基于ANSYS的供球機構(gòu)擺動軸靜動態(tài)特性分析

劉勁松,姜文慶,王　鶴

(1.上海理工大學 機械工程學院,上海　200093;2.上海微松工業(yè)自動化有限公司,上海　201114)

基于ANSYS的供球機構(gòu)擺動軸靜動態(tài)特性分析

劉勁松1,2,姜文慶1,王鶴2

(1.上海理工大學 機械工程學院,上海200093;2.上海微松工業(yè)自動化有限公司,上海201114)

摘要供球機構(gòu)擺動軸的靜動態(tài)特性對穩(wěn)定供球、提高供球成功率和提高植球良率有著重要意義。因此,有必要對擺動軸靜動態(tài)特性進行仿真分析。通過建立簡化的擺動軸力學模型,并應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對擺動軸擺動角0°中間位置和±45° QUOTE 極限位置進行了靜態(tài)分析,得到了擺動軸在這些位置的應(yīng)力、變形云圖。對擺動軸進行模態(tài)分析,得到了擺動軸前6階固有頻率以及振形。分析結(jié)果表明,擺動軸的初步設(shè)計符合設(shè)計要求,同時判斷出擺動角±45° QUOTE 位置是擺動軸危險位置,為植球機供球機構(gòu)的下一步設(shè)計與優(yōu)化提供了參考。

關(guān)鍵詞供球機構(gòu);擺動軸;靜態(tài)特性;動態(tài)特性

Static and Dynamic Characteristics of the Swing Shaft ofBall Feeding Mechanism of Ball Mounter

LIU Jinsong1,2,JIANG Wenqing1,WANG He

(1.School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;

2.Shanghai Pine Industrial Automation Ltd.,Shanghai 201114,China)

AbstractThe static and dynamic characteristics of the swing shaft of ball feeding mechanism is of great significance in the ball feeding stability,the success rate for ball feeding and ball mounting.Therefore,it is necessary to conduct the static and dynamic characteristics of the swing shaft simulation analysis.A simplified swing shaft mechanical model is established and the finite element analysis software ANSYS is used for a static analysis of swing axle swing angle of 0° intermediate position and ±45° limit position to obtain the stress and deformation nephogram of the shaft wobble at these positions.The modal analysis of the swing shaft is carried out,and the natural frequency and the vibration form of the first six natural frequencies are obtained.The results show that the preliminary design of the swing shaft meets the design requirements and that the swing angle±45° position is the dangerous position.It provides references for the subsequent design and optimization of the ball mechanism.

Keywordsball feeding mechanism;the swing shaft;static characteristics;dynamic characteristics

植球機是半導(dǎo)體封裝技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備之一,主要由印刷系統(tǒng)、植球系統(tǒng)、檢查系統(tǒng)、上料系統(tǒng)和下料系統(tǒng)組成[1]。植球系統(tǒng)主要完成均勻、準確地將焊錫球放置于精密模板的動作,為下一步的錫球拾取做好準備。供球機構(gòu)是植球系統(tǒng)的核心部件,其焊錫球的供給、焊錫球的放置和多余焊錫球的回池3大主要動作全部需要借助擺動軸的周期性擺動來完成。由于植球機使用的焊錫球的球徑較小、質(zhì)量很輕,所以對擺動軸靜動態(tài)性能要求高[2]。文獻[3]研究了供球機構(gòu)在兩種不同加減速控制方式下運動學特性,但沒有對靜剛度、頻率、振形這些對供球機構(gòu)靜動態(tài)特性有直接影響的因素進行分析,且沒有相關(guān)文獻對供球機構(gòu)的這些因素進行分析研究。因此,有必要采用有限元分析手段對植球機供球機構(gòu)擺動軸進行靜動態(tài)特性分析,以指導(dǎo)植球機供球機構(gòu)的下一步設(shè)計和優(yōu)化。

1供球機構(gòu)結(jié)構(gòu)組成

供球機構(gòu)幾何模型如圖1所示,為完成焊錫球的供給、放置和回池動作,需要翻板可靠、穩(wěn)定地作±45°翻轉(zhuǎn)動作[4],從而要求擺動軸做擺動角為-45°~+45°的周期性轉(zhuǎn)動。動力通過同步帶由伺服電機輸入。伺服電機一般采用T型加減速控制方式,擺動軸在T型加減速方式下伺服電機角速度表達式如式(1)所示。

圖1　植球機供球機構(gòu)幾何模型

(1)

