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西安文理學(xué)院機(jī)械電子工程系 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 基于氣浮支承引線鍵合定位平臺(tái)設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí) 08級(jí)機(jī)械（2）班 學(xué) 號(hào) 08102080222 學(xué)生姓名 趙魁 指導(dǎo)教師 盧志偉 設(shè)計(jì)所在單位 西安文理學(xué)院 2012年5月 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 題 目 基于氣浮支承引線鍵合定位平臺(tái)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 趙魁 學(xué) 號(hào) 08102080222 專業(yè)班級(jí) 08機(jī)械2班 指導(dǎo)教師 盧志偉 職 稱 講師 教 研 室 機(jī)械 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)與要求 任務(wù)：(1) 完成原理方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，確定實(shí)施方案； (2) 對(duì)引線鍵合定位平臺(tái)X、Y兩運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的相互運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)； (3)對(duì)引線鍵合定位平臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、供氣裝置、測(cè)量等裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)； (4)完成裝配圖和零件圖。 (5)參閱相關(guān)資料，了解氣體潤(rùn)滑技術(shù)以及引線鍵合定位平臺(tái)的工作原理及其發(fā)展，并查閱和收集相關(guān)資料； (6)確定設(shè)計(jì)方案，并對(duì)各部分進(jìn)行設(shè)計(jì)； 要求: (1) 圖紙（幅面和張數(shù)）：A0圖紙不少于2張; (2) 外文翻譯字?jǐn)?shù)：中文不少于3000字 ； (3)參考文獻(xiàn)篇數(shù)：中文不少于 15篇 ，英文不少于3篇 ； (4) 論文字?jǐn)?shù)：不少于15000字。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作進(jìn)程 起止時(shí)間 工作內(nèi)容 2012.1.10-2012.1.17 2012.1.17-2012.2.28 2012.2.29-2012.4.15 2012.4.16-2012.5. 4 2012.5.5 -2012.5.10 2012-5.15 調(diào)研，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)和刊物，了解氣體潤(rùn)滑技術(shù)以及引線鍵合定位平臺(tái)的工作原理及其發(fā)展，完成開題報(bào)告。 完成原理方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，確定擬實(shí)施方案，完成英文資料翻譯。 對(duì)引線鍵合定位平臺(tái)X、Y兩運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的相互運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)； 對(duì)引線鍵合定位平臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、供氣裝置、測(cè)量等裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)；寫出中期報(bào)告。 完成設(shè)計(jì)圖紙，寫出畢業(yè)論文，準(zhǔn)備答辯。 答辯。 開始日期 2012.1.10 完成日期 2012.5.11 教研室主任（簽字） 系主任（簽字） 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 題 目 基于氣浮支承引線鍵合定位平臺(tái)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 趙魁 學(xué) 號(hào) 08102080222 專業(yè)名稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師 盧志偉 開題時(shí)間 2012.3.2 班 級(jí) 08機(jī)械（2）班 一、 選題目的和意義 隨著技術(shù)的進(jìn)步和相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，高加速度高精度定位平臺(tái)是引線鍵合機(jī)的核心部件,決定鍵合的速度和質(zhì)量,進(jìn)而影響芯片的成本與可靠性。隨著芯片集成度的不斷增大,管腳數(shù)量迅速增多,引線間距日益減小,定位平臺(tái)的性能已經(jīng)成為引線鍵合工藝進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。由于空氣的粘性低，不易發(fā)生爬行，振動(dòng)也小，熱穩(wěn)定性好；使用壽命是半永久性的,與液體靜壓導(dǎo)軌相比，它不污染環(huán)境。