縫。
3 結(jié)論
3.1含銀15%的金線連接到鋁墊的情況
（1）高壓爐測(cè)試使得連接強(qiáng)度大幅下降
（2）鋁氧化層的形成會(huì)導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生，導(dǎo)致連接能力下降
（3）氧化物形成與裂縫產(chǎn)生的原因是電流腐蝕。在高溫和高濕度條件下，銀會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)現(xiàn)象
3.2在含銀15%d的金線中加入鈀的情況
（1）在含銀15%的金線中加入鈀會(huì)改善連接能力的在高壓爐測(cè)試后的大幅下降
（2）加入鈀使得IMC的產(chǎn)生更少，并且可以防止氧化層的形成
面向LED封裝的XY二自由度的工作臺(tái)的設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名：賈辰光 班級(jí)：0782052
指導(dǎo)老師：張緒坤
摘要：現(xiàn)代LED封裝技術(shù)的發(fā)展基于數(shù)控技術(shù)，數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床理所當(dāng)然的成為制造業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。工作臺(tái)作為被控對(duì)象，通過伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)精密定位，是數(shù)控機(jī)床不可或缺的部分。
本文以設(shè)計(jì)面向LED封裝的高速、高精密度工作臺(tái)為目標(biāo)，以機(jī)械動(dòng)力學(xué)理論知識(shí)為基礎(chǔ)，深入的研究了十字型高速、高精密度定位平臺(tái)。完成的工作有伺服電機(jī)的選型和對(duì)工作臺(tái)機(jī)械部件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，其中機(jī)械部件的選型設(shè)計(jì)主要包括滾珠絲杠的選型、滾動(dòng)導(dǎo)軌的選型、軸承和聯(lián)軸器的選型及主要主要支撐部件的外形設(shè)計(jì)，確保工作臺(tái)的定位精度為，重復(fù)定位精度為0.015mm。
關(guān)鍵字：工作臺(tái) 滾珠絲杠副 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副
指導(dǎo)老師簽名：
Two spends XY being geared to the needs of LED encapsulation to liberty working table
Student name: JiaChenguang Class: 0781052
Supervisor: ZhangXukun
Abstract:The development of modern LED encapsulation technology is based on numerical control technology, the numerical control technology and CNC machine , as a matter of course has become the focus of attention of manufacturing industry. As the controlled object ,Workbench realize precision positioning through servo motoring, which is an integral part of the nc machine tools.
Taking the high-speed and high -precision workable of LED encapsulation as object and mechanical dynamics theory knowledge as basis, this paper researches the cruciformed high-speed, high precision positioning platform thoroughly. The work finished includes the lectotype of servo-actuator and design of mechanical part workbench, in which the type selection of mechanical components includes the selection of ball screw ,rolling guaid ,bearing and coupling , and the configuration design of main propping components to ensure the positioning accuracy of worktable for , repositioning precision for 0.015 mm.
Keywords: workbench ball screw linear rolling guide vice
Signature of supervisor:
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
I、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：
面向LED封裝的XY二自由度的工作臺(tái)的設(shè)計(jì)
II、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計(jì)技術(shù)要求：
1、X-Y行程范圍*：50-400mm；
2、速度范圍：10-800mm/s；
3、負(fù)載范圍:150-2500N；
4、分辨率范圍：01-0.01mm；
5、重復(fù)定位精度范圍：0.003-0.007mm。
III、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作內(nèi)容及完成時(shí)間：
1．查閱資料，英文資料翻譯 （2周）1月3日～1月17日
2．撰寫開題報(bào)告 （1周）1月18日～1月23日
3. 設(shè)計(jì)并繪制LED封裝工作臺(tái)設(shè)計(jì)裝配圖 （5周）2月21日～3月27日
4．繪制主要零件圖若干張 （4周）3月27日～4月23日
5．編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書（畢業(yè)論文）一份 （3周）4月25日～5月21日
6．畢業(yè)設(shè)計(jì)審查、畢業(yè)答辯 （1.5周）5月23日～ 6月2日
Ⅳ 、主 要參考資料：
[1] 璞良貴，紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計(jì).第七版.北京：高等教育出版社，2001
[2] 趙松年，張奇鵬. 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，1996
[3] 徐灝主編，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.12
[4] 李克永.化工機(jī)械手冊(cè). 天津: 天津大學(xué)出版社，1991.5
[5] M F Caggiano, E Barkley, M Sun, J T Kleban, Electrical modeling of the chip scale ball grid array package at radio frequencies, Microelectronics Journal, 2000, 31:701～709
航空與機(jī)械工程系 系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專業(yè)類 0781052 班
學(xué)生（簽名）：
填寫日期： 2011 年 1 月 3 日
指導(dǎo)教師（簽名）：
助理指導(dǎo)教師(并指出所負(fù)責(zé)的部分)：
航空與機(jī)械工程 系主任（簽名）：
附注:任務(wù)書應(yīng)該附在已完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書首頁。
學(xué)士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明
