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面向LED封装的XY二自由度的工作台的设计.rar

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    编号:20180802233204201    类型:共享资源    大小:1.92MB    格式:RAR    上传时间:2018-08-02
      
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    面向 LED 封装 XY 自由度 工作台 设计
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    南昌航空大学科技学院学士学位论文1面向 LED 封装的 XY 二自由度的工作台的设计1. 前 言封装是指安装半导体电路外壳,不仅起着安放、固定、密封、保护芯片使之不受外界环境干扰和腐蚀破坏的作用,而且是沟通内部电路与外部电路的桥梁。所谓LED 封装加工是将晶片上的连接点用导线封装外壳的引脚上,这些引脚又通过导线与其他电路连接,因此,封装对 LED 芯片起着重要的作用。而阴险键合(Wire blonding)技术仍然是 LED 封装连接技术中广泛使用的灵活形式,焊线机是用铝线(或其他材料)把电路板上的压焊点与外壳或引线框架上的外引线引出端通过键合连接起来。近年来,随着电子技术、计算机技术的发展,各种形式的封装样式越来越多,LED 封装高速、高精度的需求日益紧迫。为进一步提高质量和生产率,对该类设备的运动精度和运动速度、加速度等性能提出了更高的要求,也体现了该类作业装备向高速、高精度方向发展的趋势。这就要求 LED 的封装技术不断的发展和改良。目前,大多数封装装备中采用的是电机——滚珠丝杠式的驱动方式,伺服电机的旋转运动是通过丝杠转为定位平台的直线运动,其极限加速度可以达到 1g。日本发明了一种采用直线电磁电机驱动的 XY 定位平台,可以有效地提高定位系统的速度和可靠性。省去了旋转电机驱动中的传动环节,从而都不痛的提高了 XY定位平台的性能。但目前存在的问题是,无论用哪种直线电机驱动方式,动补痛程度的存在滞后、有限响应、有限加速度及速度等问题,且不同程度的限制了定位精度的进一步提高。音圈电机(Yoica Coil Aotuator)是另一种可用于直接驱动的驱动元件它是基于安培力原理制造的,除了和直线电机一样避免了传动环节存在间隙等不足外,在理论上具有无限分辨率,还有无滞后、高响应、高加速度、高速度、体积小、力特性好、控制方便等优点使音圈电机更适用于要求高加速度,高频激励,快速和高精度定位的控制系统中[ss.}s]将其用于高频启动和转向的引线键合设备定位机构中,无疑是理想的选择。如下图所示即为音圈电机应用在半导体加工设备中的 XY 定位平台上的实例,在该 X7 定位平台单方向,即 X 向采用了传统结构的音圈电机驱动,Y 向南昌航空大学科技学院学士学位论文2则用平面直线电机驱动.新加坡发明的双向都采用音圈电书 1 来驱动的 XY 精密定位平台,即在该安装有焊头的 XY 定位平台中,其 X 向和 Y 向均采用音圈电机进行驱动来实现焊头在水平面的两自由度运动。又比如美国 BEITedmologies 公司的音圈电机也有用在 XY 定位平台上的成功范例。近年来,随着电子技术、计算机技术的发展,各种形式的封装样式越来越多,LED 封装高速、高精度的需求日益紧迫。为进一步提高质量和生产率,对该类设备的运动精度和运动速度、加速度等性能提出了更高的要求,也体现了该类作业装备向高速、高精度方向发展的趋势。这就要求 LED 的封装技术不断的发展和改良。本文面向 LED 封装的 XY 二自由度的工作台的设计为课题,设计一部高速、高精度、可靠的 LED 封装设备工作台。2 X—Y 工作台的传动方式本次设计的工作台为十字工作台,为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑,采用螺旋丝杠螺母传动副。