LED粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究

III摘 要本文研究了如何提高全自动LED固晶机的摆臂的工作效率的机构设置，以及对影响摆臂固有频率的因素进行分析研究。运用三维分析软件以及实验对不同影响因素下摆臂的振动进行研究，分别就影响因素下的摆臂进行振动分析，得出最佳的设计方案。根据摆臂的运动需要，选择满足条件的电机以及各连接部件，并对关键运动部件进行受力分析计算，从而为摆臂的运动提供有效的保障。复合运动的摆臂采用多电机带动，在控制系统的操作下，为摆臂运动提供有效地保证。对摆臂固有频率的不同影响因素分别进行研究，得出这些因素对摆臂振动的影响范围。关键词：固有频率 ；一介频率 ； 振动分析 ；复合运动AbstractThis research studied the swimming arm of automatic LED solid crystal machine of structural equipment which can improve the working efficiency ,as well as analyzed the influenced factors of the natural frequency of the swing arm three-dimensional analysis software and experiments were used to analyse the vibration of the swing arm in different factors ,with the result ,this reaseach achieve the best design plan. According to the need of swing arm movement,select the suitable electrical machine and the interconnecting pieces.Key moving parts were calculated and analysied to provide effective protection for swing armCompound movement of the arm is drived by the motors, and the control system ensure the accuracy and efficiency of the complicated movement of the arm. Different affecting factors are reaseached respectively to observe the natural frequency and vibration range of the armKey words: Inherent frequency ; The humble frequency; Vibration analysis; Compound movementV目 录摘 要 .III目 录 .V1 绪论 .11.1 引言 .11.2 课题来源 .11.3 LED 课题背景 封装技术的国内外发展状况 .21.3.1 国内 LED 封装产业的发展状况 .21.3.2 全自动 LED 粘片机的国外发展状况 .21.3.3 国内 LED 产业的发展状况 .21.3.4 发展方向与前景 .31.4 全自动 LED 粘片机的主要结构及工作原理 .31.4.1 LED 封装工艺流程简述 .41.5 本文研究的内容 .51.6 本文研究的目的与意义 .52 LED 粘片机芯片取放机构的结构设计 .62.1 机构的整体设计 .62.2 连接设备的设计 .62.3 运动的时间分配以及电机负载惯量分析 .72.3.1 时间分配 .72.3.2 惯量系统 .82.4 电机的选择 .92.4.1 电机加速度的选择 .92.4.2 电机选择设计方案 .93 固晶臂的研究分析 .143.1 固晶臂静力学分析 .143.1.1 有限元分析的工具 .153.1.2 摆臂静力学分析 .153.2 对有摆臂限元分析要注意的事项 .183.2.1 优化分析 .194 