由于具有這些特點(diǎn)，載荷變動(dòng)小的超精密加工機(jī)床和測(cè)量機(jī)以及精密機(jī)器一般都采用氣浮靜壓支承。因此把“基于氣浮支承引線鍵合定位平臺(tái)設(shè)計(jì)”作為本次本科畢業(yè)論文的課題，既有較大的學(xué)術(shù)價(jià)值，又有廣闊的應(yīng)用前景。 二、 本課題在國(guó)內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢(shì) 由于平臺(tái)進(jìn)行高加速度、高精度、快速往復(fù)小行程運(yùn)動(dòng)，并在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到高精度定位，要求機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、剛度大、慣性小、阻尼低、制造精密。涉及到的研究?jī)?nèi)容包括機(jī)構(gòu)形式、支撐方式、新型材料、設(shè)計(jì)方法、精密加工技術(shù)，運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析及簡(jiǎn)單有效的運(yùn)動(dòng)控制算法等方面。隨著速度、加速度和工作頻率的進(jìn)一步提高，摩擦力對(duì)平臺(tái)性能的影響越來(lái)越顯著。其微米級(jí)行程僅適用于一些細(xì)微裝配或操作任務(wù)。但磁懸浮軸承制造成本高，是一個(gè)非線性局部穩(wěn)定系統(tǒng)，易發(fā)生懸浮磁場(chǎng)和線性驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)間的相互影響。氣浮軸承除不具有上述缺點(diǎn)外，還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕便和設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)。因此，近年來(lái)，氣浮高性能定位平臺(tái)的目前LED及IC芯片在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)封裝工藝的質(zhì)量及檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求，如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜封裝的工藝穩(wěn)定、質(zhì)量保證和協(xié)同控制變得越來(lái)越重要。 國(guó)外對(duì)引線鍵合工藝涉及的大量參數(shù)和精密機(jī)構(gòu)的控制問(wèn)題已有較為深入的研究，并且已經(jīng)在參數(shù)敏感度和重要性的排列方面有了共識(shí)。引線鍵合技術(shù)，作為 LED 及 IC 芯片封裝的關(guān)鍵技術(shù)之一，是用金屬絲將LED及IC芯片上的電極與底座支架連接在一起的一種互連技術(shù),通常采用熱壓鍵合、熱超聲鍵合和超聲鍵合三種鍵合工藝方法。在自動(dòng)引線鍵合技術(shù)中，鍵合絲尾長(zhǎng)度、鍵合變形不當(dāng)、鍵合位置不當(dāng)?shù)痊F(xiàn)象均可經(jīng)調(diào)整溫度、壓力、超聲功率和時(shí)間等參數(shù)、換劈刀等方法進(jìn)行糾正。 我國(guó) LED 及 IC 封裝研究起步較晚，其中的關(guān)鍵技術(shù)掌握不足，缺乏工藝的數(shù)據(jù)積累，加之國(guó)外的技術(shù)封鎖，有必要深入研究各種封裝工藝，掌握其間的關(guān)鍵技術(shù)，自主研發(fā)高水平封裝設(shè)備。研究非?；钴S。引線鍵合（WB）技術(shù)，又稱球楔鍵合技術(shù)，在 IC 封裝中是應(yīng)用最廣泛的鍵合方法。要求鍵合設(shè)備具有比以往更高的精度、速度、可靠性。為了達(dá)到上述要求，需要從驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇，平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和合適的控制方法等角度進(jìn)行研究。比如，為了使系統(tǒng)能夠在高速度和加速度條件下穩(wěn)定運(yùn)行，需要開發(fā)出一類魯棒性很強(qiáng)的控制器。而為了減小系統(tǒng)運(yùn)行的摩擦力以及摩擦力的不均勻，對(duì)定位平臺(tái)氣浮技術(shù)的研究也具有重要的理論和實(shí)踐意義。 三、 主要研究?jī)?nèi)容 (1)參閱相關(guān)資料，了解氣體潤(rùn)滑技術(shù)以及引線鍵合定位平臺(tái)的工作原理及其發(fā)展： (2) 完成原理方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，確定實(shí)施方案； (3) 對(duì)引線鍵合定位平臺(tái)X、Y兩運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的相互運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)； (4)對(duì)引線鍵合定位平臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、供氣裝置、測(cè)量等裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)； (5)完成裝配圖和零件圖。 指導(dǎo)教師意見(jiàn)及建議： 該生自進(jìn)入課題以來(lái)，能夠積極主動(dòng)地和指導(dǎo)老師聯(lián)系，調(diào)研和查閱相關(guān)資料，態(tài)度端正；對(duì)題目有了一定初步理解，初步設(shè)計(jì)了出了一定的方案規(guī)劃；但后面還有很多工作和內(nèi)容要做，需抓緊時(shí)間。