电机与螺旋丝杠副采取直接连接的方式,即螺旋丝杠转速/电机转速=1。为提高传动刚度和消除间隙,采用有预加载荷的结构。采用直线导轨副,从而减小工作台的摩擦系数,提高运动平稳性。系统总体框图如下南昌航空大学科技学院学士学位论文3主要完成的工作有:螺旋丝杠副的选取、电机的选取、轴承的选取、导轨副的选取及工作台底座尺寸的设计。3 螺旋丝杠副的选取3.1 导程的选取根据任务书选择行程=400mm,最大速度为 0.3m/s 作为设计目标进行计算。因为设计要求分辨率范围是 0.1mm-0.01mm。粗选导程为 5mm,计算分辨率:S=Ph*A/BS 最小进给量,mmA 减速比,即滚珠丝杠副转速/电机转速Ph 滚珠丝杠副的导程,mmB 角度测试仪和驱动的分辨率,即每转脉冲数,p/rev电机与丝杠采取直接连接的方式,所以 A=1,伺服马达每转一周的最小分辨率通常随着伺服马达的标准角度测试仪的分辨率(1000p/rev,1500p/rev)而成为1000p/rev (无倍增)1500p/rev (无倍增)2000p/rev (2 倍增)3000p/rev (2 倍增)南昌航空大学科技学院学士学位论文44000p/rev (4 倍增)6000p/rev (4 倍增)由于分辨率要求达到 0.1~0.01mm,先选取 1000 p/rev 的分辨率和导程 5mm 代入上式计算得 S=0.005mm,所以满足要求,所以选定导程为 5mm。3.2 螺旋传动型式的选取螺旋传动分为滑动螺旋、滚动螺旋、静压螺旋。其中滚动螺旋广泛用于各种精度的数控机床、加工中心、FMS 柔性制造系统、轻功等机构中,且滚动螺旋有如下许多优点:1. 传动效率高达 0.9~0.98,平均为滑动螺旋的 2-3 倍,可节省动力 1/2~3/4,有利于主机的小型化及减轻劳动强度。2. 摩擦力矩小,接触刚度高,使温升及热变形减小,有利于改善主机的动态特性和提高工作精度。3. 工作寿命长,平均可达滑动螺旋的 10 倍左右4. 传动无间隙,无爬行,运转平稳,传动精度高5. 具有良好的高速性能,其临界转速之 dn 值(d 为轴径,mm;n 为转速,r/min)可达 40000 以上,可实现线速度 120m/min 的高速驱动6. 已经实现系列尺寸标准化,并出现了冷轧滚珠丝杠,提供了多用途的廉价产品所以本次设计丝杠选用滚珠丝杠3.3 计算最大速度和各时段的时间因为行程为 400mm,在运行过程中,加速时间与减速时间一般各约为整个运行时间的 1/4,设加速度为 a a*t1=Vmax0.5*a*t1+Vmax*t3 -0.5a*t32 +Vmax*t2=400 计算得 t1=t3=1.125 秒 t2=2.25 秒 a=0.27m/s 2滚珠丝杆的最大转速为Nmax= Vmax/ph=300/5=60 (转/秒)=3600(转/分)南昌航空大学科技学院学士学位论文53.4 滚珠丝杠副尺寸选择计算3.4.1 计算当量载荷加速时滚珠丝杠承受最大轴向负荷,减速时承受最小轴向负荷;Fmax=μ*m*g+m*(Vmax/t)Fmin=μ*m*g-m*(Vmax/t)Fmax: 滚珠丝杠副承受最大轴向负荷,NFmin: 滚珠丝杠副承受最小轴向负荷,Nμ: 滚动导轨选取 0.005,m: 工作台质量及最大工件(和夹具)质量,Kgg: 重力加速度,9.8m/s 2Vmax:最大移动速度,m/st: 工作台从静止加速到 Vmax 的时间,S其中工作台质量及最大工件(和夹具)质量约为 20Kg代入个数据计算得Fmax=6.4 NFmin=-4.4N工作时,载荷在 Fmax 与 Fmin 之间周期性变化,所以当量载荷Fm=1/3(2Fmax+Fmin)Fm=5.7 N3.4.2 计算当量转速 r/min工作台工作时 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 计算额定动载荷C/am=fwFm(60NmLh)1/3/100fa*fcC/am=fwFm(Ls/Ph)1/3/fa*fc南昌航空大学科技学院学士学位论文6选取其中较大者为预期值 C/amfa——精度系数fc——可靠性系数fw——载荷性质系数Lh—预期工作寿命 