本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含法律意義上已屬于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他學(xué)位申請(qǐng)的論文或成果。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。
作者簽名： 日期：
學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書
本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)南昌航空大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。
作者簽名： 日期：
導(dǎo)師簽名： 日期：
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
題目 面向LED封裝的XY二自由度的工作臺(tái)的設(shè)計(jì)
專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 078105213
學(xué) 生 姓 名 賈辰光
指 導(dǎo) 教 師 張緒坤
填 表 日 期 2011 年 1 月 23 日
說 明
開題報(bào)告應(yīng)結(jié)合自己課題而作，一般包括：課題依據(jù)及課題的意義、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）、研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度、參考文獻(xiàn)等內(nèi)容。以下填寫內(nèi)容各專業(yè)可根據(jù)具體情況適當(dāng)修改。但每個(gè)專業(yè)填寫內(nèi)容應(yīng)保持一致。
一、選題的依據(jù)及意義：
工作臺(tái)系統(tǒng)是LED封裝行業(yè)中的一種重要制造裝備。LED行業(yè)在我國作為一個(gè)新興行業(yè)，這幾年來發(fā)展較快，特別是新型半導(dǎo)體（LED）照明，隨著發(fā)光材料與發(fā)光技術(shù)的不斷革新，半導(dǎo)體技術(shù)在照明領(lǐng)域掀起了一場(chǎng)新的革命——半導(dǎo)體照明。半導(dǎo)體（LED）照明產(chǎn)品，尤其是氮化鎵基（GaN）白光 LED照明光源體積小、重量輕、方向性好并可耐各種惡劣條件，在功耗、壽命以及環(huán)保等方面均有不可比擬的優(yōu)越性。隨著第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵的突破和藍(lán)、綠、白光LED的問世，半導(dǎo)體照明工具有望替代傳統(tǒng)白熾燈、日光燈、鹵素?zé)舻闹鲗?dǎo)地位，成為廣泛應(yīng)用的節(jié)能環(huán)保的優(yōu)質(zhì)光源，成為照明行業(yè)的主流產(chǎn)品。甚至有人評(píng)價(jià)說，半導(dǎo)體照明帶來的是“照明領(lǐng)域的第三次革命”，“其意義不亞于以人類高高舉起第一根火把和愛迪生發(fā)明第一只白熾燈為代表的前兩次照明領(lǐng)域的革命?！蹦壳?，LED作為“照亮未來的技術(shù)”，已受到越來越多國家的重視。
封裝是指安裝半導(dǎo)體電路外殼，不僅起著安放、固定、密封、保護(hù)芯片使之不受外界環(huán)境干擾和腐蝕破壞的作用，而且是溝通內(nèi)部電路與外部電路的橋梁。所謂LED封裝加工是將晶片上的連接點(diǎn)用導(dǎo)線封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過導(dǎo)線與其他電路連接，因此，封裝對(duì)LED芯片起著重要的作用。而陰險(xiǎn)鍵合(Wire blonding)技術(shù)仍然是LED封裝連接技術(shù)中廣泛使用的靈活形式，焊線機(jī)是用鋁線（或其他材料）把電路板上的壓焊點(diǎn)與外殼或引線框架上的外引線引出端通過鍵合連接起來。
信息化社會(huì)的到來，促進(jìn)了現(xiàn)代信息顯示技術(shù)的發(fā)展，形成了CRT、LCD、PDP、LED、EL、DLP等系列的信息顯示產(chǎn)品，縱觀各類顯示產(chǎn)品，各有其所長和適宜的市場(chǎng)應(yīng)用需求。隨著LED材料技術(shù)和工藝的提升，LED顯示屏以突出的優(yōu)勢(shì)成為平板顯示的主流產(chǎn)品之一，并在社會(huì)經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，主要包括：
（1）證券交易、金融信息顯示。這一領(lǐng)域的LED顯示屏占到了前幾年國內(nèi)LED顯示屏需求量的50%以上，目前仍有較大的需求。
（2）機(jī)場(chǎng)航班動(dòng)態(tài)信息顯示。民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)對(duì)住處顯示的要求非常明確，LED顯示屏是航班住處顯示系統(tǒng)FIDS（Flight information Display system）的首選產(chǎn)品。
（3）港口、車站旅客引導(dǎo)信息顯示。以LED顯示民間為主體的信息系統(tǒng)和廣播系統(tǒng)、列車到發(fā)揭示系統(tǒng)、票務(wù)信息系統(tǒng)等共同構(gòu)成客運(yùn)樞紐的自動(dòng)化系統(tǒng)，成為國內(nèi)火車站和港口技術(shù)發(fā)展和改造的重要內(nèi)容。
（4）體育場(chǎng)館信息顯示。LED顯示屏作為比賽信息顯示和比賽實(shí)況播放的的主要手段已取代了傳統(tǒng)的燈光及CRT顯示屏，在現(xiàn)代化體育場(chǎng)館成為必備的比賽設(shè)施。
（5）道路交通信息顯示。智能效通系統(tǒng)（ITS）的興起，在城市效通、高速公路等領(lǐng)域，LED顯示民間作為可變情報(bào)板、限速標(biāo)志等，得到普遍采用。
（6）調(diào)度指揮中心信息顯示。電力調(diào)度、車輛動(dòng)態(tài)跟蹤、車輛調(diào)高度管理等，也在逐步采用高密度的LED顯示屏。
（7）郵政、電信、商場(chǎng)購物中心等服務(wù)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)宣傳及信息顯示。
（8）廣告媒體新產(chǎn)品。除單一大型戶內(nèi)、戶外LED顯示屏做為廣告媒體外，集群LED顯示屏廣告系統(tǒng)、列車LED顯示屏廣告發(fā)布系統(tǒng)等也已得到采用并正在推廣。
（9）演出和集會(huì)。大型LED顯示屏越來越普遍的用于公共和政治目的的視頻直播，如在我國建國50周年大慶、世界各地的新千年慶典等重大節(jié)日中，大型LED顯示屏在播放實(shí)況和廣告信息發(fā)布方面發(fā)揮了卓越的作用。
（10）展覽會(huì)，LED顯示大屏幕作為展覽組織者提供的重要服務(wù)內(nèi)容之一，向參展商提供有償服務(wù)，國外還有一些較大的LED大屏幕的專業(yè)性租賃公司，也有一些規(guī)模較大的制造商提供租賃服務(wù)。
經(jīng)過近十年的發(fā)展，我國LED顯示屏產(chǎn)業(yè)發(fā)展目前已初具規(guī)模，基本形成了一批具有一定規(guī)模的骨干企業(yè)。進(jìn)入新世紀(jì)，光電子產(chǎn)業(yè)得到廣泛的重視，一些具有實(shí)力和影響的企業(yè)把LED顯示屏作為經(jīng)營戰(zhàn)略發(fā)展的重要內(nèi)容，涉足LED顯示屏產(chǎn)業(yè)，中國加入WTO、北京申奧成功等，成為LED顯示屏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的契機(jī)，預(yù)計(jì)在近兩年內(nèi)，我國的LED顯示屏產(chǎn)業(yè)將會(huì)有較大的調(diào)整和發(fā)展。
目前國內(nèi)主要LED顯示民間制造廠商主要集中在華東、華北、華南區(qū)域，大型制造商的市場(chǎng)范圍幾乎覆蓋整個(gè)國內(nèi)市場(chǎng)。國內(nèi)LED廠商數(shù)量也在逐增加，目前比較上規(guī)模的（年產(chǎn)值在300萬元以上）估計(jì)有150余家，其中年產(chǎn)值上千萬的有20余家。而且由于國產(chǎn)LED顯示屏的性價(jià)比比較高，市場(chǎng)占有率近100%，國外同類產(chǎn)品基本沒有市場(chǎng)。目前在國內(nèi)市場(chǎng)上，國產(chǎn)LED顯示屏的市場(chǎng)占有率近100%，國外同類產(chǎn)品基本沒有市場(chǎng)，四十三屆世乒賽主會(huì)場(chǎng)天津體育中心、京九鐵路、北京西客站首都機(jī)場(chǎng)、浦東機(jī)場(chǎng)等，均由國內(nèi)代表企業(yè)中標(biāo)。國內(nèi)LED顯示屏產(chǎn)品及市場(chǎng)發(fā)展迅速，廠家眾多，但目前主導(dǎo)骨干企業(yè)群尚在形成之中，處于群雄逐鹿的時(shí)代。隨著LED顯示產(chǎn)品行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)逐步變得有序，市場(chǎng)即將轉(zhuǎn)入規(guī)模化、品牌化競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)逐步形成實(shí)力占據(jù)市場(chǎng)分額50%以上的三到五家企業(yè)時(shí)，顯示屏市場(chǎng)將趨于成熟。
