1773_面向LED封裝的XY二自由度的工作臺的設(shè)計

1773_面向LED封裝的XY二自由度的工作臺的設(shè)計,面向,led,封裝,xy,自由度,工作臺,設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計（論文）外文翻譯題目 面向 LED 封裝的 XY 二自由度的工作臺的設(shè)計專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化班 級 學(xué) 號 078105213學(xué) 生 姓 名 賈辰光指 導(dǎo) 教 師 張緒坤 Low Cost Solution for Bonding WireJong-Soo Cho,Jeong-Tak,Moon(R&D,MK Electron Co.,Ltd.Korea,449-812)Abstract:Recently,gold price is going up to over 1,000USD and the price of semiconductor device thatis especially memory device is going down.In semiconductor industry,major concern is cost reduction.To reduce material cost of bonding wire,Au-Ag alloy wire has been tried to be used in electronic de-vices in substitution for Au wire,since several years ago.However,Au-Ag alloy wire could not been ap-plied to such devices due to failures during high humidity reliability test such as PCT(Pressure cookertest).This study investigates failure mechanism during PCT in electronic device of conventional Au-Agwire,the effects of the element(Pd)that was put into Au-Ag wire to prevent the humidity reliability test(PCT)failure.Keywords:Au-Ag wire;PCT(Pressure Cooker Test);Humidity;Reliability 收稿日期:2008-04-15·封裝與測試 ·60 電子工業(yè)專用設(shè)備Equipment for Electronic Products ManufacturingEPEMay.2008（總第 160 期）1 IntroductionAu has been used as bonding wire for semicon-ductor packaging generally.however,in order to re-duce cost in the semiconductor industries,substitutionfor the gold wire by some other low cost wire has be-come a critical issue.As Gold and Silver form com-plete solid solution,it make it possible that Ag ofhigh contents is alloyed to Au,therefore it can savewire cost for semiconductor package.It has reported,however,that degradation of thebond between Au-Ag ball and Al pad is critical prob-lem.These humidity reliability problem acts as thebarrier for the application of Ag alloyed Au wire tosemiconductor package in spite of low cost.The purpose of current paper is to study(1)whybondability between Au-Ag ball and Al metallizationis weakened during humidity test(2)the influence ofPd element alloying on Au-Ag wire to solve the fail-ure problem during humidity reliability. 2 Result and Discussion2.1 The shapes of FAB,1st Bond, 2nd Bonds,Looping SEM images were observed to check out whether 。Free Air Ball,1st bonded ball,2nd stitch bond,loop-ing were good or not in Fig.1.As a result,It werechecked out that all conditions were no problem.2.2 The Bondability after PCTAfter the three kinds of wires(Diameter:20μm)-(1)4N Au,(2)Au-15%Ag,(3)Au-15%Ag-5%Pd-on Al metallization were ball-bonded,the samplewere exposed under JESD 22-A102,PCT condition(at 121’C,204.9×10-3 MPa,100%RH).It is shown in Fig.2 that vertical line representBPT(bond pull test)values,and horizontal line repre-sent PCT duration time.Inspection of this chart re-veal that BPT value was drastically decreased afterPCT for 24 h in case of Au-15%Ag,and it wasaround zero after 48 h PCT.On contrast,in case of4N Au(99.99%Au)and