固晶臂弯曲振动固有频率和振型函数 .214.1 固有频率理论研究 .214.2 动态分析 .224.3 运用分析软件对摆臂进行模态分析 .234.3.1 悬臂梁弯曲振动模态分析具体步骤 .234.4 扭转振动分析 .244.5 运动过程分析 .255 固晶臂的变截面优化设计研究 .275.1 摆臂的长度问题研究 .275.2 不同质量的有限元分析研究 .285.3 研究变截面摆臂的分析 .296 创新点以及遇到的问题 .316.1 本课题的创新点 .31无锡太湖学院学士学位论文26.2 已有的工作条件和出现的问题 .316.2.1 已有的工作条件 .316.2.2 出现的问题 .31小结 .32致谢 .35参考文献 .36LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究31 绪论1.1 引言LED粘片机是集机、光、电、气于一体的高速度、高精度、高智能化的设备，也是LED生产过程中的关键设备，其性能直接影响到所生产LED的性能、生产效率和产品的合格率。全自动LED粘片机是由上料机构、出料机构、点浆机构、送料机构、晶圆芯片供送系统、刺晶系统、粘片机构及电气控制系统、图像识别系统、软件系统等组成LED芯片通常是以阵列方式排列在一块晶圆上，目前可制作的晶圆最大直径已达300mm，晶圆进一步经过划片、扩晶后，单个的芯片便以行列的形式粘覆在一个胶膜上，为便于拾取芯片，常用一个特制的圆环将胶膜绷紧固定。晶圆芯片供送系统即是一个用于连接此晶圆固定圆环，可在x，y平面内精密移动的工作台。它的主要功能是将晶圆上排列地芯片逐行逐列的送到CCD标定（ 吸晶、刺晶）位置处。晶圆供送装置要求各运动件刚度高，相互摩擦小，配合精度高，能够满足小步距、大行程的要求，且具有微调和装卸方便的特点。1.2 课题来源“失去制造，失去未来”的认识如今已成为全球的共识，在21世纪的国力竞争中，发达国家将制造列为战略发展的优先领域，抢占制造技术的制高点更是各国的战略必争。中国是个制造大国正在向制造强国转变，在微电子行业无论是消费市场还是装备制造基地都在向中国转移，中国正在成为制造大国和消费大国。微电子技术经过半个多世纪的发展，在其产业内部形成了自己特有的产业分工：材料制备、前道工艺和后道工艺。作为微电子技术发展的基础，材料制备早就发展的比较成熟，而在信息技术、控制技术等新技术的发推动下，前道工艺的相关技术也如日中天，日渐成熟，例如晶元的不断扩大等。但相比较而言微电子制造的后道工艺技术才刚刚起步，或者说相对而言发展不是很成熟，因此有必要在微电子制造后道工艺方面做一些技术研究和改进，以适应当今世界对微电子产品的需求。在半导体封装领域，LED制造技术具有独特的代表性。其中LED 封装工艺属于后道工艺，LED的固晶过程（又称粘片过程）在封装工艺中占有极其重要的地位。目前而言国内的厂家所用的设备大部分都来自国外，LED固晶技术及设备几乎被国外所垄断，国内厂家即使能仿制一些型号的产品，但是精度不急国外产品的二分之一。但庆幸的是这项技术也还在发展中，如果加以足够深度的研究完全可以打破国外的垄断。在对微电子制造技术做出简单分析之后即可知道，作为极端制造技术的分支，微电子制造技术存在着高效、高速与精密之间不可调和的矛盾，LED封装同样面临此问题。要解决此问题必须对LED 封装设备，即现在市场主流产品 全自动LED 粘片机作深入的研究。经研究发现芯片拾取机构，即固晶臂在整个粘片工作过程伴随着高速、高效、精密的特点，它是全自动LED粘片机的核心部件，也是LED 粘片机的设计关键所在，还是解决 “高速”和“ 精密”这对矛盾的关键所在。本课题来源于工程实际，以LED封装着眼于解决企业中的实际工程问无锡太湖学院学士学位论文4题，落脚点在于解决半导体制造装备中高速度与高精度之间的矛盾。LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究1.3 LED 课题背景 封装技术的国内外发展状况1.3.1 国内 LED 封装产业的发展状况半导体照明技术采用半导体发光二级管（LED）作为新光源。在同样的亮度下，半导体灯的耗电量仅为普通白炽灯的1/10，而寿命却可延长 100倍。此外，由于LED的光谱中只有少量的紫外线或红外线，半导体灯辐射很低，热量很小，而且废弃物可以回收，无污染，被称为绿色光源。