節(jié)能是LED最大的特點(diǎn),在我國具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。中國照明用電約占總電量的12%, 保守估計(jì)2010年我國總發(fā)電量將達(dá)到30000億度,照明用電將達(dá)到約3600億度,如能節(jié)約一半的照明用電就是1800億度,相當(dāng)于兩個(gè)三峽電站的年發(fā)電量。照明節(jié)能產(chǎn)生了兩方面益處：能源消耗的節(jié)約和二氧化碳?xì)怏w排放的減少。
根據(jù)LED顯示屏專業(yè)委員會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2001年成員單位的出口額約為4億元人民幣，這是LED顯示屏走向國際市場(chǎng)的良好跡象。國產(chǎn)LED顯示屏走出國門加入國際市場(chǎng)將使LED產(chǎn)業(yè)得到大的提升。
據(jù)科學(xué)界預(yù)測(cè)，到2008年，全球LED的產(chǎn)值將從 2004年的125億美元提高到500億美元。美國能源部研究報(bào)告分析，到2010年，美國將有55％的白熾燈和熒光燈被半導(dǎo)體燈替代，每年節(jié)約電費(fèi)可達(dá) 350億美元，半導(dǎo)體燈有望形成500億美元的大產(chǎn)業(yè)。韓國政府也拿出1億美元發(fā)展本國的LED照明產(chǎn)業(yè)。日本則提出，2006年將用半導(dǎo)體燈大規(guī)模替代傳統(tǒng)的白熾燈。目前，美國GE、荷蘭飛利浦、德國歐斯朗三大世界照明生產(chǎn)巨頭紛紛與半導(dǎo)體公司合作組建半導(dǎo)體照明公司，搶占產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)，目標(biāo)是使半導(dǎo)體照明成為21世紀(jì)的新光源。
二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）：
目前，大多數(shù)封裝裝備中采用的是電機(jī)——滾珠絲杠式的驅(qū)動(dòng)方式，伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過絲杠轉(zhuǎn)為定位平臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)，其極限加速度可以達(dá)到1g。
日本發(fā)明了一種采用直線電磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的XY定位平臺(tái)，可以有效地提高定位系統(tǒng)的速度和可靠性。省去了旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，從而都不痛的提高了 XY定位平臺(tái)的性能。但目前存在的問題是，無論用哪種直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，動(dòng)補(bǔ)痛程度的存在滯后、有限響應(yīng)、有限加速度及速度等問題，且不同程度的限制了定位精度的進(jìn)一步提高。音圈電機(jī)(Yoica Coil Aotuator)是另一種可用于直接驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)元件它是基于安培力原理制造的，除了和直線電機(jī)一樣避免了傳動(dòng)環(huán)節(jié)存在間隙等不足外，在理論上具有無限分辨率，還有無滯后、高響應(yīng)、高加速度、高速度、體積小、力特性好、控制方便等優(yōu)點(diǎn)使音圈電機(jī)更適用于要求高加速度，高頻激勵(lì)，快速和高精度定位的控制系統(tǒng)中[ss.}s]將其用于高頻啟動(dòng)和轉(zhuǎn)向的引線鍵合設(shè)備定位機(jī)構(gòu)中，無疑是理想的選擇。
如下圖所示即為音圈電機(jī)應(yīng)用在半導(dǎo)體加工設(shè)備中的XY定位平臺(tái)上的實(shí)例，在該X7定位平臺(tái)單方向，即X向采用了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，Y向
則用平面直線電機(jī)驅(qū)動(dòng).新加坡發(fā)明的雙向都采用音圈電書1來驅(qū)動(dòng)的XY精密定位平臺(tái)，即在該安裝有焊頭的XY定位平臺(tái)中，其X向和Y向均采用音圈電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)焊頭在水平面的兩自由度運(yùn)動(dòng)。又比如美國BEITedmologies公司的音圈電機(jī)也有用在XY定位平臺(tái)上的成功范例。
近年來，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種形式的封裝樣式越來越多，LED封裝高速、高精度的需求日益緊迫。為進(jìn)一步提高質(zhì)量和生產(chǎn)率，對(duì)該類設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)速度、加速度等性能提出了更高的要求，也體現(xiàn)了該類作業(yè)裝備向高速、高精度方向發(fā)展的趨勢(shì)。這就要求LED的封裝技術(shù)不斷的發(fā)展和改良。
3、 研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案：
主要研究面向LED封裝的XY二自由度的工作臺(tái)的設(shè)計(jì)，主要工作包括電機(jī)的選擇、導(dǎo)軌的選擇、軸承的選擇、滾珠絲桿的設(shè)計(jì)、聯(lián)軸器的選擇、機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度
目標(biāo)：工作臺(tái)運(yùn)行能達(dá)到精度要求，工作臺(tái)運(yùn)行可靠。
主要特色：能自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行精度。
工作進(jìn)度：第一周查閱有關(guān)資料，做好準(zhǔn)備工作，完成電機(jī)的選擇
第二周完成軸的設(shè)計(jì)以及軸承的選擇
第三周完成帶與帶輪的設(shè)計(jì)，完成X軸上旋臺(tái)的設(shè)計(jì)
第四周完成導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)，完成滾珠絲桿的設(shè)計(jì)工作
第五周完成聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)以及X-Y工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
第六周完成工作臺(tái)二維與三維圖紙的繪制，并完成文字的整理工作。
5、 參考文獻(xiàn)
[1] 璞良貴，紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計(jì).第七版.北京：高等教育出版社，2001
[2] 趙松年，張奇鵬. 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，1996
[3] 徐灝主編，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.12
[4] 李克永.化工機(jī)械手冊(cè). 天津: 天津大學(xué)出版社，1991.5
[5] M F Caggiano, E Barkley, M Sun, J T Kleban, Electrical modeling of the chip scale ball grid array package at radio frequencies, Microelectronics Journal, 2000, 31:701～709