Au-15%Ag-5%Pd,it keptstable BPT values.As a result,we could find out preventing Pd ele-ment from bondability degradation of Au-15%Ag during PCT.Fig.3 shows ball shear test results.In case ofAu-15%Ag,BST values were dropped down slowly,compared with BPT valued in Fig.2,but overalltrends were almost similar to BPT values in Fig.2STEM image of interface between Au-15%Agball and Al pad,after PCT(121’C,204.9×10-3 MPa,100%RH,96h)is shown in Fig.4.Inspection of thisimage reveal that intermetallic compounds are formedin the region upper Al pad.It was observed that darkline,that is micro crack between Au-15%Ag andAu-Ag-Al intermetallic compounds.The Fig.5 shows the line scanning analysis byEDS along the red line in left first STEM image,and the analysis was performed for 4 elements that areOxygen,Aluminium,Gold,Silver.As a remarkable results,it could be detected that there is region whereOxygen peak and Al peak is high around crack.Judging from existence of Aluminium oxidearound the crack,it was inferred that the crack is gen-erated by Al-Oxide.It’s considered that the reasonfor the oxide layer&crack occurrence is galvanic corrosion,Ag migration phenomena2.3 TEM,EELS AnalysisFig.6 shows TEM(Transmission Electron Mi-croscopy)image&oxygen mapping image by EELS(Electron Energy Loss Spectrometer)for the interfacebetween Au-15%Ag wire.The thickness of IMC wasobserved around 50～100 nm,and that of crack wasaround 10～30 nm.As analyzed by EELS mapping,Oxygen elementis distributed along the crack region,therefore it couldbe acknowledged that the crack occurred by corrosionby this results again. It was shown that the TEM&EELS analysis re-sults to investigate the influence of Pd element on in-terface between Au-15%Ag-5%Pd ball and Al metal-lization,after PCT 96 h in Fig.7.Inspection of the TEM&EELS images revealthat it has thinner intermetallic compounds band andless Oxygen distribution compared with case withoutPd element.The thickness of IMC was measured tobe around 20～30 nm,no crack was observed inTEM image.As a results,It was observed that the less inter-metallic compounds formation,no crack formation,lessOxygen region,in adding Pd element to Au-15%Ag. 3 Conclusions3.1 The case of bonding Au-15%Ag to Al pad(1)PCT degrades bond strength drastically.(2)As a result of Al-oxide layer forming,the mi-cro crack is generated,it makes bondability degradation.(3)It is considered that the reason for oxide layerforming&crack generation is galvanic corrosion,Agmigration phenomena under high temp.and humidity. 3.2 The case of bonding Au-15%Ag-5%Pdball to Al pad(1)The addition of Pd in Au-15%Ag improves bondability degradationafter PCT considerably(2)The addition of Pd induces less IMC forma-tion,and it prevents oxide layerforming南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文1面向 LED 封裝的 XY 二自由度的工作臺的設(shè)計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 LED 芯片起著重要的作用。而陰險鍵合(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，對該類設(shè)備的運(yùn)動精度和運(yùn)動速度、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。