因此近年来，美国、日本、韩国、欧盟等国家和地区都在制定相关的发展计划以抢占半导体照明产业的制高点。半导体照明也引起了我国相部门的高度重视。由科技部，信息产业部等6部委和14个地方政府共同实施的“ 国家半导体照明工程 ”相关项目已经正式启动。另外国家还设立了 “半导体照明产业化技术开发专项”，以产业化为目标，解决市场急需半导体照明应用产品低成本产业化技术，培育新型大功率半导体照明产业，重点在大功率、高亮度半导体发光体芯片制造及封装产业化，照明系统技术及重大应用产品开发等俩各个方面。我国LED封装产业发展较快，目前从业企业已超过400多家，封装能力超过200亿只，预计在今后我国在LED 封装产业中要占全球市场的 70%左右，封装规模生产线及设备的需求将会剧增。但我国的封装产业中存在很多问题，一是企业虽有所增多但生产线规模很小，还有很大一部分企业是手工或者说半自动生产作业，产量也有限；二是产业综合竞争力不强产品都集中在传统支架式LED且主要是低端产品，在chip-led, top-led, power-led, high power-led领域几乎不成规模，三是主要封装设备像全自动粘片机、引线焊接机测试机、编带机等几乎全部依赖进口，即使有一小部分企业在做封装设备的研究，但是主要还是通过测绘国外仪器进行复制，精度差，效率低；四是LED照明需要高效率低成本大功率的LED 产品，目前而言我国的封装技术及设备发展水平还不是很高。目前国产设备领域LED 粘片机还属于开发研究的初期阶段，各厂家都在使用ASM的产品或者是仿制的ASM的全自动粘片机，设备昂贵，企业压力大。但是近年来也有不少单位、企业在这方面做出了努力，为LED封装产业做出了一定的贡献，比如四十五所也能独立自主的生产高水平的全自动粘片机；另外在广州深圳等地方也有几家企业能够独立自主的研发相关设备。1.3.2 全自动 LED 粘片机的国外发展状况国外全自动LED 粘片机的主要生产厂家是位于新加坡的ASM公司，另外我国的香港，马来西亚也有ASM的分公司。其生产的 AD809、AD809-03 、AD8930等机型占据了大部分市场份额，其技术形式也基本代表了LED粘片机设备发展的方向。1.3.3 国内 LED 产业的发展状况目前国内的生产厂家在线的LED粘片机大约有600 台以上, 我国LED 产量从2000 年84亿只增加到2003年的200亿只, 平均每年新增粘片机在100台以上, 业内预计2004 年LED 产量可突破300亿只, 新增粘片机将会在150台以上。未来5 年内,将是LED 产业大发展时期, 中国将会成为世界LED 后封装的最大生产基地 , 这将会有一大批规模 ( 年产10亿只以上) 型企业诞生( 注: 我国目前只有两三家年产5亿只以上的企业 ) 。无锡太湖学院学士学位论文21.3.4 发展方向与前景一个固晶周期包括固晶，提升，抓取，旋转，下降，粘片以及回复动作。国家对环保节能产品的支持，国际市场对节能产品的追逐，必将迎来led产业的大发展。企业将在提高效率方面下大功夫，效率的提高必定大大提升产能。针对国际市场上的LED粘片机周期在300ms左右，现在新研究的粘片机推出的理论周期值在160ms，发展前景会非常的好。1.4 全自动 LED 粘片机的主要结构及工作原理LED粘片机实际与视觉检测的全自动粘片控制系统，融合了图像处理、模式识别、光电检测、控制理论、机电一体化等多门学科的知识理论。但是整机的设计是在固晶臂（用于粘片的核心部件）设计研究基础上进行的，所有的软件、电气、控制部件、机械部件的设计都是围绕固晶臂的设计而展开的。LED粘片机的主要机构如下图1.1所示：图1.1 led 粘片机主要机构图整个工作过程在图像识别系统的监控下进行，通过控制系统对传输机构的控制配合点胶机构及拾取粘片机构的工作。工作流程如下图1.2：LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究图1.2 LED 粘片机工作过程现有的比较高端的粘片机固晶臂回转时，峰值加速度达到79g,峰值速度达到12m/s，封装度的达到5次/s。另外，由上图可见LED固晶过程中固晶臂的作用十分重要，它是 LED粘片机的核心部件。1.4.1 LED 封装工艺流程简述LED 封装工艺流程如下所述：(1) 排支架前站:扩晶温度:调整50-60摄氏度 预热十分种 扩晶时温度设为65-75摄氏度。