南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
面向LED封裝的XY二自由度的工作臺(tái)的設(shè)計(jì)
1. 前 言
封裝是指安裝半導(dǎo)體電路外殼，不僅起著安放、固定、密封、保護(hù)芯片使之不受外界環(huán)境干擾和腐蝕破壞的作用，而且是溝通內(nèi)部電路與外部電路的橋梁。所謂LED封裝加工是將晶片上的連接點(diǎn)用導(dǎo)線封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過導(dǎo)線與其他電路連接，因此，封裝對(duì)LED芯片起著重要的作用。而陰險(xiǎn)鍵合(Wire blonding)技術(shù)仍然是LED封裝連接技術(shù)中廣泛使用的靈活形式，焊線機(jī)是用鋁線（或其他材料）把電路板上的壓焊點(diǎn)與外殼或引線框架上的外引線引出端通過鍵合連接起來。
近年來，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種形式的封裝樣式越來越多，LED封裝高速、高精度的需求日益緊迫。為進(jìn)一步提高質(zhì)量和生產(chǎn)率，對(duì)該類設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)速度、加速度等性能提出了更高的要求，也體現(xiàn)了該類作業(yè)裝備向高速、高精度方向發(fā)展的趨勢(shì)。這就要求LED的封裝技術(shù)不斷的發(fā)展和改良。
目前，大多數(shù)封裝裝備中采用的是電機(jī)——滾珠絲杠式的驅(qū)動(dòng)方式，伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過絲杠轉(zhuǎn)為定位平臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)，其極限加速度可以達(dá)到1g。
日本發(fā)明了一種采用直線電磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的XY定位平臺(tái)，可以有效地提高定位系統(tǒng)的速度和可靠性。省去了旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，從而都不痛的提高了 XY定位平臺(tái)的性能。但目前存在的問題是，無論用哪種直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，動(dòng)補(bǔ)痛程度的存在滯后、有限響應(yīng)、有限加速度及速度等問題，且不同程度的限制了定位精度的進(jìn)一步提高。音圈電機(jī)(Yoica Coil Aotuator)是另一種可用于直接驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)元件它是基于安培力原理制造的，除了和直線電機(jī)一樣避免了傳動(dòng)環(huán)節(jié)存在間隙等不足外，在理論上具有無限分辨率，還有無滯后、高響應(yīng)、高加速度、高速度、體積小、力特性好、控制方便等優(yōu)點(diǎn)使音圈電機(jī)更適用于要求高加速度，高頻激勵(lì)，快速和高精度定位的控制系統(tǒng)中[ss.}s]將其用于高頻啟動(dòng)和轉(zhuǎn)向的引線鍵合設(shè)備定位機(jī)構(gòu)中，無疑是理想的選擇。
如下圖所示即為音圈電機(jī)應(yīng)用在半導(dǎo)體加工設(shè)備中的XY定位平臺(tái)上的實(shí)例，在該X7定位平臺(tái)單方向，即X向采用了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，Y向
則用平面直線電機(jī)驅(qū)動(dòng).新加坡發(fā)明的雙向都采用音圈電書1來驅(qū)動(dòng)的XY精密定位平臺(tái)，即在該安裝有焊頭的XY定位平臺(tái)中，其X向和Y向均采用音圈電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)焊頭在水平面的兩自由度運(yùn)動(dòng)。又比如美國BEITedmologies公司的音圈電機(jī)也有用在XY定位平臺(tái)上的成功范例。
近年來，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種形式的封裝樣式越來越多，LED封裝高速、高精度的需求日益緊迫。為進(jìn)一步提高質(zhì)量和生產(chǎn)率，對(duì)該類設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)速度、加速度等性能提出了更高的要求，也體現(xiàn)了該類作業(yè)裝備向高速、高精度方向發(fā)展的趨勢(shì)。這就要求LED的封裝技術(shù)不斷的發(fā)展和改良。
本文面向LED封裝的XY二自由度的工作臺(tái)的設(shè)計(jì)為課題，設(shè)計(jì)一部高速、高精度、可靠的LED封裝設(shè)備工作臺(tái)。
2 X—Y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式
本次設(shè)計(jì)的工作臺(tái)為十字工作臺(tái)，為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用螺旋絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。電機(jī)與螺旋絲杠副采取直接連接的方式，即螺旋絲杠轉(zhuǎn)速/電機(jī)轉(zhuǎn)速=1。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。采用直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。系統(tǒng)總體框圖如下
主要完成的工作有：螺旋絲杠副的選取、電機(jī)的選取、軸承的選取、導(dǎo)軌副的選取及工作臺(tái)底座尺寸的設(shè)計(jì)。
3 螺旋絲杠副的選取
3.1導(dǎo)程的選取
根據(jù)任務(wù)書選擇行程=400mm，最大速度為0.3m/s作為設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。
因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求分辨率范圍是0.1mm-0.01mm。粗選導(dǎo)程為5mm，計(jì)算分辨率：
S=Ph*A/B
S 最小進(jìn)給量，mm
A 減速比，即滾珠絲杠副轉(zhuǎn)速/電機(jī)轉(zhuǎn)速
Ph 滾珠絲杠副的導(dǎo)程，mm
B 角度測(cè)試儀和驅(qū)動(dòng)的分辨率，即每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，p/rev
電機(jī)與絲杠采取直接連接的方式，所以A=1，伺服馬達(dá)每轉(zhuǎn)一周的最小分辨率通常隨著伺服馬達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)角度測(cè)試儀的分辨率（1000p/rev,1500p/rev）而成為
1000p/rev (無倍增)
1500p/rev (無倍增)
2000p/rev (2倍增)
3000p/rev (2倍增)
4000p/rev (4倍增)
6000p/rev (4倍增)
由于分辨率要求達(dá)到0.1~0.01mm，先選取1000 p/rev的分辨率和導(dǎo)程5mm代入上式計(jì)算得S=0.005mm,所以滿足要求，所以選定導(dǎo)程為5mm。
3.2 螺旋傳動(dòng)型式的選取
螺旋傳動(dòng)分為滑動(dòng)螺旋、滾動(dòng)螺旋、靜壓螺旋。其中滾動(dòng)螺旋廣泛用于各種精度的數(shù)控機(jī)床、加工中心、FMS柔性制造系統(tǒng)、輕功等機(jī)構(gòu)中，且滾動(dòng)螺旋有如下許多優(yōu)點(diǎn)：
1. 傳動(dòng)效率高達(dá)0.9~0.98，平均為滑動(dòng)螺旋的2-3倍，可節(jié)省動(dòng)力1/2~3/4，有利于主機(jī)的小型化及減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。
2. 摩擦力矩小，接觸剛度高，使溫升及熱變形減小，有利于改善主機(jī)的動(dòng)態(tài)特性和提高工作精度。
3. 工作壽命長，平均可達(dá)滑動(dòng)螺旋的10倍左右
4. 傳動(dòng)無間隙，無爬行，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，傳動(dòng)精度高