hLs—预期工作距离 Km根据资料,自动控制设备的滚珠丝杠的工作寿命推荐为 Lh=15000 小时,Ls=((15000*3600)/4.5)*0.4/1000=480 km查表精度等级 1,2,3 4,5 7 10fa 1.0 0.9 0.8 0.7得 fa=1 Fc =1 Fw=1.2代入公式计算得 C am=74.6N3.4.4 估算滚珠丝杠允许最大轴向变形 m(μm)m=(1/3~1/4)重复定位精度,任务书重复定位精度为 0.003~0.015mm取重复定位精度为 0.015mm=15μmm= *15μm=5μm31可靠性/%90 95 96 97 98 99Fc 1 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21载荷性质 无冲击 轻微冲击 伴有冲击或振动Fw 1~1.2 1.2~1.5 1.5~2南昌航空大学科技学院学士学位论文73.4.5 滚珠丝杠副的支撑方式选择滚珠丝杠副的支撑方式有 4 种情况1) 固定—自由2) 支承—游动3) 固定—游动4) 固定—固定安装方式对滚珠丝杠副的承载能力,刚性,最高转速,使用寿命有至关重要的影响在条件允许的情况下,设计时应尽量避免一端自由的方式。本次设计选用两端固定的支撑方式,应为其有以下优点:1)丝杠的静态稳定性和动态稳定性最高,适用于高速回转2)两端轴承均调整预紧,丝杠的温度变形可转化为轴承的预紧力3)适用于对刚度和位移精度要求高的滚珠丝杠安装4)轴向刚度大3.4.6 估算滚珠丝杠底径 d2md2m=a m/LF。F0=μ 0Wa——支撑方式系数,两端固定时取 0.039F0——导轨静摩擦力,Nμ 0——导轨静摩擦因数L——滚珠丝杠两轴承支点间距离,常取 1.1 行程+(10~14)Ph,mm其中滚动导轨的静摩擦因数为 0.005,W=20Kg*9.8Kg/s 2,行程为 400mm,计算得 L=510mm,F 0=0.98代入公式计算得 d2m=12.3mm3.4.7 滚珠丝杠副的预紧方式南昌航空大学科技学院学士学位论文8预紧方式 预紧方式代号 预紧力 Fp 适用范围 备注双螺母垫片预紧 D≤12%Co一般取≤10%Co 不限单螺母变位导程预紧 B≤%10Co一般取≤7.5%Co中小直径滚珠丝杠副单螺母增大滚珠直径预紧 Z ≤5%Co中小直径滚珠丝杠Co 值参见滚珠丝杠副的详细参数结合查阅机械设计手册表 1-1-13 和表 11-1-14 选取滚珠丝杠副的预紧方式为单螺母变为导程预紧确定滚珠丝杠的规格代号产品编号标准行程mm总长Lmm公称直径mm公称导程mm滚珠直径mm滚珠圈数丝杠底径mm旋向行程余量mm轴向间隙任意300mm行程变动量V300mm额定动负荷 KN额定静负荷KN刚性N/μm(30%Co)BSG126400 540 16 5 3.175 3 12.5 右 19G0~G10.016 4.9 7.6 140滚珠丝杆副上螺母3.4.8 计算预紧力 Fp (N)Fp= Fmax,其中 Fmax 为最大轴向载荷,Fmax=6.4N,所以 Fp=2.1N31南昌航空大学科技学院学士学位论文93.4.9 DN 值的验算D 为滚珠丝杠副滚珠中心处直径(mm) ,N 为滚珠丝杠副极限转速(rpm)D*N≤70000、D=16mm,N=3600r/min16X3600=57600<70000,所以合格3.4.10 安装部精度及其设计查阅表机械设计手册表 11-1-25 选取精度等级为 P4查阅机械设计手册表 11-1-29E5= 28μm E8=5μmE6= 20μm E9=16 μmE7= 8μm E10=16μm南昌航空大学科技学院学士学位论文103.5 螺旋升角与传动效率3.5.1 螺旋升角的计算tan =Ph/(π*d)——螺旋升角π——圆周率,3.14d——滚珠丝杠副的公称直径,mm由前面数据可知,Ph=5mm,d=16mm,代入公式计算得 =5.7°3.5.2 传动效率的计算查上图可得滚珠丝杠副的传动效率约为 0.9
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