同意開題。 簽字： 年 月 日 教研室審核意見(jiàn)： 簽字： 年 月 日 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表 題 目 基于氣浮支承引線鍵合定位平臺(tái)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 趙魁 學(xué) 號(hào) 08102080222 專業(yè)名稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師 盧志偉 檢查時(shí)間 2012-4-6 班 級(jí) 08級(jí)機(jī)械2班 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 進(jìn) 展 情 況 通過(guò)對(duì)基于氣浮支承引線鍵合定位平臺(tái)設(shè)計(jì)的相關(guān)資料的學(xué)習(xí)，以及對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的了解，現(xiàn)基本完成以下設(shè)計(jì)工作： 1 參閱相關(guān)資料，了解氣體潤(rùn)滑技術(shù)以及引線鍵合定位平臺(tái)的工作原理及其發(fā)展，并查閱和收集相關(guān)資料。完成氣浮支承引線鍵合定位平臺(tái)原理方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與分析。 2 對(duì)引線鍵合定位平臺(tái)X、Y兩運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的相互運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì) 3 完成氣浮支承引線鍵合定位平臺(tái)原理方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與分析。 下一步設(shè)計(jì)工作內(nèi)容是設(shè)計(jì)以及相關(guān)零件的設(shè)計(jì)以及相關(guān)零件圖的繪制。對(duì)引線鍵合定位平臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、供氣裝置、測(cè)量等裝置進(jìn)行設(shè)計(jì) 指 導(dǎo) 教 師 意 見(jiàn) 1.該生能夠與指導(dǎo)教師經(jīng)常聯(lián)系； 2.能夠完成進(jìn)度要求完成相關(guān)設(shè)計(jì)； 3.清楚自己的設(shè)計(jì)內(nèi)容和技術(shù)路線； 綜上所述，同意按照設(shè)計(jì)進(jìn)度進(jìn)行后續(xù)工作。 簽字： 年 月 日 教研室意見(jiàn) 簽字： 年 月 日 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師評(píng)分表 學(xué)生姓名 趙魁 學(xué) 號(hào) 08102080222 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 08機(jī)械2班 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 基于氣浮支承引線鍵合定位平臺(tái)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)（論文）起止時(shí)間 2012年1月10日 至 2012年 5月11日 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)： 建議成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱教師評(píng)分表 學(xué)生姓名 趙魁 學(xué) 號(hào) 08102080222 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 08機(jī)械2班 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 基于氣浮支承引線鍵合定位平臺(tái)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)（論文）起止時(shí)間 2012年1月10日至2012年5月11日 評(píng)閱教師評(píng)語(yǔ)： 建議成績(jī)： 評(píng)閱教師簽名： 年 月 日 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯記錄 學(xué)生姓名 趙魁 學(xué) 號(hào) 08102080222 專業(yè)名稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 答辯時(shí)間 2012.5.18 答辯地點(diǎn) B0403 指導(dǎo)教師 盧志偉 題 目 基于氣浮支承引線鍵合定位平臺(tái)設(shè)計(jì) 答辯小組 成 員 姓 名 職 稱 姓 名 職 稱 提問(wèn)及回答情況記錄： 記錄人簽字： 年 月 日 答辯成績(jī)： 答辯小組組長(zhǎng)簽名： 年 月 日 畢業(yè)論文成績(jī) 答辯委員會(huì) 認(rèn)定成績(jī) 畢業(yè)論文等級(jí) 系（院）答辯委員會(huì)意見(jiàn)： 負(fù)責(zé)人簽名： 年 月 日 注：1、畢業(yè)論文成績(jī)=指導(dǎo)教師成績(jī)×40%＋評(píng)閱教師成績(jī)×20%＋答辯成績(jī)×40%； 2、答辯委員會(huì)認(rèn)定成績(jī)是根據(jù)該生畢業(yè)設(shè)計(jì)期間的表現(xiàn)及該專業(yè)整體論文情況的綜合評(píng)定成績(jī)。 