5. 具有良好的高速性能，其臨界轉(zhuǎn)速之dn值（d為軸徑，mm；n為轉(zhuǎn)速，r/min）可達(dá)40000以上，可實(shí)現(xiàn)線速度120m/min的高速驅(qū)動(dòng)
6. 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)系列尺寸標(biāo)準(zhǔn)化，并出現(xiàn)了冷軋滾珠絲杠，提供了多用途的廉價(jià)產(chǎn)品
所以本次設(shè)計(jì)絲杠選用滾珠絲杠
3.3 計(jì)算最大速度和各時(shí)段的時(shí)間
因?yàn)樾谐虨?00mm，在運(yùn)行過程中，加速時(shí)間與減速時(shí)間一般各約為整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的1/4，設(shè)加速度為a
a*t1=Vmax
0.5*a*t1+Vmax*t3 -0.5a*t32 +Vmax*t2=400
計(jì)算得t1=t3=1.125 秒t2=2.25秒 a=0.27m/s2
滾珠絲桿的最大轉(zhuǎn)速為
Nmax= Vmax/ph=300/5=60 （轉(zhuǎn)/秒）=3600（轉(zhuǎn)/分）
3.4 滾珠絲杠副尺寸選擇計(jì)算
3.4.1 計(jì)算當(dāng)量載荷
加速時(shí)滾珠絲杠承受最大軸向負(fù)荷，減速時(shí)承受最小軸向負(fù)荷;
Fmax=μ*m*g+m*（Vmax/t）
Fmin=μ*m*g-m*（Vmax/t）
Fmax: 滾珠絲杠副承受最大軸向負(fù)荷，N
Fmin： 滾珠絲杠副承受最小軸向負(fù)荷，N
μ： 滾動(dòng)導(dǎo)軌選取0.005，
m： 工作臺(tái)質(zhì)量及最大工件（和夾具）質(zhì)量，Kg
g： 重力加速度，9.8m/s2
Vmax：最大移動(dòng)速度，m/s
t： 工作臺(tái)從靜止加速到Vmax的時(shí)間，S
其中工作臺(tái)質(zhì)量及最大工件（和夾具）質(zhì)量約為20Kg
代入個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算得
Fmax=6.4 N
Fmin=-4.4N
工作時(shí)，載荷在Fmax與Fmin之間周期性變化，所以當(dāng)量載荷
Fm=1/3（2Fmax+Fmin）
Fm=5.7 N
3.4.2 計(jì)算當(dāng)量轉(zhuǎn)速 r/min
工作臺(tái)工作時(shí)Nmin=0,Nmax=3600（r/min）
Nm=[0.5*(Nmax+Nmin)*1.125*2+Nmax*2.25]/4.5= 2700（r/min）
3.4.3計(jì)算額定動(dòng)載荷
C/am=fwFm(60NmLh)1/3/100fa*fc
C/am=fwFm(Ls/Ph)1/3/fa*fc
選取其中較大者為預(yù)期值C/am
fa——精度系數(shù)
fc——可靠性系數(shù)
fw——載荷性質(zhì)系數(shù)
Lh—預(yù)期工作壽命 h
Ls—預(yù)期工作距離 Km
根據(jù)資料，自動(dòng)控制設(shè)備的滾珠絲杠的工作壽命推薦為Lh=15000小時(shí)，Ls=（（15000*3600）/4.5）*0.4/1000=480 km
查表
精度等級(jí)
1，2，3
4，5
7
10
fa
1.0
0.9
0.8
0.7
可靠性/%
90
95
96
97
98
99
Fc
1
0.62
0.53
0.44
0.33
0.21
載荷性質(zhì)
無沖擊
輕微沖擊
伴有沖擊或振動(dòng)
Fw
1~1.2
1.2~1.5
1.5~2
得fa=1 Fc =1 Fw=1.2
代入公式計(jì)算得 Cam=74.6N
3.4.4估算滾珠絲杠允許最大軸向變形m（μm）
m=（1/3~1/4）重復(fù)定位精度，任務(wù)書重復(fù)定位精度為0.003~0.015mm
取重復(fù)定位精度為0.015mm=15μm
m=*15μm=5μm
3.4.5滾珠絲杠副的支撐方式選擇
滾珠絲杠副的支撐方式有4種情況
1） 固定—自由
2） 支承—游動(dòng)
3） 固定—游動(dòng)
4） 固定—固定
安裝方式對(duì)滾珠絲杠副的承載能力，剛性，最高轉(zhuǎn)速，使用壽命有至關(guān)重要的影響在條件允許的情況下，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免一端自由的方式。本次設(shè)計(jì)選用兩端固定的支撐方式，應(yīng)為其有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性最高，適用于高速回轉(zhuǎn)
2）兩端軸承均調(diào)整預(yù)緊，絲杠的溫度變形可轉(zhuǎn)化為軸承的預(yù)緊力
3）適用于對(duì)剛度和位移精度要求高的滾珠絲杠安裝
4）軸向剛度大
3.4.6 估算滾珠絲杠底徑d2m
d2m=a
F0=μ0W
a——支撐方式系數(shù)，兩端固定時(shí)取0.039
F0——導(dǎo)軌靜摩擦力，N
μ0——導(dǎo)軌靜摩擦因數(shù)
L——滾珠絲杠兩軸承支點(diǎn)間距離，常取1.1行程+（10~14）Ph，mm
其中滾動(dòng)導(dǎo)軌的靜摩擦因數(shù)為0.005，W=20Kg*9.8Kg/s2，行程為400mm，
計(jì)算得L=510mm，F(xiàn)0=0.98
代入公式計(jì)算得 d2m=12.3mm
3.4.7 滾珠絲杠副的預(yù)緊方式
預(yù)緊方式
預(yù)緊方式代號(hào)
預(yù)緊力Fp
適用范圍
備注
雙螺母墊片預(yù)緊
D
≤12%Co
一般取≤10%Co
不限
Co值參見滾珠絲杠副的詳細(xì)參數(shù)
單螺母變位導(dǎo)程預(yù)緊
B
≤%10Co
一般取≤7.5%Co
中小直徑滾珠絲杠副
單螺母增大滾珠直徑預(yù)緊
Z
≤5%Co
中小直徑滾珠絲杠
結(jié)合查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表1-1-13和表11-1-14選取滾珠絲杠副的預(yù)緊方式為單螺母變?yōu)閷?dǎo)程預(yù)緊
確定滾珠絲杠的規(guī)格代號(hào)
產(chǎn)品編號(hào)
標(biāo)準(zhǔn)行程mm
總長L
mm
公稱直徑
mm
公稱導(dǎo)程mm
滾珠直徑mm
滾珠圈數(shù)
絲杠底徑mm
旋向
行程余量mm
軸向間隙
任意300mm行程變動(dòng)量V300mm
額定動(dòng)負(fù)荷KN
額定靜負(fù)荷KN
剛性
N/μm
（30%Co）
BSG126
400
540
16
5
3.175
3
12.5
右
19
G0~
G1
0.016
4.9
7.6
140
滾珠絲桿副上螺母
3.4.8 計(jì)算預(yù)緊力Fp （N）
Fp=Fmax，其中Fmax為最大軸向載荷，F(xiàn)max=6.4N，所以Fp=2.1N
3.4.9 DN值的驗(yàn)算
D為滾珠絲杠副滾珠中心處直徑（mm），N為滾珠絲杠副極限轉(zhuǎn)速（rpm）
D*N≤70000、
D=16mm，N=3600r/min
16X3600=57600＜70000，所以合格
3.4.10 安裝部精度及其設(shè)計(jì)
查閱表機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表11-1-25 選取精度等級(jí)為P4
查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表11-1-29
E5= 28μm E8=5μm
E6= 20μm E9=16 μm
E7= 8μm E10=16μm
3.5 螺旋升角與傳動(dòng)效率
3.5.1 螺旋升角的計(jì)算
tan=Ph/（π*d）
——螺旋升角
π——圓周率，3.14
d——滾珠絲杠副的公稱直徑，mm
由前面數(shù)據(jù)可知，Ph=5mm，d=16mm，代入公式計(jì)算得=5.7°
3.5.2 傳動(dòng)效率的計(jì)算
查上圖可得滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率約為0.9
3.6 計(jì)算行程補(bǔ)償值C （μm）
C=11.8lu10-3
lu=行程+（8~14）Ph
t——溫度變化值，2~3°C
Lu——滾珠絲杠副有效行程，mm
計(jì)算得C=166.3μm
3.7 計(jì)算預(yù)拉伸力Ft（N）
Ft=1.95td22
d2——絲杠螺紋底徑，mm
t——溫度變化值，2~3°C
螺紋底徑為12.5mm，
計(jì)算得預(yù)拉伸力為914（N）
4. 滾動(dòng)軸承型號(hào)選擇計(jì)算
4.1 初步選擇軸承的類型