其中,ω(t)是擺動軸的角速度;t為時間,單位為s。

2供球機構(gòu)擺動軸有限元模型建立

對結(jié)構(gòu)進行有限元分析,沒有必要完全按照物理模型進行建模,對擺動軸的模型中的倒角、圓角、退刀槽進行簡化處理,以提高計算分析效率。

文獻[5]顯示將擺動軸簡化成梁單元進行有限元分析,不僅運算效率更高,且結(jié)果也更接近物理實驗結(jié)果。ANSYS提供的Beam188梁單元適合本文中擺動軸進行有限元建模。Beam188是三維線性有限應(yīng)力梁,基于Timoshenko梁理論,考慮了剪切變形的影響。擺動軸的材料為合金結(jié)構(gòu)鋼,密度7 800 kg/m3,彈性模量206 GPa,泊松比0.3。軸承的接觸剛度對擺動軸的靜動態(tài)特性有一定影響,不可忽略?？稍谳S承支承處沿圓周方向均布4個彈簧單元來模擬軸承,ANSYS中提供了彈簧單元Combine14,該單元具有一維、二維或三維應(yīng)用中的拉伸或扭轉(zhuǎn)的特性,彈簧單元布置方式如圖2所示[6]。

圖2　軸承接觸等效模型

考慮到擺動軸軸承采用兩端固定支承,對彈簧的P1、P2、P3、P4節(jié)點約束其所有自由度,對P5、P6、P7、P8節(jié)點施加軸向零位移約束。彈簧單元的長度為軸承的內(nèi)外圈半徑之差,彈簧剛度為軸承的徑向剛度,軸承的徑向剛度可根據(jù)軸承的相關(guān)參數(shù)依據(jù)經(jīng)驗公式計算[7]。

擺動軸的支承軸承采用日本Misumi公司的深溝滾珠軸承,軸承型號為SB6905ZZ,相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1　MISUMI SB6905ZZ軸承相關(guān)參數(shù)

深溝球軸承徑向剛度經(jīng)驗計算公式

(2)

式中,F為徑向載荷,每個軸承的徑向載荷為擺動軸、支撐板和刮板組件等重量的1/2;Z為為滾動體數(shù)目;β為滾動體接觸角;d1為鋼球直徑。入軸承相關(guān)參數(shù),經(jīng)計算得Kr=2 367N/μm。

3擺動軸靜態(tài)分析

由于擺動軸做作擺動角為-45°~+45°的周期性動作,存在兩個擺動角±45°極限位置和一個擺動角0°的中間位置,兩個擺動角±45°的極限位置的受力情況相同,所以可只分析其中一個位置。為簡化計算,只分析擺動角0°位置和擺動角+45°位置的受力情況,對于擺動軸的其他位置,假設(shè)其受力情況均介于擺動角0°位置和擺動角+45°位置受力情況之間。

3.1　擺動軸擺動角0°位置靜態(tài)分析

圖3　擺動角0°位置擺動軸受力簡圖

當擺動角0°位置時,此時擺動軸受力情況可簡化成只承受自身重力g和來自支撐板等零件的重力而產(chǎn)生的徑向載荷R[8],經(jīng)計算R=75.35 N。使用ANSYS分析,得到擺動軸的撓度、應(yīng)力云圖如圖4所示。可看出擺動軸在擺動角0°情況下最大撓度為3.6×10-4mm,發(fā)生在擺動軸中間位置處。最大應(yīng)力為0.78 MPa,發(fā)生在軸承支承內(nèi)側(cè)邊緣處。

圖4　擺動角0°位置擺動軸變形、應(yīng)力云圖

3.2　擺動軸擺動角+45°位置靜態(tài)分析

圖5　擺動角+45°位置擺動軸受力簡圖

當擺動角+45°位置時,此時擺動軸受力情況可簡化成承受自身重力和來自支撐板等零件的重力而產(chǎn)生的徑向載荷R和扭轉(zhuǎn)力矩T,經(jīng)計算R=75.35 N,T=1 130.25 N·mm。使用ANSYS分析,得到擺動軸的撓度、應(yīng)力云圖如圖6所示,擺動軸在擺動角+45°時最大撓度4.2×10-4mm,發(fā)生在擺動軸中間位置處。最大應(yīng)力為0.93 MPa,發(fā)生在軸承支承內(nèi)側(cè)邊緣處。