(2) 点胶调节点胶机时间:0.2-0.4秒.气压表旋纽 0.05-0.52mPa .要调节点胶旋纽使出胶标准。冰箱取出胶,解冻三十分钟,安全解冻后搅拌均匀(20-30分钟)银胶高度在晶片高度后1/3以下,1/4以上,偏心距离小于晶片直径的1/3.(3) 固晶固晶臂与固晶平面保持30-45 度.直至压到臂尖顶部。固晶顺序从上到下,从左到右。用固晶笔将晶黏固到支架,腕部绝缘胶中心。(4) 固晶烘烤烤 温度定 150摄氏度1.5小时后出烤(5) 一般固晶不良品为:固骗、固漏、 固斜、少胶、多晶、芯片破损、短垫(电极脱落)、芯片翻转、银胶高度超过芯片的1/3(多胶) 晶片粘胶焊点粘胶(6) 焊线机太温度为170-220 摄氏度单线:220度 双线:180度无锡太湖学院学士学位论文4焊线拉力715g焊线弧度高于晶片高度小于晶片3倍高度焊点全球直径为全线直径的2-3 倍.焊点应用2/3以上电极上注:一般焊线不良品: 晶片破损 掉晶 掉晶电极 交晶 晶片翻转 电极粘胶 银胶过多超过晶片 银胶过少(几乎没有) 塌线 虚焊 死线 焊反线 漏焊 弧度高和低 断线 全球过大或小。(7) 补充说明：扩晶，把排列的密密麻麻的晶片弄开一点便于固晶。 固晶，在支架底部点上导电/不导电的胶水( 导电与否视晶片是上下型PN结还是左右型PN结而定）然后把晶片放入支架里面。 短烤，让胶水固化焊线时晶片不移动。 焊线，用金线把晶片和支架导通。 前测，初步测试能不能亮。 灌胶，用胶水把芯片和支架包裹起来。 长烤，让胶水固化。 后测，测试能亮与否以及电性参数是否达标。 分光分色，把颜色和电压大致上一致的产品分出来。 包装。1.5 本文研究的内容机构是LED粘片机的核心部件，因此固晶臂的设计至关重要，因此本课题主要围绕固晶臂的研究而进行，主要研究内容如下：(1) 固晶臂的工作过程优化；(2) 固晶臂的动态特性分析；(3) 固晶臂的结构设计、分析及优化，包括固晶臂的模态分析、优化设计；1.6 本文研究的目的与意义由LED封装工艺可以看出固晶这一过程在整个封装流程中至关重要，本课题主要着眼于固晶这一过程进行相关研究及相关设备的设计、优化、实验、分析等。粘片机是完成固晶过程的主要设备，而现在市场上的全自动粘片机主要是ASM的产品。我国要发展自己的LED 产业，就必须摆脱对国外产品的依赖，就必须有自己的一套装备及相关理论和研究。因此本课题的研究有着十分重要的意义。本课题的研究也将为我国做LED封装设备的各种企业提供一定的参考，对我国LED装备企业的发展也会有很大的好处。另外也可以为中小企业提供参考，使之在各自领域形成自己的知识产权，有助于企业转型。此外本课题提出的自适应、闭环的分析优化方法也可以促进虚拟设计技术的发展，使虚拟设计突破目前设计与分析优化分离的瓶颈。作为极端制造的产品如航空件、风电、桥梁、建筑等，本课题的研究还将为这类产品的研制提供很好的产考。LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究装配设计LED芯片取放机构图 2.1 如上。设计分为旋转电机，圆柱直线电机，固晶臂，旋转轴，联轴器等主要设备元器件组成。图 2.1 LED粘片机芯片取放机构整体结构图 LED粘片机是旋转电机与直线电机的组合式运动。旋转电机带动直线电机以及固晶臂做旋转运动，直线电机带动固晶臂做直线往复运动。固晶臂在两电机的作用下实现上移，旋转（90）下移，旋转（ 90） 。要求旋转的频率较高，同时要求旋转电机的频率要高，同时直线运动的电机运动 4mm左右，需要保证运动的震动型，避免频率形同引起共振。与直线电机相连的轴直径需要满足疲劳强度，直径至少 13mm 实心。通过联轴器连接。最终选用实心 14mm 铝合金材料的轴。联轴器选择与轴相配合的法兰，法兰与直线电机相连。2.2 连接设备的设计在连接部件运动过程中，满足许用力非常关键。下面是针对销的设计计算：销如图 2.2 示：2 LED 粘片机芯片取放机构的结构设计2.1 机构的整体设计无锡太湖学院学士学位论文图2.2 连接销； 3rrd2.0TW（2.1）； )(95NmnpT（2.2）若传递功率单位为马力（PS)时, 由于 PS=735.5Nm/s；满足扭矩要求，)(7024PM轴的材料选用铝合金；铝合金的许用剪应力为 60Mpa；T=24.5NmdT3. md01268.