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-2-2選擇深溝球軸承
額定動(dòng)載荷比
摩擦比
轉(zhuǎn)速比
旋轉(zhuǎn)精度
剛度
1
1.0
1.0
A
C
因?yàn)檩S承主要承受徑向載荷，也可以承受少量的雙向軸向載荷，在轉(zhuǎn)速較高、不宜使用推理軸承時(shí)，可承受較輕純軸向載荷，且深溝球軸承能限制軸的雙向軸向移動(dòng)在軸承的游隙范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便以及使用壽命長，價(jià)格低廉。
4.2 計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷
軸承的基本額定動(dòng)載荷是在嘉定的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下確定的。其中載荷條件是：向心軸承只承受純徑向載荷實(shí)際上，軸承再大多數(shù)場(chǎng)合，常常同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷，因此，再進(jìn)行軸承計(jì)算時(shí)，必須把實(shí)際載荷轉(zhuǎn)換為與確定動(dòng)載荷條件相一致的當(dāng)量動(dòng)載荷。當(dāng)量動(dòng)載荷的一般計(jì)算公式為：
P=XFr+YFn
式中 P——當(dāng)量動(dòng)載荷，N
Fr——徑向載荷，N
Fa——軸向載荷，N
X——徑向動(dòng)載荷系數(shù)
Y——軸向動(dòng)載荷系數(shù)
其中軸向載荷為5.7N，而徑向載荷約為6Kg*9.8Kg/s2約等于60N，
軸承類型
相對(duì)軸向載荷
單列軸承
雙列軸承
e
≤e
＞e
≤e
＞e
X
Y
X
Y
X
Y
X
Y
深溝球軸承
0.172
0.172
1
0
0.56
2.3
1
0
0.56
2.3
0.19
0.345
0.345
1.99
1.99
0.22
0.689
0.689
1.71
1.71
0.26
1.03
1.03
1.55
1.55
0.28
1.38
1.38
1.45
1.45
0.3
2.07
2.07
1.31
1.31
0.34
3.45
3.45
1.15
1.15
0.38
5.17
5.17
1.04
1.04
0.42
明顯=5.7/60≤e，所以X=1，Y=0
P=XFr+YFa=60*1+5.7*0=60 （N）
4.3 按額定載荷選擇軸承
4.3.1 計(jì)算額定動(dòng)載荷
C=P＜C（或C）
C——基本額定動(dòng)載荷計(jì)算值，N；
P——當(dāng)量動(dòng)載荷，N；
f——壽命因數(shù)；
f——速度因數(shù)；
Fh——壽命因數(shù)
Fm——力矩載荷因數(shù)，力矩較小時(shí)取fm=1.5
Fd——沖擊載荷因數(shù)
Ft——溫度因數(shù)
Cr——軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定動(dòng)載荷，N
Ca——軸承尺寸及性能表中所列軸向基本額定動(dòng)載荷，N
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-2-8~6-2-11得
fm=1.5 fd=1.2 fr=1.0
查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-2-12，推薦使用壽命為25000h，根據(jù)推薦使用壽命查閱表6-2-8得壽命因數(shù)
L10h/h
fh
25000
3.68
滾珠絲杠副的最大轉(zhuǎn)速達(dá)到3600r/min，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-2-9得速度因數(shù)
n/r*min
fn
3600
0.21
將壽命因數(shù)fh=3.68和速度因數(shù)fn=0.21代入上式可以算得 基本額定動(dòng)載荷C=1892.6（N）。
4.3.2額定靜載荷的計(jì)算
計(jì)算軸承時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算額定動(dòng)載荷和額定靜載荷，取其中較大者選擇軸承。額定靜載荷的計(jì)算公式：
C0=S0P0＜C0r或C0a
式中C0——基本額定靜載荷計(jì)算值，N；
P0——當(dāng)量靜載荷，N，
S0——安全因數(shù)，靜止軸承和緩慢擺動(dòng)
C0r——軸承尺寸及性能表中所列的徑向基本額定靜載荷，N
C0a——軸承尺寸及性能表中所列的軸向基本額定靜載荷，N
因?yàn)樗x為深溝球軸承，所以P0r=X0Fr+Y0Fa=60（N）
查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-2-16
使用要求和載荷性質(zhì)
S0
球軸承
對(duì)旋轉(zhuǎn)精度及平穩(wěn)性質(zhì)高，或承受強(qiáng)大的沖擊載荷
1.5~2
把上列數(shù)據(jù)代入基本靜載荷計(jì)算公式可以計(jì)算得：
C0=S0P0=1.5*60=90 （N）
明顯，基本額定靜載荷C0＜基本額定動(dòng)載荷C
4.3.3 按基本額定動(dòng)載荷選取軸承
由于基本額定靜載荷C0＜基本額定動(dòng)載荷C，選取軸承時(shí)按照基本額定動(dòng)載荷來選取，并且考慮與其他零件的配合，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-2-52選?。?
基本尺寸/mm
基本額定載荷/KN
極限轉(zhuǎn)速/r/min-1
重量/kg
軸承代號(hào)
其他尺寸/mm
安裝尺寸/mm
球徑/mm
球數(shù)
d
D
B
Cr
C0r
脂
油
W
60000型
d2
D2
r
da
Da
ra
Dw
Z
12
21
5
1.9
1
24000
32000
0.005
61801
14.6
18.4
0.3
14
19
0.3
2.381
12
（ 深溝球軸承60000型）
5 系統(tǒng)剛度的計(jì)算 （N/μm）
5.1滾珠絲杠軸本身的軸向剛性，N/μm
采取兩端固定的形式，
Ks=（A*E*L/X*(L-X)）*10-3，
A——滾珠絲杠副的截面積，mm2（以滾珠絲杠副螺紋底徑計(jì)算）
E——滾珠絲杠副軸材料的彈性系數(shù)，2.1*105 N/μm
X——負(fù)荷作用點(diǎn)到固定或支撐端的距離，mm
L——滾珠絲杠副支撐距離，mm
計(jì)算得出Ks=808N/μm
5.2滾珠螺母本身的軸向剛度
Kn=0.8*Kc（Fp/（*Co））1/3 （預(yù)緊的滾珠絲杠=0.1）
Kc——樣本軸向接觸剛度，N/μm
Fp——預(yù)緊力，N
Co——樣本所列額定動(dòng)載荷，N
查閱前面滾珠絲杠副參數(shù)，代入公式計(jì)算得 Kn=137.9 N/μm
5.3計(jì)算系統(tǒng)剛度
K——整個(gè)滾珠絲杠副傳動(dòng)系統(tǒng)的軸向剛性
Ks——滾珠絲杠軸本身的軸向剛性，N/μm
Kb——軸承剛度 N/μm
Kn——滾珠螺母本身的軸向剛度
Kb=Kb1+Kb2 N/μm
Kb1，Kb2分別問兩端軸承組的剛度，約為147.8N/μm
Kb=2*147.8=295.6，N/μm
將Ks，Kb，Kn數(shù)據(jù)代入計(jì)算得
K=2550.7N/μm
=Fa/K=（6.4+2.1）/2550.70.003m《5μm，所以剛度驗(yàn)算合格。
6 電機(jī)的選擇
6.1 滾珠絲桿副推力與扭矩的關(guān)系公式
Tp=Fa*Ph*A/（2*π*），N*mm
Tp——驅(qū)動(dòng)扭矩，N*mm
Fa——工作臺(tái)的軸向負(fù)荷
M——工作臺(tái)的總質(zhì)量，kg
μ——工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.005
9.8——重力加速度,m/s2
Ph——絲杠導(dǎo)程，mm
A——減速比，直聯(lián)時(shí)為1
π——3.14
——滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率
查閱前面已經(jīng)計(jì)算的數(shù)據(jù)可知Fa=（9.8*20*0.005）+5.7=6.62N，M=20kg，Ph=5mm，=0.9代入上式計(jì)算得Tp5.9N*mm
6.2 工作臺(tái)加速扭矩的計(jì)算
Tg=J**103，，N*mm
J——馬達(dá)軸上及前方所有運(yùn)動(dòng)部件的慣性矩，kg*m2
——角加速度，rad/ s2
其中J=M*（Ph*2π）2*A2/106+m*D2/（8*106）
M——工作臺(tái)總質(zhì)量，Kg
Ph——絲杠導(dǎo)程，mm