3、論文等級(jí)分優(yōu)秀（≥90分）、良好（80~89分）、中等（70~79分）、及格（60~69分）、 不及格（<60分）。 基于氣浮支承引線鍵合定位平臺(tái)設(shè)計(jì) 摘要： 為滿足新一代芯片封裝設(shè)備對(duì)定位平臺(tái)性能的要求，本文旨在研究設(shè)計(jì)一種全新的高推重比直接驅(qū)動(dòng)氣浮定位平臺(tái)及其相應(yīng)的位置伺服控制系統(tǒng)。通過(guò)協(xié)調(diào)機(jī)電系統(tǒng)的多影響參數(shù)，使平臺(tái)在高加速度運(yùn)動(dòng)后，快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、仿真實(shí)驗(yàn)以及系統(tǒng)的綜合性能評(píng)估，提供面向芯片封裝的高加速度高精度定位平臺(tái)的單元級(jí)和原型級(jí)設(shè)計(jì)方法及關(guān)鍵技術(shù)的解決方案。 為了減小定位系統(tǒng)的摩擦力及其擾動(dòng)，設(shè)計(jì)了一種基于氣浮導(dǎo)軌支撐的兩自由度高速精密定位平臺(tái)。 該平臺(tái)采用了新型的氣浮解耦機(jī)構(gòu)，使音圈電機(jī)置于固定支座上，有效地減小了定位平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)慣量。探討了節(jié)流孔直徑和導(dǎo)軌間隙對(duì)平臺(tái)承載能力和靜剛度的影響規(guī)律，得到一組優(yōu)化參數(shù)；在此基礎(chǔ)上對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行深入分析，該平臺(tái)在給定的初始條件下可快速趨于穩(wěn)定，為該類氣浮定位平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供了一定的理論基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞: 氣浮支承 芯片封裝 引線鍵合 定位平臺(tái) The positioning stage with air bearings, which based on the air-supported bearing and wire bonding ABSTRACT: In order to meet the requirements of the new generation of packaging equipments, this thesis is mainly to study and design a completely new positioning stage and its servo-control system. The stage is directly driven by high thrust-weight ratio linear motor and supported by aerostatic bearings. Through adjusting the multi-factors of the electromechanical system, the stage can be stabilized in short time after high-acceleration moving. The work of this thesis is to realize conceptual and in-depth design, simulation, experiment and comprehensive performance assessment, providing unit and prototype design methods and solutions of key technology for high-acceleration/high-precision positioning stage for packaging equipment. In order to reduce the friction of positioning table and make it unvaried, a positioning table with air bearings has been introduced. An air decoupling mechanism is designed to make the voice coil actuators placed on the base and effectively reduce the motion inertia. The detailed principle is present. The rules how carrying capacity and stiffness of the table change with the orifice dimension, bearing clearance and length-dimension ratio is discussed. At the same time the optimized dimensions of air bearing are given. On the basis of them, the kinematic stability of the table is analyzed in detail, and the table could be stable rapidly with given starting conditions. All the achievements