（2.3）取直径为 13mm。如果采用空心轴的话，则最小直径12.7mm，也可取 13mm。如果采用 40Cr，其抗拉强度为 981Mpa，C42 热处理， dT32.0（2.4）mm，取直径可取 8mm。0498.d2.3 运动的时间分配以及电机负载惯量分析2.3.1 时间分配共 160ms(reference)；LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究表 2-1 时间分配部件动作停顿（在蓝膜上）上 移动 下 停顿（在支架上）上 移动 下摆臂 10 17 36 17 10 17 36 17移动 等待 等待 等待工作台 110 20 10 20等待 等待 移动 等待承片台 10 20 110 20转动 90 度大概用 36 毫秒；时间分配图 2.3 谱如下（时间单位为 ms）:361017 1717 1710 10图 2.3 运动时间简图摆臂平均每分钟达到的转速为：；转动 90 度大概用 36 毫秒；直线电机 17ms 运动 4mm2.3.2 惯量系统摆臂：0.002kg*m 重量：0.44 kg 材料: 铝合金左右转动惯量的生成及叠加：摆臂：J1=0.00284569 kg. m 2；轴套：J2=0.00001458kg. m 2；法兰：J3=0.00003386kg. m 2；筒套：J4= 0.00001113 kg. m 2；钨钢吸嘴：J5=0.000003562 kg.m 2；法兰 2：J6=0.00001356 kg.m 2；法兰轴上总转动量：J 花总=J1+J2+J3+J4+J5+ J6 =0.002921692kg.m 2由于传动比为 1，因此折算到电机轴的转动惯量不变即 J 花总=J 折=0.002921692kg.m 2。总的负载惯量为：J 负载 =J 折算 =0.002921692kg.m2无锡太湖学院学士学位论文2.4 电机的选择2.4.1 电机加速度的选择为了算出设备所需要的扭矩，合适的功率，去找适当的电机。在设计的过程中，首先对机构在不同加速度运转下需要的电机参数进行试验计算，从而为所需要的参数下的电机提供理论基础。 假设 1：在 30ms 内，摆臂转过 ，前 15ms 内角加速度为正转过 45 度，后 15ms 内转过 452度，角加速度为负，则在 15ms 内速度加到最大值，其平均速度为： srad/3501（2.5）, ,因此其平均角加速度max21srad/310230ax /921t（2.6）算出电机的负载力矩： ,则电机的负载功率mNJM40.2900241.为： kwMP068.1624.35（2.7）假设 2：在 40ms 内摆臂转过 90 度，在前 20ms 加速，后 20ms 减速，则其加速时平均角速度为 ，其最大角速度为 ，其平均角加速度为srad/5.12043srad/25，算出起负载力矩为2max9/t， mNJM48.负 载负载功率 kwMP45.01.3248.1（2.8）假设 3：在 50ms 内转过 90 度，在前 25ms 加速，后 25ms 减速，则其平均角速度为，其最大角速度为 ，其平均角 加速度为srad/102543 srad/20，23max /5tLED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究13算出起负载力矩为 mNJM35.702941.51负 载（2.9）负载功率 ，kwP3.4.035.72.4.2 电机选择设计方案用 36ms 转过 90 度。直线电机用 18ms 走完 4mm。