A——減速比，直聯(lián)為1
m——絲杠本身，電機(jī)齒輪，絲杠上此輪等圓形物體的質(zhì)量，有幾項(xiàng)m則計(jì)算相應(yīng)的慣性矩并加總到慣性矩計(jì)算公式中，Kg
D——相應(yīng)的直徑，mm
由于滾珠絲杠和電機(jī)為直聯(lián)，所以，計(jì)算m*D2/（8*106）總和約等于192/106
J=12.67/106+192/106=0.00021kg*m2
=2π*N/（60t）
N——馬達(dá)轉(zhuǎn)速，rpm
t——加速時(shí)間，s
N=3600r/min，t=1.125s
=335rad/s2
所以Tg=J**103 Tg=0.00021*335*103=70.35 N*mm
6.3 計(jì)算滾珠絲杠預(yù)壓扭矩Td
Td=0.05*Fp*Ph/(2*π（tan）)*A
Fp——滾珠絲杠副的預(yù)緊力，N
Ph——滾珠絲杠副導(dǎo)程，mm
——滾珠絲杠副螺旋升角，即導(dǎo)程角
A——減速比，直聯(lián)時(shí)為1
前面已經(jīng)計(jì)算得Fp=2.1N，=5.7°，Ph=5mm，計(jì)算得Td=0.27N*mm
6.4 滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)扭矩的計(jì)算
計(jì)算滾珠絲杠副的驅(qū)動(dòng)扭矩按下列公式：
Ts= Tg+Tp+Td
Ts——傳動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)扭矩，N*mm
Tg——加速扭矩，N*mm
Tp——預(yù)壓扭矩，N*mm
將Tp，Td, Tg的值代入Ts= Tg+Tp+Td，計(jì)算得Ts76.5N*mm
6.5馬達(dá)的選定
一般而言，馬達(dá)的額定扭矩應(yīng)為滾珠絲杠副軸計(jì)算扭矩的2倍或以上。馬達(dá)的慣性矩由馬達(dá)和其驅(qū)動(dòng)器共同決定，一般情況，馬達(dá)慣性矩應(yīng)為滾珠絲杠副傳動(dòng)軸總慣性矩的1/3~1/10。
根據(jù)所計(jì)算的結(jié)果查閱相關(guān)生產(chǎn)廠家產(chǎn)品，選用伺服電機(jī)：ASM/T02L250 AK
7.聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器是機(jī)械傳動(dòng)中常用的部件，它主要用來連接軸與軸（或連接軸與其他回轉(zhuǎn)零件），以傳遞運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)矩;聯(lián)軸器主要分為剛性聯(lián)軸器（無補(bǔ)償能力）和撓性聯(lián)軸器（有補(bǔ)償能力）。撓性聯(lián)軸器分為有彈性元件的撓性聯(lián)軸器和無彈性元件的撓性聯(lián)軸器，其中有彈性元件的撓性聯(lián)軸器因裝有彈性元件，不僅可以補(bǔ)償兩軸間的相對(duì)位移，而且具有緩沖減振能力。我們選用彈性套柱銷聯(lián)軸器，這種聯(lián)軸器制造容易，裝拆方便，成本低，它適用于連接載荷平穩(wěn)、需正反轉(zhuǎn)或啟動(dòng)頻繁的傳遞中小轉(zhuǎn)矩的軸。
聯(lián)軸器力矩的計(jì)算
T≥T1*K1*K2*K3
T——計(jì)算力矩， N*mm
T1——電機(jī)轉(zhuǎn)矩 ，76.5N*mm
K1——負(fù)載系數(shù) ，由于本工作臺(tái)負(fù)載變化小，所以查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得K1=1.2
K2——運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間系數(shù) ，每天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間小于16小時(shí)，所以取K2=1.18
K3——起、停頻繁度系數(shù)，起、停頻繁，所以取K3=2.0
計(jì)算得T216.6N*m，查閱《課程設(shè)計(jì)》選取聯(lián)軸器型號(hào)為GB4323-84-TL2
8 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的選擇
8.1直線導(dǎo)軌種類選擇
滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副主要的類型包括 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌套副，滾動(dòng)花鍵副和滾動(dòng)導(dǎo)軌塊。
常用的三種直線導(dǎo)軌基本性能比較見下表，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的運(yùn)行速度已達(dá)200m/min。在歐美各國2/3以上的高速數(shù)控機(jī)床都采用了滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。它已再各種現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備中得到越來越廣泛的應(yīng)用
運(yùn)動(dòng)形式
滑動(dòng)導(dǎo)軌
滾動(dòng)直線導(dǎo)軌
靜壓導(dǎo)軌
摩擦因數(shù)
μ=0.04~0.06
μ=0.003~0.005
μ=0.0005~0.001
運(yùn)行速度
低速
低速~高速
中速~高速
剛度
高
較高
較低
壽命
三者相近
可靠性
高
較高
較差
滾動(dòng)體與圓弧溝槽相接觸，與點(diǎn)接觸相比承載能力大，剛性好
摩擦因數(shù)小，一般小于0.005，僅為滑動(dòng)導(dǎo)軌副的1/20~1/50，節(jié)省動(dòng)力，可以承受上下左右四個(gè)方向的載荷。
磨損小，壽命長，安裝、維修、潤滑簡便。運(yùn)動(dòng)靈活、無沖擊，在微量進(jìn)給時(shí)，能很好的控制位置尺寸。
所以選擇滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副
滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副
直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)所承受的載荷受工件重力及重心位置的變化、驅(qū)動(dòng)力F及工作阻力R作用位置的變化、啟動(dòng)及停止時(shí)加速或減速引起的速度變化等因素的影響而發(fā)生變化。
8.2 滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算
8.2.1 計(jì)算導(dǎo)軌的載荷
由于本設(shè)計(jì)是以滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的水平工作臺(tái)所以查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-33得
加速時(shí)
P1=P4=
P2=P3=
P1T~P4T=
承受慣性力的水平式導(dǎo)軌
以滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)居多
勻速時(shí)
P1~P4=
減速時(shí)
P1=P4=
P2=P3=
P1T~P4T=
P1=P4==（20*9.8/4）-（20*9.8/2）*（1/9.8）*（300/1.125）*（71/80）
46.6 N
P2=P3==（20*9.8/4）-（20*9.8/2）*（1/9.8）*（300/1.125）*（71/80）=51.4N
P1T~P4T==（20*9.8/2）*（1/9.8）*（300/1.125）*（93.5/80）3.1 N
勻速時(shí)：
P1~P4==49 N
減速時(shí)：
P1=P4==（20*9.8/4）-（20*9.8/2）*（1/9.8）*（300/1.125）*（71/80）=51.4N
P1=P4==（20*9.8/4）-（20*9.8/2）*（1/9.8）*（300/1.125）*（71/80）
46.6 N
所以最大的載荷為51.4N
8.2.2 平均載荷的計(jì)算
查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-3-4得平均載荷Pm0.65Pmax0.65*51.433.4 N。
8.2.3 導(dǎo)軌型號(hào)的選取
根據(jù)導(dǎo)程及一根導(dǎo)軌上兩滑塊安裝距離查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-3-17選?。?