would provide theoretic reference to the design of this kind of positioning table with air bearings. Key words: aerostatic bearing chip packing wire bonding positioning tabe 目錄 目錄 第一章 緒論 1 1.1 選題背景 1 1.2 選題的目的與意義 1 1.3 本課題主要討論問(wèn)題 2 1.4 相關(guān)研究情況 2 1.4.1機(jī)械部分相關(guān)研究情況 2 1.4.2 氣浮部分相關(guān)研究情況 3 第二章 定位平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì) 5 2.1 定位平臺(tái)機(jī)械部分方案確定 5 2.1.1 確定方案思想 5 2.1.2 方案對(duì)比分析與確定 6 2.2 空氣靜壓導(dǎo)軌的方案設(shè)計(jì) 7 2.2.1確定方案思想 7 2.2.1 方案對(duì)比分析與確定 9 第三章 定位平臺(tái)氣浮導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 10 3.1 X軸氣浮導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 10 3.1.1 空氣靜壓導(dǎo)軌的工作原理及特點(diǎn) 10 3.1.1 空氣靜壓導(dǎo)軌氣墊的設(shè)計(jì)計(jì)算 10 3.2 Y軸氣浮軸承的設(shè)計(jì) 13 第四章 定位平臺(tái)傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 14 4.1 定位平臺(tái)擬采用的研究方案、研究方法或措施 14 4.2 定位平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 4.2.1 定位平臺(tái)X軸滾珠絲杠型號(hào)的確定 14 4.2.2 定位平臺(tái)X軸滾珠絲杠校核 16 4.2.3 定位平臺(tái)X軸電機(jī)的確定 18 4.2.4 定位平臺(tái)Y軸滾珠絲杠型號(hào)的確定 22 第五章 其他輔助零件的選擇設(shè)計(jì) 23 5.1 定位平臺(tái)軸承的選擇 23 5.2 定位平臺(tái)聯(lián)軸器的選擇 23 第六章 檢測(cè)元件的選擇 24 第七章 結(jié)論 25 參考文獻(xiàn) 26 致謝 28 附錄 29 附錄一：外文文獻(xiàn) 29 附錄二：外文文獻(xiàn)翻譯 33 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第一章 緒論 1.1 選題背景 世界近幾年高新科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，IC（Integrated circuit）工業(yè)是當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的高速增長(zhǎng)點(diǎn)，也是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中最具活力的行業(yè)。目前，隨著我國(guó)“中國(guó)芯”產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的加快，我國(guó)IC產(chǎn)業(yè)正面臨著難得的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。芯片封裝業(yè)作為芯片產(chǎn)業(yè)的重要環(huán)節(jié)，一直追隨者IC的發(fā)展而發(fā)展。在IC封裝中引線鍵合是芯片焊接的最主要形式。引線鍵合（Wire Bonding）是一種利用熱、壓力、超生波能量將半導(dǎo)體芯片引腳與電子封裝外殼I／O引線或基板上技術(shù)布線引腳用金屬細(xì)絲連接起來(lái)的工藝技術(shù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，高加速度高精度定位平臺(tái)是引線鍵合機(jī)的核心部件，決定鍵合的速度和質(zhì)量，進(jìn)而影響芯片的成本與可靠性。隨著芯片集成度的不斷增大，管教數(shù)量迅速增多，引線間距日益減小，定位平臺(tái)的性能已經(jīng)成為引線鍵合工藝的發(fā)展瓶頸。由于空氣的粘性低，不易發(fā)生爬行，振動(dòng)也好，熱穩(wěn)定性好；使用壽命是半永久性的，與液體靜壓導(dǎo)軌相比，它不污染環(huán)境。由于具有這些特點(diǎn)，載荷變動(dòng)小的超精密加工機(jī)床和測(cè)量機(jī)以及精密機(jī)器一般都采用氣浮靜壓支承。因此：“基于氣浮支承引線鍵合定位平臺(tái)設(shè)計(jì)”既有較大的學(xué)術(shù)價(jià)值，又有廣闊的市場(chǎng)前景。 1.2 選題的目的與意義 近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展電子產(chǎn)品正迅速朝著便攜式、小型化發(fā)向發(fā)展，IC芯片的集成度不斷提高，對(duì)IC封裝技術(shù)也提出更高的要求，特別是引線鍵合技術(shù)提出了特別高的要求：（1）單位體積信息的提高（高密度化）；（2）單位時(shí)間處理速度的提高（高速化）。因此IC引線鍵合技術(shù)也朝著高度集成化、高性能化、多引線和細(xì)間距化方向發(fā)展，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)效率，對(duì)該類裝備的運(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)了該類裝備向高速、高精度發(fā)展的趨勢(shì)。