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)動方式，伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是通過絲杠轉(zhuǎn)為定位平臺的直線運(yùn)動，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)動的 XY 定位平臺，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)動中的傳動環(huán)節(jié)，從而都不痛的提高了 XY定位平臺的性能。但目前存在的問題是，無論用哪種直線電機(jī)驅(qū)動方式，動補(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)動的驅(qū)動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，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 定位平臺上的實(shí)例，在該 X7 定位平臺單方向，即 X 向采用了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的音圈電機(jī)驅(qū)動，Y 向南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文2則用平面直線電機(jī)驅(qū)動.新加坡發(fā)明的雙向都采用音圈電書 1 來驅(qū)動的 XY 精密定位平臺，即在該安裝有焊頭的 XY 定位平臺中，其 X 向和 Y 向均采用音圈電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)焊頭在水平面的兩自由度運(yùn)動。又比如美國 BEITedmologies 公司的音圈電機(jī)也有用在 XY 定位平臺上的成功范例。近年來，隨著電子技術(shù)、計算機(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，對該類設(shè)備的運(yùn)動精度和運(yùn)動速度、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。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 二自由度的工作臺的設(shè)計為課題，設(shè)計一部高速、高精度、可靠的 LED 封裝設(shè)備工作臺。2 X—Y 工作臺的傳動方式本次設(shè)計的工作臺為十字工作臺，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用螺旋絲杠螺母傳動副。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，從而減小工作臺的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動平穩(wěn)性。系統(tǒng)總體框圖如下南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文3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底座尺寸的設(shè)計。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)計目標(biāo)進(jìn)行計算。因為設(shè)計要求分辨率范圍是 0.1mm-0.01mm。粗選導(dǎo)程為 5mm，計算分辨率：S=Ph*A/BS 最小進(jìn)給量，mmA 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，mmB 角度測試儀和驅(qū)動的分辨率，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)南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文44000p/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 螺旋傳動型式的選取螺旋傳動分為滑動螺旋、滾動螺旋、靜壓螺旋。其中滾動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，且滾動螺旋有如下許多優(yōu)點(diǎn)：1. 傳動效率高達(dá) 0.9~0.98，平均為滑動螺旋的 2-3 倍，可節(jié)省動力 1/2~3/4，有利于主機(jī)的小型化及減輕勞動強(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)的動態(tài)特性和提高工作精度。3. 工作壽命長，平均可達(dá)滑動螺旋的 10 倍左右4. 傳動無間隙，無爬行，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，傳動精度高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產(chǎn)品所以本次設(shè)計絲杠選用滾珠絲杠3.3 計算最大速度和各時段的時間因為行程為 400mm，在運(yùn)行過程中，加速時間與減速時間一般各約為整個運(yùn)行時間的 1/4，設(shè)加速度為 a a*t1=Vmax0.5*a*t1+Vmax*t3 -0.5a*t32 +Vmax*t2=400 計算得 t1=t3=1.125 秒 t2=2.25 秒 a=0.27m/s 2滾珠絲桿的最大轉(zhuǎn)速為Nmax= Vmax/ph=300/5=60 （轉(zhuǎn)/秒）=3600（轉(zhuǎn)/分）南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文53.4 滾珠絲杠副尺寸選擇計算3.4.1 計算當(dāng)量載荷加速時滾珠絲杠承受最大軸向負(fù)荷，減速時承受最小軸向負(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，NFmin： 滾珠絲杠副承受最小軸向負(fù)荷，Nμ： 滾動導(dǎo)軌選取 0.005，m： 工作臺質(zhì)量及最大工件（和夾具）質(zhì)量，Kgg： 重力加速度，9.8m/s 2Vmax：最大移動速度，m/st： 工作臺從靜止加速到 Vmax 的時間，S其中工作臺質(zhì)量及最大工件（和夾具）質(zhì)量約為 20Kg代入個數(shù)據(jù)計算得Fmax=6.4 