尺寸參數(shù)
規(guī)格
結(jié)構(gòu)尺寸
B1
B2
B3
B4
W
M1
(AA)
H
20
AA
63
5
53
20
21.5
M6
30
結(jié)構(gòu)尺寸
K
T
T1
H1
d*D*h
L1
L2
L3
L4
F
25
10
10
18
6X9.5X8.5
70
50
40
11
60
結(jié)構(gòu)尺寸
載荷特性
Lmax
G
（油杯）
C/KN
C0/KN
MA/N*m
MBN*m
MCN*m
1200
M6
11.5
14.5
92.4
92.4
154
8.3 防塵措施
1.當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)，再滑塊運(yùn)動(dòng)方向的后方形成負(fù)壓區(qū)域，這樣將吸入灰塵。吸入的塵埃積聚在導(dǎo)軌的固定螺釘內(nèi)及導(dǎo)軌表面上，使?jié)L動(dòng)直線導(dǎo)軌副的壽命急劇下降。為了保證其使用壽命，必須采取適當(dāng)?shù)姆缐m措施。
2.本設(shè)計(jì)在工作臺(tái)上加折疊式防塵罩，可以適當(dāng)?shù)姆乐够覊m雜物進(jìn)入滑塊內(nèi)部。
3.為防止雜物聚集在導(dǎo)軌固定螺絲釘孔穴而混入滑塊中，可以使用螺孔帽將其封閉。螺孔帽選用耐油及耐磨損的優(yōu)質(zhì)合成橡膠，以保證充分的使用壽命。
9.工作臺(tái)支撐底座外形的設(shè)計(jì)
參考滾珠絲杠副、聯(lián)軸器以及電機(jī)尺寸設(shè)計(jì)了工作臺(tái)底座的外形尺寸
（上工作臺(tái)）
（下工作臺(tái)）
結(jié) 論
在設(shè)計(jì)之初我根據(jù)任務(wù)查閱了很多關(guān)于工作臺(tái)的知識(shí)，對(duì)其工作原理，總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有了一定的了解，同時(shí)也通過網(wǎng)絡(luò)了解了一些國外在這方面的研究情況，之后就完成了開題報(bào)告，隨后我進(jìn)行的是：總體方案確定、傳動(dòng)系統(tǒng)確立及尺寸綜合。內(nèi)容有：滾珠絲杠副，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，滾動(dòng)導(dǎo)軌副，軸承及聯(lián)軸器選型的設(shè)計(jì)。并對(duì)工作臺(tái)的尺寸進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。
我系統(tǒng)地的對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)主要的零部件滾珠絲杠副，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，滾動(dòng)導(dǎo)軌副型號(hào)進(jìn)行了系統(tǒng)地設(shè)計(jì)。并進(jìn)行了必要的驗(yàn)算校核。在此過程中我查閱了相當(dāng)多相關(guān)資料，經(jīng)常在圖書館，有時(shí)候?yàn)榱苏业较嚓P(guān)的參考數(shù)據(jù)在圖書館經(jīng)常呆上兩三個(gè)小時(shí)，有時(shí)我還經(jīng)常到省圖書館和省新華書店查閱資料?，F(xiàn)在回想起來這些設(shè)計(jì)過程，我才覺得機(jī)械設(shè)計(jì)的辛苦，同時(shí)也很讓自己振奮。緊接著工作轉(zhuǎn)入到圖紙的繪制，圖是工程技術(shù)人員之間交流語言。制圖中我以一個(gè)真正的工程師的角度去畫好每一根線條、每一個(gè)標(biāo)注，這都是需要細(xì)心的揣摩、推敲、計(jì)算。
經(jīng)過近這段時(shí)間的努力，畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束了。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我知道作為一名工程人員設(shè)計(jì)過程的艱辛是難以想象的，數(shù)據(jù)資料更可以說成是工程人員的生命。同時(shí)畢業(yè)設(shè)計(jì)的經(jīng)歷對(duì)我的大學(xué)四年的學(xué)習(xí)畫上了圓滿的句號(hào)，在這里，我將以前的所學(xué)用于實(shí)際；在這里，我用自己設(shè)計(jì)思路付諸實(shí)踐；在這里，我用雙手把想象變成實(shí)際。
畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成讓我明白我自己還有很長的路要走，這才是一個(gè)起點(diǎn)，期待著未來。
參考文獻(xiàn)
[1] 璞良貴，紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計(jì).第七版.北京：高等教育出版社，2001
[2] 趙松年，張奇鵬. 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，1996
[3] 徐灝主編，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.12
[4] 李克永.化工機(jī)械手冊(cè). 天津: 天津大學(xué)出版社，1991.5
[5] M F Caggiano, E Barkley, M Sun, J T Kleban, Electrical modeling of the chip scale ball grid array package at radio frequencies, Microelectronics Journal, 2000, 31:701～709
[6].唐順欽 唐忠?guī)?實(shí)用鈑金工展開手冊(cè).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991
[7].范祖堯.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè). 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996
[8].陳志平 章序文 林興華.攪拌與混合設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊(cè).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004
[9].成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè). 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004
[10].方宏明.機(jī)械設(shè)計(jì)制造常用數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)用手冊(cè).北京:當(dāng)代中國音像出版社,2004
致 謝
經(jīng)過半個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)研討，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中我也遇到了很多問題，在老師的幫助下，我才得以順利完成此次畢業(yè)設(shè)計(jì)。
在這里首先要感謝我的導(dǎo)師張緒坤老師。張老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從查閱資料，到設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)，裝配草圖等整個(gè)過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。我的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜煩瑣，但是張老師仍然細(xì)心地糾正圖紙中的錯(cuò)誤。我非常敬佩張老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。
然后還要感謝大學(xué)四年來所有的老師，為我們打下機(jī)械專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)還要感謝所有的同學(xué)們，正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С趾凸膭?lì)。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)才會(huì)順利完成。
最后感謝航空工程系和母校南昌航空大學(xué)科技學(xué)院四年來對(duì)我的培養(yǎng)。
簽名： 賈辰光
31
收藏