這就要求集成電路的引線鍵合技術(shù)不但發(fā)展和改良，需要發(fā)展新的引線鍵合定位平臺(tái)來(lái)促進(jìn)封裝業(yè)的發(fā)展。 因此，發(fā)展具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的引線鍵合定位平臺(tái)設(shè)備的核心技術(shù)，開展基于新的驅(qū)動(dòng)方式、機(jī)構(gòu)形式和控制方法的新型高速、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究，是IC制造裝備中的重要研究?jī)?nèi)容之一，對(duì)促進(jìn)IC制造技術(shù)的發(fā)展而加快我國(guó)IC產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程具有重要的意義。 1.3 本課題主要討論問(wèn)題 本課題的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)定位平臺(tái)X、Y軸的傳動(dòng)裝置和氣浮導(dǎo)軌。定位平臺(tái)計(jì)過(guò)程可分為總體方案設(shè)計(jì)，完成原理方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，確定實(shí)施方案；對(duì)引線鍵合定位平臺(tái)X、Y兩運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的相互運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)引線鍵合定位平臺(tái)的氣浮導(dǎo)軌進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)引線鍵合定位平臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、供氣裝置、測(cè)量等裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中對(duì)引線鍵合定位平臺(tái)X、Y兩運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的相互運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)中關(guān)鍵是滾珠絲杠的設(shè)計(jì)選型、校核，電機(jī)型號(hào)的選型。對(duì)引線鍵合定位平臺(tái)的氣浮導(dǎo)軌進(jìn)行設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的是進(jìn)行氣浮墊片的設(shè)計(jì)。最后完成其他零件的設(shè)計(jì)，完成裝配圖及零件的的繪制，保證定位平臺(tái)的精度和質(zhì)量，調(diào)整方便、簡(jiǎn)捷。 1.4 相關(guān)研究情況 1.4.1機(jī)械部分相關(guān)研究情況 人針對(duì)芯片制造設(shè)備設(shè)計(jì)出了一種新型磁懸浮超精密工作臺(tái)，消除了導(dǎo)軌的摩擦和磨損，使工作臺(tái)在X、Y方向能滿足0.02um的定位精度。Bakker致力于用新型的氣浮平臺(tái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)接觸式軸承XY平臺(tái)，在重量、體積和成本基本不變的情況下，獲得更高的運(yùn)動(dòng)速度和定位精度。Takeuchi基于無(wú)摩擦驅(qū)動(dòng)的概念，制造了靜壓空氣軸承支撐的伺服電機(jī)。Hammer等人設(shè)計(jì)的氣浮精密定位平臺(tái)，加速度達(dá)到12g，定位精度0.2um。采用空氣軸承支撐的新型XY運(yùn)動(dòng)平發(fā)展具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的引線鍵合定位平臺(tái)設(shè)備的核心技術(shù)，開展基于新的驅(qū)動(dòng)方式、機(jī)構(gòu)形式和控制方法的新型高速、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究。 隨著技術(shù)的進(jìn)步和相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，應(yīng)用到秒引線鍵合機(jī)上的定位平臺(tái)經(jīng)歷了一系列的變化。最初采用的是旋轉(zhuǎn)電機(jī)加滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)形形式，如日本KAIJO公司生產(chǎn)的FB-128引線鍵合機(jī)，鍵合速度僅為5線∕秒。到上世紀(jì)九十年代，直線電機(jī)憑借其卓越性能代替了旋轉(zhuǎn)電機(jī)開始廣泛的應(yīng)用到芯片封裝設(shè)備上，如美國(guó)K＆S公司生產(chǎn)的8028引線鍵合機(jī)，其定位平臺(tái)采用廣義并聯(lián)機(jī)構(gòu)，平臺(tái)由線性導(dǎo)軌支撐，XY方向之間用滾動(dòng)軸承解藕，鍵合速度可達(dá)到11線∕秒。KAIJO公司生產(chǎn)的FB-700引線鍵合機(jī)，鍵合速度達(dá)到16線∕秒。