NFmin=-4.4N工作時，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 N3.4.2 計算當(dāng)量轉(zhuǎn)速 r/min工作臺工作時 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 計算額定動載荷C/am=fwFm(60NmLh)1/3/100fa*fcC/am=fwFm(Ls/Ph)1/3/fa*fc南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文6選取其中較大者為預(yù)期值 C/amfa——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 hLs—預(yù)期工作距離 Km根據(jù)資料，自動控制設(shè)備的滾珠絲杠的工作壽命推薦為 Lh=15000 小時，Ls=（（15000*3600）/4.5）*0.4/1000=480 km查表精度等級 1，2，3 4，5 7 10fa 1.0 0.9 0.8 0.7得 fa=1 Fc =1 Fw=1.2代入公式計算得 C am=74.6N3.4.4 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=15μmm= *15μm=5μm31可靠性/%90 95 96 97 98 99Fc 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Fw 1~1.2 1.2~1.5 1.5~2南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文73.4.5 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3） 固定—游動4） 固定—固定安裝方式對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)計時應(yīng)盡量避免一端自由的方式。本次設(shè)計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 d2md2m=a m/?LF。F0=μ 0Wa——支撐方式系數(shù)，兩端固定時取 0.039F0——導(dǎo)軌靜摩擦力，Nμ 0——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其中滾動導(dǎo)軌的靜摩擦因數(shù)為 0.005，W=20Kg*9.8Kg/s 2，行程為 400mm，計算得 L=510mm，F(xiàn) 0=0.98代入公式計算得 d2m=12.3mm3.4.7 滾珠絲杠副的預(yù)緊方式南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文8預(yù)緊方式 預(yù)緊方式代號 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Co 值參見滾珠絲杠副的詳細(xì)參數(shù)結(jié)合查閱機(jī)械設(shè)計手冊表 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)格代號產(chǎn)品編號標(biāo)準(zhǔn)行程mm總長Lmm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行程變動量V300mm額定動負(fù)荷 KN額定靜負(fù)荷KN剛性N/μm（30%Co）BSG126400 540 16 5 3.175 3 12.5 右 19G0~G10.016 4.9 7.6 140滾珠絲桿副上螺母3.4.8 計算預(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=2.1N31南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文93.4.9 DN 值的驗算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/min16X3600=57600＜70000，所以合格3.4.10 安裝部精度及其設(shè)計查閱表機(jī)械設(shè)計手冊表 11-1-25 選取精度等級為 P4查閱機(jī)械設(shè)計手冊表 11-1-29E5= 28μm E8=5μmE6= 20μm E9=16 μmE7= 8μm E10=16μm南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文103.5 螺旋升角與傳動效率3.5.1 螺旋升角的計算tan =Ph/（π*d）?——螺旋升角π——圓周率，3.14d——滾珠絲杠副的公稱直徑，mm由前面數(shù)據(jù)可知，Ph=5mm，d=16mm，代入公式計算得 =5.7°?3.5.2 傳動效率的計算查上圖可得滾珠絲杠副的傳動效率約為 0.9南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文113.6 計算行程補(bǔ)償值 C （μm）C=11.8 lu10-3t?lu=行程+（8~14）Pht——溫度變化值，2~3°C?Lu——滾珠絲杠副有效行程，mm計算得 C=166.3μm3.7 計算預(yù)拉伸力 Ft（N）Ft=1.95 td22?d2——絲杠螺紋底徑，mmt——溫度變化值，2~3°C?螺紋底徑為 12.5mm，計算得預(yù)拉伸力為 914（N）南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文124. 滾動軸承型號選擇計算4.1 初步選擇軸承的類型查機(jī)械設(shè)計手冊表 6-2-2 選擇深溝球軸承額定動載荷比 摩擦比 轉(zhuǎn)速比 旋轉(zhuǎn)精度 剛度1 1.0 1.0 A C因為軸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，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，價格低廉。4.2 計算當(dāng)量動載荷軸承的基本額定動載荷是在嘉定的運(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)場合，常常同時承受徑向載荷和軸向載荷，因此，再進(jìn)行軸承計算時，必須把實(shí)際載荷轉(zhuǎn)換為與確定動載荷條件相一致的當(dāng)量動載荷。