无锡太湖学院学士学位论文10（1）用多项式求解电机的关键参数用 5 次多项式逼近时表 2-2 关键参数Maximun valuesmax ftx/8750.1 23.fmaxJ /60ftx旋转电机：)/(8123079.6.5/.maxsradtxf（2.10）每分钟转速为：min)/(78124962307./rn)/(68310.976.25/.2axsradtxf)/(42.50./26 33max srtJf电机最大负载力矩为： )(4675.081.697.max mNJM（2.11）负载功率为： kwP .5.481230.4675.20（2.12）用 9 次多项式逼近：表 2-3 关键参数Maximun valuesmax ftx/0964.2 275.fLED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究maxJ 3/41605.8ftx无锡太湖学院学士学位论文（2）旋转电机的关键参数设计计算(2.13)/(47968.1036./20964.0maxsradtxvf每分钟转速： ；minr789.1n； 222fmax sad065317.307546.tx5. ；33f r4.84108j电机最大负载力矩为： m542.986.294amx NJM总 负图 2.4 运动简图匀速时间为零，停止时间为零。（3）计算负载惯量及惯量比= +J9=0.002075966+0.000006608 =0.002024901kg.m2负 载J折 算连接装置惯量为 0.00006514kg.m2J 总负= J 负载+J 联轴器=0.0020924901+0.00006514=0.002990041kg.m2预选取 3kw 的电机 400 MSME 3.0kw低惯量 中容量转子惯量（无制动器） 2mkg065.J（有制动器）2mkg0785.JLED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究惯量比计算： 倍10 倍， 符合要求。 8.3075.2941mJ总 负(2.15)（4）计算转速：转动距离为 ，转动时间为 36ms=0.036s；2加速时间为 0.018s,减速时间为 0.018s;41max加 速 时 间(2.16)srad26.8701.24max加 速 时 间加速度=6997 (rad/s2)(2.17)inr3.26naxax(5)计算转矩：(2.18)m30.18.40291.785.0amda NJT总 负有效转矩：47.7Nm(瞬时最大转矩)3.18036.1.t0.22cd2a2a T1.6kw3kw (2.19)w9.587.rmspT松下电机：400MSME，3.0kw低惯量 中容量电机满足要求。（6）直线电机的选择。确定机构部件：定子，电机直连机构。摆动臂。确定运动模式：直线运动。加速运动，减速运动。计算负载惯量及惯量比：= +J9=0.002+0.00000663 =0.002024901kg.m2负 载J折 算连接装置惯量为 0.00006514kg.m2，因此总负载惯量为 J 总负= J 负载+J 联轴器=0.0020924901+0.00006514=0.002990041kg.m2vmax= = ;ftx/8750.1 )/(82.05./04.875.1smamax= = ; 23f 631932jmax= = ;/6ftx )/(97./4. srad无锡太湖学院学士学位论文12电机最大负载力矩为： ；)(76.19.36.0max mNFLED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究13电机负载功率为： ;kwvFP1576.0.82.07619选择满足要求的电机：行程 4.6mm，持续推力 136N，最大推力 424N,负载功 0.2KW。线性马达图示如下图 2.5：图 2.5 线性马达无锡太湖学院学士学位论文14全自动LED 粘片机是一个高精密机构。芯片拾放装置是粘片机最重要的部件，其功能是将晶圆上已切割分离成一粒粒的芯片逐个吸起，传送并放置到引线框架上涂有银浆的装载杯中，使芯片在引线框架上被粘焊固定。芯片拾放装置需要精确、快速、平稳地往返于拾片和粘片两个位置，实现拾取、传送和放置芯片等动作。摆杆是芯片拾放机构中最重要的部件。摆杆既要精密、轻巧又要刚度高。摆杆质量的好坏直接影响到粘片机速度的提高。传统的设计只是要求摆杆转动半径要达到要求，尽量省材料。摆杆在工作过程中，当摆到引线框架上方时，压缩空气通到吸嘴，迅速将芯片吹出释放，并通过吸嘴对芯片施加压力将芯片放置在引线框架上涂有银浆的位置。为此通过对摆臂进行静力学分析以及振动分析来模拟摆臂在运动过程中即将出现的问题，同时为尽可能地满足生产要求提供一定的实验依据。