采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)，空氣軸承和線性導(dǎo)軌支撐平臺(tái)，經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)構(gòu)建的質(zhì)心在其旋轉(zhuǎn)軸線上，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的質(zhì)心驅(qū)動(dòng)，消除了質(zhì)心慣性力的影響。瑞士ESEC公司利用該結(jié)構(gòu)研制的型號(hào)為3100的引線鍵合機(jī)，最大鍵合速度為17線∕秒，實(shí)驗(yàn)室可以達(dá)到25線∕秒，是目前世界最高水平。隨著新型電機(jī)的不斷出現(xiàn)，音圈電機(jī)、超音速電機(jī)和平面電機(jī)在微電子裝備方面的應(yīng)用越來(lái)越受到人們的重視，天津大學(xué)馮曉梅等人研制出由音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)的新型高精密定位平臺(tái)，其最大加速度可以達(dá)到15g。Kunioka等人研制出的新型XY平臺(tái)，采用超音速直線電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。Barp和Vischer利用空氣軸承設(shè)計(jì)出的新型引線鍵合機(jī)，工作效率有了突破性的進(jìn)展，達(dá)到了當(dāng)前流行速度的近兩倍。長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理所王延風(fēng)等臺(tái)。Bernharh研制出一種新型高速加速度氣浮平臺(tái)，其工作空間60mm×60mm，加速度超過(guò)10g，分辨率低于100nm。 1.4.2 氣浮部分相關(guān)研究情況 由于空氣的粘性低，不易發(fā)生爬行，振動(dòng)也好，熱穩(wěn)定性好；使用壽命是半永久性的，與液體靜壓導(dǎo)軌相比，它不污染環(huán)境。由于具有這些特點(diǎn)，載荷變動(dòng)小的超精密加工機(jī)床和測(cè)量機(jī)以及精密機(jī)器一般都采用氣浮靜壓支承。 空氣軸承以清潔干燥的空氣作為潤(rùn)滑介質(zhì)，具有精度高、無(wú)摩擦、無(wú)磨損、清潔、無(wú)污染、壽命長(zhǎng)、免維護(hù)、低發(fā)熱、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、耐高/低溫和原子輻射等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械工具(如高速磨頭、高速離心分離器、陀螺儀表)、原子反應(yīng)堆致冷壓縮機(jī)、電子計(jì)算機(jī)記憶裝置、微電子制造及醫(yī)療設(shè)備中。由于采用了空氣軸承支撐，系統(tǒng)無(wú)摩擦(或極低摩擦)，消除了接觸式軸承摩擦力的不利影響，使得產(chǎn)品性能得到了極大的提高。但空氣軸承無(wú)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品供選取，其性能受節(jié)流形式等諸多因素影響，因此，設(shè)計(jì)性能優(yōu)越的空氣軸承并不容易，需要豐富經(jīng)驗(yàn)和大量理論知識(shí)。 Fourka 和 Bonis比較了小孔和多孔材料節(jié)流靜壓空氣軸承性能的特點(diǎn)，指出適當(dāng)增加節(jié)流孔的個(gè)數(shù)，可以使兩種軸承的性能比較接近。Renn 和 Hsiao通過(guò)實(shí)驗(yàn)和CFD 仿真分析了小孔節(jié)流式靜壓空氣軸承的氣體流量特性。Watanabe 等人提出了確定空氣軸承線性和非線性剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)的方法。Karkoub 和 Elkamel指出空氣軸承內(nèi)氣體壓力分布的理論模型過(guò)于簡(jiǎn)單，所提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法能更好地預(yù)測(cè)軸承內(nèi)氣體壓力分布和承載能力。Kassab 等人用實(shí)驗(yàn)的方法研究供氣壓力和節(jié)流孔直徑對(duì)矩形靜壓空氣軸承性能的影響。Fourka 等人通過(guò)數(shù)值計(jì)算、分析和實(shí)驗(yàn)的方法分析空氣靜壓止推軸承的穩(wěn)定性，指出非線性方法的分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)更接近，與線性方法相比可靠性更高。Talukder 和 Stowell研究了小孔節(jié)流式旋轉(zhuǎn)軸承的氣錘現(xiàn)象。Kassab研究了靜壓空氣軸承的入口處的低壓特性，對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式提出了修正方法。Kwan 和 Post研究了空氣軸承表面和節(jié)流孔的制造公差、分布對(duì)承載能力和剛度的影響，確定出使承載能力和剛度變化在 10%以內(nèi)的制造公差。 為克服空氣軸承剛度低、承載能力差等弱點(diǎn)，F(xiàn)an 等人制造了多節(jié)流孔空氣軸承。Watanabe 等人設(shè)計(jì)了微槽軸承，即平面軸承具有淺圓形槽。Chen 和 Lin應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展成果設(shè)計(jì)了矩形靜壓空氣軸承，軸承上具有 X 形勾槽。Nakamura和Nakamura研究了雙向雙排小孔節(jié)流式靜壓矩形空氣軸承在受到側(cè)向力時(shí)的動(dòng)態(tài)特性。Stout 和 Barrans闡述了具有納米級(jí)定位精度的靜壓空氣軸承的設(shè)計(jì)，討論了影響靜壓空氣軸承性能的主要參數(shù)和制造公差。