當(dāng)量動載荷的一般計算公式為：P=XFr+YFn式中 P——當(dāng)量動載荷，NFr——徑向載荷，NFa——軸向載荷，NX——徑向動載荷系數(shù)Y——軸向動載荷系數(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 相對軸向載荷 單列軸承 雙列軸承 e南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文13≤eraF＞era≤eraF＞era承類型 raf。。CF2wiZD。X Y X Y X Y X Y0.172 0.172 2.3 2.3 0.190.345 0.345 1.99 1.99 0.220.689 0.689 1.71 1.71 0.261.03 1.03 1.55 1.55 0.281.38 1.38 1.45 1.45 0.32.07 2.07 1.31 1.31 0.343.45 3.45 1.15 1.15 0.38深溝球軸承5.17 5.171 0 0.561.041 0 0.561.04 0.42明顯 =5.7/60≤e，所以 X=1，Y=0raFP=XFr+YFa=60*1+5.7*0=60 （N）4.3 按額定載荷選擇軸承4.3.1 計算額定動載荷C= P＜C （或 C ）rndmhfraC——基本額定動載荷計算值，N；P——當(dāng)量動載荷，N；f ——壽命因數(shù)；hf ——速度因數(shù)；nFh——壽命因數(shù)Fm——力矩載荷因數(shù)，力矩較小時取 fm=1.5Fd——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載荷，NCa——軸承尺寸及性能表中所列軸向基本額定動載荷，N查機(jī)械設(shè)計手冊表 6-2-8~6-2-11 得南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文14fm=1.5 fd=1.2 fr=1.0查閱機(jī)械設(shè)計手冊表 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)滾珠絲杠副的最大轉(zhuǎn)速達(dá)到 3600r/min，查閱機(jī)械設(shè)計手冊表 6-2-9 得速度因數(shù)n/r*min fn3600 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 基本額定動載荷C=1892.6（N） 。4.3.2 額定靜載荷的計算計算軸承時，應(yīng)分別計算額定動載荷和額定靜載荷，取其中較大者選擇軸承。額定靜載荷的計算公式：C0=S0P0＜C 0r 或 C0a 式中 C0——基本額定靜載荷計算值，N；P0——當(dāng)量靜載荷，N，S0——安全因數(shù)，靜止軸承和緩慢擺動C0r——軸承尺寸及性能表中所列的徑向基本額定靜載荷，NC0a——軸承尺寸及性能表中所列的軸向基本額定靜載荷，NL10h/h fh25000 3.68南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文15因為所選為深溝球軸承，所以 P0r=X0Fr+Y0Fa=60（N）查閱機(jī)械設(shè)計手冊表 6-2-16S0使用要求和載荷性質(zhì)球軸承對旋轉(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)代入基本靜載荷計算公式可以計算得：C0=S0P0=1.5*60=90 （N）明顯，基本額定靜載荷 C0＜基本額定動載荷 C4.3.3 按基本額定動載荷選取軸承由于基本額定靜載荷 C0＜基本額定動載荷 C，選取軸承時按照基本額定動載荷來選取，并且考慮與其他零件的配合，查閱機(jī)械設(shè)計手冊表 6-2-52 選?。夯境叽?mm基本額定載荷/KN極限轉(zhuǎn)速/r/min-1重量/kg軸承代號其他尺寸/mm安裝尺寸/mm球徑/mm球數(shù)d D B CrC0r脂 油W?60000型d2 D2 r da Da ra Dw Z12 21 5 1.9 1 24000 32000 0.005 61801 14.6 18.4 0.3 14 19 0.3 2.381 12南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文16（ 深溝球軸承 60000 型）南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文175 系統(tǒng)剛度的計算 （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，mm 2（以滾珠絲杠副螺紋底徑計算）E——滾珠絲杠副軸材料的彈性系數(shù)，2.1*10 5 N/μmX——負(fù)荷作用點(diǎn)到固定或支撐端的距離，mmL——滾珠絲杠副支撐距離，mm計算得出 Ks=808N/μm5.2 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/μmFp——預(yù)緊力，NCo——樣本所列額定動載荷，N查閱前面滾珠絲杠副參數(shù)，代入公式計算得 Kn=137.9 N/μm5.3 計算系統(tǒng)剛度 n1b1sK??K——整個滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)的軸向剛性Ks——滾珠絲杠軸本身的軸向剛性，N/μmKb——軸承剛度 N/μmKn——滾珠螺母本身的軸向剛度Kb=Kb1+Kb2 N/μmKb1，Kb2 分別問兩端軸承組的剛度，約為 147.8N/μmKb=2*147.8=295.6，N/μm南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文18將 Ks，Kb，Kn 數(shù)據(jù)代入 計算得n1bs1K??K=2550.7N/μm=Fa/K=（6.4+2.1）/2550.7 0.003m《5μm，所以剛度驗算合格。??南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文196 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)動扭矩，N*mmFa——工作臺的軸向負(fù)荷M——工作臺的總質(zhì)量，kgμ——工作臺的摩擦系數(shù)，滾動導(dǎo)軌取 0.0059.8——重力加速度,m/s 2Ph——絲杠導(dǎo)程，mmA——減速比，直聯(lián)時為 1π——3.14——滾珠絲杠副的傳動效率?查閱前面已經(jīng)計算的數(shù)據(jù)可知 Fa=（9.8*20*0.005）+5.7=6.62N，M=20kg，Ph=5mm， =0.9 代入上式計算得 Tp 5.9N*mm??6.2 工作臺加速扭矩的計算Tg=J* *103， ，N*mm?J——馬達(dá)軸上及前方所有運(yùn)動部件的慣性矩，kg*m 2——角加速度，rad/ s 2?