圖6　擺動角45°位置擺動軸變形、應(yīng)力云圖

經(jīng)過對擺動軸擺動角0°位置和擺動角+45°位置進行靜態(tài)分析,可得出擺動角±45°位置的擺動軸擾度和應(yīng)力均大于擺動角0°位置的擺動軸撓度和應(yīng)力,擺動角±45°位置是擺動軸的危險位置。最大撓度為4.2×10-4mm發(fā)生在擺動軸的中間軸段,小于設(shè)備精度要求的0.005 mm。最大應(yīng)力0.93 MPa發(fā)生在軸承支承內(nèi)側(cè)邊緣截面,遠小于材料的屈服強度,因此軸的靜態(tài)特性符合設(shè)計要求。

4擺動軸動態(tài)特性分析

有限元方法的動態(tài)分析主要包括模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、響應(yīng)譜分析、隨機震動分析等,其中模態(tài)分析[9]是計算結(jié)構(gòu)震動特性的數(shù)值技術(shù),結(jié)構(gòu)振動特性包括固有頻率和振形。擺動軸的振動特性對植球最終效果有著重要的影響。因此,本文主要研究擺動軸的固有頻率和振形。

采用子空間迭代法對供球機構(gòu)擺動軸前6階振動特性進行分析研究。經(jīng)過分析計算,得出擺動軸前6階固有頻率和振形。

表2　擺動軸前六階固有頻率

圖7　擺動軸前6階振形

根據(jù)傳動軸的穩(wěn)定性理論,當轉(zhuǎn)速n滿足13n1≤n≤0.7n2(n1、n2分別為1階、2階臨界轉(zhuǎn)速)時,轉(zhuǎn)軸是柔性軸,可在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定運行[10]。擺動軸在T型加減速控制方式下的最高轉(zhuǎn)速為n=20×3.14×60=3 768 r·min-1,符合柔性軸條件。因此,擺動軸為柔性穩(wěn)定軸,不會有共振的危險。

5結(jié)束語

(1)對擺動軸處于擺動角0°位置和+45°位置分別進行了靜態(tài)分析,對比得出了擺動角±45°位置是轉(zhuǎn)

軸周期擺動危險位置結(jié)論。同時,找到了最大撓度4.2×10-4mm和最大應(yīng)力的發(fā)生截面為軸承支承內(nèi)側(cè)邊緣處截面;(2)對擺動軸的模態(tài)分析,獲得了前6階固有頻率和振形,根據(jù)傳動軸理論判定擺動軸為柔性穩(wěn)定軸,在現(xiàn)有轉(zhuǎn)速下不會發(fā)生共振;(3)有限元分析的結(jié)論,為植球機供球機構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]劉勁松,郭儉.BGA/CSP封裝技術(shù)的研究[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2003(5):602-604.

[2]方興.用于集成電路陣列(BGA)封裝的全自動植球機的研制開發(fā)[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2005.

[3]夏鏈,吳斌,田曉青,等.基于虛擬樣機的BGA供球機構(gòu)動態(tài)性能仿真研究[J].合肥工業(yè)大學學報:自然科學版,2013,36(8):910-914.

[4]夏鏈,韓江,方興,等.球柵陣列(BGA)自動植球機的研制[J].儀器儀表學報,2006(27):155-158.

[5]蔡力鋼,馬仕明,趙永勝,等.多約束狀態(tài)下重載機械式主軸有限元建模和模態(tài)分析[J].機械工程學報,2012(2):165-173.

[6]王德帥.考慮軸承摩配間隙的高速電主軸靜動態(tài)特性分析[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2014.

[7]劉悅,汪勁松.基于軸承及導(dǎo)軌接觸剛度的混聯(lián)機床靜剛度研究及優(yōu)化[J].機械工程學報,2007(43):151-154.

[8]范欽珊,蔡新.工程力學[M].2版.北京:機械工業(yè)出版社,2012.

[9]丁欣碩,凌桂龍.ANSYS WorkBench14.5有限元分析案例詳解[M].北京:清華大學出版社,2014.

[10]馬淑梅,柯于林,李愛平,等.基于ANSYS的高效永磁同步電機主軸靜動態(tài)特性有限元分析[J].機械設(shè)計,2012(2):82-86.

作者簡介:劉勁松(1968—),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師。研究方向:高端半導(dǎo)體芯片制造裝備和工業(yè)機器人技術(shù)。姜文慶(1988—),男,碩士研究生。研究方向:智能設(shè)計,多體動力學等。

基金項目:上海市科委重點支撐基礎(chǔ)研究基金資助項目(12510502500)

收稿日期:2015- 05- 23

中圖分類號TH122

文獻標識碼A

文章編號1007-7820(2016)01-149-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.01.040