图 3.1 摆臂工业生产中常见的是连接套与摆臂相连，也有三段的连接体，如图示：图 3.2 三段连接体二段以上的拥有缓冲的优势，在嵌套上面连接传感器，保证晶体破坏，但是二段及以上段在高速运转（160ms 的周期运转）下固连部件容易出现松动，影响精度。3.1 固晶臂静力学分析LED 粘片机关键部件是焊头运动机构。焊头主运动结构要求在垂直平面内实现两个方向的运动, 在高速运动的同时还要求定位高、运动平稳。焊头的作用是将晶圆( wafer) 上已3 固晶臂的研究分析LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究21切割无锡太湖学院学士学位论文分离成一片片的芯片逐个吸起, 传送并放置到引线框架上, 使得芯片在引线框架上被粘焊头通常由两个电机分别驱动。为了使焊头运动平稳, 在设计机架的时候一定要使机架固有频率避开驱动电机的运动频率及倍频, 以减少共振。3.1.1 有限元分析的工具通常, 使用ANSYS 建立复杂的三维实体模型比较麻烦 , 所以在一般情况下使用三维软件( 例如 SolidWorks、CATIA等) 来建立几何模型 , 同时将该模型转换为ANSYS 认可的文件格式, 例如IGES 格式和parasolid 格式。将IGES 格式的模型文件导人ANSYS, 可以发现该模型往往存在或多或少的缺陷, 例如线或面之间存在小间隙、出现多余的图元等, 这都是模型文件进行转换时所造成的不良影响。我们可以使用ANSYS 中的几何和拓扑修复工具对这些缺陷进行修复和完善, 有时候效果并不是很好, 这对分析结果会造成影响。同时, ANSYS 的操作界面不是很友好, 有时还需要进行文字命令输入, 而且在进行模态以及谐响应分析时, 占 用的内存资源过多, 并会消耗大量的时间。有限元静力学分析方程静力学分析是指求解不随时间变化的系统平衡问题,如线弹性系统的应力等。线性方程的等效方程为K u= F （1）K uFa+ F r （2）式中：K为总刚度矩阵， Kn m=1Ke， u为节点位移矢量，n 为单元数，Ke 为单元刚度矩阵， F r为支反载荷矢量， Fa为所受的总外载荷。通过式（1）和式（2）得出各点的位移矢量u 。根据位移插值函数，由弹性力学中的应变和唯一、应力和应变的关系，得出节点的应变和应力表达式：e l =Bu-th （3）=De l （4）式中，e l 为由应力引起的应变，B 为节点上的应变-位移矩阵，u为节点上的位移矢量，th为热应变矢量（本文不考虑）， 为应力矢量，D为弹性矩阵系数。求解式（3）和式（4），得到各节点的应力。3.1.2 摆臂静力学分析（1）在HyperWorks 里可以先划网格，然后再定义单元类型，对划好的单元赋以材料属性. HyperWorks 的几何模型从CATIA三维CAD 软件导入. 进行有限元分析时，如果要准确模拟这些特征，需要用到很多小单元，导致求解时间延长。FEA 只需要简化的几何模型，因此需要对模型部件的一些细节信息进行简化，以便于网格划分和分析。此外，模型的一些几何信息在导入时可能会出错，如导入曲面数据时可能会存在缝隙、重叠、边界错位等缺陷，导入单元质量不高，求解精度差。一般，所有的有限元软件的单位都是需要用户自己定义。不过有些软件也有一些默认的单位，例如长度单位是mm、质量单位是kg 等。用户在设置单位的时候要注意所有的单位要形成一个“封闭的回路 ”。例如，当质量的单位是kg，时间的单位是s，长度单位是m，那么根据牛顿第二定律：F=ma，即F 的单位为N 。把三维软件的几何模型导入到HyperMesh 之前最好把零件组装成装配体的形式，因为对几何模型进行切分在三维软件里操作要比在CAE 软件里操作起来方便多了。另外，由于只是对摆杆的中间部分进行优化，当把中部分修改了尺寸（局部修改） ，摆杆最左边的部分和最右边的部分的网格可以完全不作改变，只需要把中间部分的几何模型重新导入，再单独LED 粘片机芯片取放机构的结构设计及固晶臂的分析研究23对这一无锡太湖学院学士学位论文16部分进行网格划分就可以了。当然，由于这里的摆杆整体模型也不是很复杂，上面提到的这些操作也可以在HyperWorks 里完成。（2） 摆杆约束和载荷摆杆静力分析主要是为了算出没有优化前的摆杆在受力情况下的位移。根据实际工作中的要求，摆杆在竖直方向的位移要求小于50m，摆杆在受到电机扭矩作用后水平方向的位移要求在