其中 J=M*（Ph*2π） 2*A2/106+m*D2/（8*10 6）M——工作臺總質(zhì)量，KgPh——絲杠導(dǎo)程，mmA——減速比，直聯(lián)為 1m——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 m 則計算相應(yīng)的慣性矩并加總到慣性矩計算公式中，Kg南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文20D——相應(yīng)的直徑，mm由于滾珠絲杠和電機(jī)為直聯(lián)，所以，計算 m*D2/（8*10 6）總和約等于 192/106J=12.67/106+192/106=0.00021kg*m2=2π*N/（60t）?N——馬達(dá)轉(zhuǎn)速，rpmt——加速時間，sN=3600r/min，t=1.125s=335rad/s2?所以 Tg=J* *103 Tg=0.00021*335*103=70.35 N*mm6.3 計算滾珠絲杠預(yù)壓扭矩 TdTd=0.05*Fp*Ph/(2*π（tan ） )*A?21Fp——滾珠絲杠副的預(yù)緊力，NPh——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)時為 1前面已經(jīng)計算得 Fp=2.1N， =5.7°，Ph=5mm，計算得 Td=0.27N*mm?6.4 滾珠絲杠副驅(qū)動扭矩的計算計算滾珠絲杠副的驅(qū)動扭矩按下列公式：Ts= Tg+Tp+TdTs——傳動軸的驅(qū)動扭矩，N*mm南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文21Tg——加速扭矩，N*mmTp——預(yù)壓扭矩，N*mm將 Tp，Td, Tg 的值代入 Ts= Tg+Tp+Td，計算得 Ts 76.5N*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)為滾珠絲杠副傳動軸總慣性矩的 1/3~1/10。根據(jù)所計算的結(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南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文227.聯(lián)軸器的選擇聯(lián)軸器是機(jī)械傳動中常用的部件，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)或啟動頻繁的傳遞中小轉(zhuǎn)矩的軸。聯(lián)軸器力矩的計算T≥T1*K1*K2*K3T——計算力矩， N*mmT1——電機(jī)轉(zhuǎn)矩 ，76.5N*mmK1——負(fù)載系數(shù) ，由于本工作臺負(fù)載變化小，所以查閱機(jī)械設(shè)計手冊得 K1=1.2K2——運(yùn)轉(zhuǎn)時間系數(shù) ，每天運(yùn)轉(zhuǎn)時間小于 16 小時，所以取 K2=1.18K3——起、停頻繁度系數(shù)，起、停頻繁，所以取 K3=2.0計算得 T 216.6N*m，查閱《課程設(shè)計》選取聯(lián)軸器型號為 GB4323-84-TL2?南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文238 滾動直線導(dǎo)軌的選擇8.1 直線導(dǎo)軌種類選擇滾動直線導(dǎo)軌副主要的類型包括 滾動直線導(dǎo)軌副，滾動直線導(dǎo)軌套副，滾動花鍵副和滾動導(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)動形式 滑動導(dǎo)軌 滾動直線導(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，僅為滑動導(dǎo)軌副的 1/20~1/50，節(jié)省動力，可以承受上下左右四個方向的載荷。磨損小，壽命長，安裝、維修、潤滑簡便。運(yùn)動靈活、無沖擊，在微量進(jìn)給時，能很好的控制位置尺寸。所以選擇滾動直線導(dǎo)軌副南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文24滾動直線導(dǎo)軌副直線運(yùn)動系統(tǒng)所承受的載荷受工件重力及重心位置的變化、驅(qū)動力 F 及工作阻力 R 作用位置的變化、啟動及停止時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 滾動導(dǎo)軌的計算 8.2.1 計算導(dǎo)軌的載荷由于本設(shè)計是以滾珠絲杠驅(qū)動的水平工作臺所以查閱機(jī)械設(shè)計手冊表 6-33 得加速時P1=P4= 。l*tg1242VW?P2=P3= 。lt21?P1T~P4T= 。l*tg231V承受慣性力的水平式導(dǎo)軌以滾珠絲杠驅(qū)動居多南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文25勻速時P1~P4= 4W減速時P1=P4= 。l*t3g1242V?P2=P3= 。lt231W?P1T~P4T= 。l*tg21VP1=P4= =（20*9.8/4）-（20*9.8/2）*（1/9.8）*（300/1.125）。l*tg1242VW?*（71/80）46.6 N?P2=P3= =（20*9.8/4）-（20*9.8/2）*（1/9.8）*（300/1.125）。l*tg1242V?*（71/80） =51.4NP1T~P4T= =（20*9.8/2）*（1/9.8）*（300/1.125）*（93.5/80） 3.1 。lt31W ?N勻速時：P1~P4= =49 N4減速時：P1=P4= =（20*9.8/4）-（20*9.8/2）*（1/9.8）*（300/1.125）。l*tg122VW?*（71/80） =51.4N?P1=P4= =（20*9.8/4）-（20*9.8/2）*（1/9.8）*（300/1.125）。lt421?*（71/80）46.6 N?南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文26所以最大的載荷為 51.4N8.2.2 平均載荷的計算查閱機(jī)械設(shè)計手冊表 6-3-4 得平均載荷 Pm 0.65Pmax 0.65*51.4 33.4 N。??8.2.3 導(dǎo)軌型號的選取根據(jù)導(dǎo)程及一根導(dǎo)軌上兩滑塊安裝距離查機(jī)械設(shè)計手冊表 6-3-17 選?。航Y(jié)構(gòu)尺寸 尺寸參數(shù)規(guī)格B1 B2 B3 B4 W M1(AA) H20 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 F25 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*m1200 M6 11.5 14.5 92.4 92.4 154南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文278.3 防塵措施1.當(dāng)滑塊運(yùn)動時，再滑塊運(yùn)動方向的后方形成負(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)計在工作臺上加折疊式防塵罩，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。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文289.工作臺支撐底座外形的設(shè)計參考滾珠絲杠副、聯(lián)軸器以及電機(jī)尺寸設(shè)計了工作臺底座的外形尺寸（上工作臺）（下工作臺）南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文29結(jié) 論在設(shè)計之初我根據(jù)任務(wù)查閱了很多關(guān)于工作臺的知識，對其工作原理，總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有了一定的了解，同時也通過網(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告，隨后我進(jìn)行的是：總體方案確定、傳動系統(tǒng)確立及尺寸綜合。內(nèi)容有：滾珠絲杠副，驅(qū)動電機(jī)，滾動導(dǎo)軌副，軸承及聯(lián)軸器選型的設(shè)計。并對工作臺的尺寸進(jìn)行了初步設(shè)計。我系統(tǒng)地的對傳動系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計計算，對主要的零部件滾珠絲杠副，驅(qū)動電機(jī)，滾動導(dǎo)軌副型號進(jìn)行了系統(tǒng)地設(shè)計。并進(jìn)行了必要的驗算校核。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，有時候為了找到相關(guān)的參考數(shù)據(jù)在圖書館經(jīng)常呆上兩三個小時，有時我還經(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)計過程，我才覺得機(jī)械設(shè)計的辛苦，同時也很讓自己振奮。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。制圖中我以一個真正的工程師的角度去畫好每一根線條、每一個標(biāo)注，這都是需要細(xì)心的揣摩、推敲、計算。經(jīng)過近這段時間的努力，畢業(yè)設(shè)計結(jié)束了。這次畢業(yè)設(shè)計讓我知道作為一名工程人員設(shè)計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。同時畢業(yè)設(shè)計的經(jīng)歷對我的大學(xué)四年的學(xué)習(xí)畫上了圓滿的句號，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)計的完成讓我明白我自己還有很長的路要走，這才是一個起點(diǎn)，期待著未來。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文30參考文獻(xiàn)[1] 璞良貴，紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計.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.北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，1996[3] 徐灝主編，機(jī)械設(shè)計手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.12[4] 李克永.化工機(jī)械手冊. 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.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)計手冊. 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)計選用手冊.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004[9].成大先.機(jī)械設(shè)計手冊. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004[10].方宏明.機(jī)械設(shè)計制造常用數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)用手冊.北京:當(dāng)代中國音像出版社,2004南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文31致 謝經(jīng)過半個學(xué)期的學(xué)習(xí)研討，本次畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設(shè)計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，在畢業(yè)設(shè)計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。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)計的每個階段，從查閱資料，到設(shè)計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計，裝配草圖等整個過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。我的設(shè)計較為復(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)知識的基礎(chǔ)，同時還要感謝所有的同學(xué)們，正是因為有了你們的支持和鼓勵。此次畢業(yè)設(shè)計才會順利完成。最后感謝航空工程系和母校南昌航空大學(xué)科技學(xué)院四年來對我的培養(yǎng)。簽名： 賈辰光