Yoshimoto設(shè)計(jì)了一種新型靜壓空氣軸承，氣膜間隙小于 1μm，剛度可達(dá)到 1N/nm，是一般靜壓空氣軸承的 10 倍。 Nakamura 和 Yoshimoto指出混合節(jié)流式矩形空氣靜壓止推軸承容易獲得較高的剛度，從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究了具有混合節(jié)流器的靜壓矩形雙面止推軸承的剛度特性。 近年來(lái)，以石墨等多孔材料為節(jié)流器的靜壓空氣軸承被成功應(yīng)用。實(shí)際軸承設(shè)計(jì)中，需要減小多孔材料的厚度來(lái)縮小軸承的體積，但會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低，特別是當(dāng)多孔材料的半徑較大時(shí)，由于材料的變形，空氣很難完全通過(guò)多孔材料介質(zhì)。為此，Yoshimoto 和 Kohno在多孔材料空氣軸承中采用兩種供氣方法(圓環(huán)勾槽和小孔供氣)，以免軸承表面發(fā)生變形，通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)方法得到了這種軸承的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。 Watanabe 和 Natsume利用多孔材料作為節(jié)流器制成了幾何形狀復(fù)雜的靜壓空氣軸承，例如球軸承或空氣靜壓絲杠。Kwan 和 Corbett通過(guò)增加平衡間隙來(lái)進(jìn)行多孔材料空氣軸承性能的數(shù)學(xué)分析。Luong 等人用有限元方法預(yù)測(cè)表面完全由多孔材料組成的空氣軸承的性能。Bang 和 Lee利用碳纖維制成的氣浮仿錘具有慣量小、阻尼大、固有頻率高等特點(diǎn)，用于高速鉆孔工具。馬明建等人采用有限元理論分析了靜壓空氣軸承的壓力場(chǎng)，并討論了空氣軸承壓力場(chǎng)邊界條件的處理方法。 第二章 定位平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì) 2.1 定位平臺(tái)機(jī)械部分方案確定 2.1.1 確定方案思想 方案一： 傳動(dòng)：滾珠絲杠螺母副 支撐：雙推-簡(jiǎn)支式 滑動(dòng)導(dǎo)軌 伺服電機(jī)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 優(yōu)點(diǎn)： 采用滾珠絲杠螺母副，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換，在具有螺旋槽的絲杠螺母中裝有滾珠作為中間傳動(dòng)元件，以減少摩擦。優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小，傳動(dòng)效率高，靈敏度高，傳動(dòng)平穩(wěn)，不易產(chǎn)生滑行，傳動(dòng)精度和定位精度高；磨損小，使用壽命長(zhǎng)，精度保持性好。雙推-簡(jiǎn)支式支撐減少絲杠熱變形的影響。 缺點(diǎn)： 滾珠絲杠螺母副的不足在于制造工藝復(fù)雜，成本高，不能自鎖，故需附加制動(dòng)裝置。 方案二： 傳動(dòng)：同步帶傳動(dòng) 支撐：滑動(dòng)導(dǎo)軌 伺服電機(jī)：直流無(wú)刷電機(jī) 優(yōu)點(diǎn)： 同步帶傳動(dòng)無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)精度高，齒形帶的強(qiáng)度高，厚度小、重量輕，故可用于高速傳動(dòng)；傳動(dòng)比恒定，同步帶無(wú)需特別漲緊，因而作用于軸和軸承等上的載荷小，傳動(dòng)效率高。 缺點(diǎn)： 同步帶工作時(shí)候有溫度要求，安裝精度要求較高，中心間距要求較高，有時(shí)候需要張緊，安裝麻煩。無(wú)刷直流電機(jī)啟動(dòng)時(shí)有震動(dòng)，控制器要求高，價(jià)格高。 方案三： 傳動(dòng)：齒輪齒條 支撐：直線導(dǎo)軌 伺服電機(jī)：直流無(wú)刷電機(jī) 優(yōu)點(diǎn)： 齒輪齒條傳動(dòng)功率大，精度高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快。無(wú)刷直流電機(jī)啟動(dòng)時(shí)有震動(dòng)，控制器要求高，價(jià)格高。雙線導(dǎo)軌穩(wěn)定。 缺點(diǎn)： 齒輪齒條無(wú)自鎖，需要外加自鎖機(jī)構(gòu)。噪音大，磨損較快。 2.1.2 方案對(duì)比分析與確定 綜合課程設(shè)計(jì)要求，精度為0.04mm，最大載荷是500N，相比同步帶和齒輪齒條傳動(dòng)，滾珠絲杠傳動(dòng)更符合精度要求，因?yàn)榻z杠傳的動(dòng)的精度可以達(dá)到±0.01mm，而同步帶傳動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生彈性變形，具有一定的蠕變性。齒輪齒條傳動(dòng)精度和滾軸絲杠精度相當(dāng)，但是安裝較麻煩，安裝精度要求高。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)相比，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制簡(jiǎn)單，啟動(dòng)穩(wěn)定，而直流無(wú)刷電機(jī)控制要求高，成本高，畢業(yè)設(shè)計(jì)要求精度未達(dá)到微米級(jí)別，空載轉(zhuǎn)速要求為1m/min,因此采用低檔的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就能滿足要求。 綜合以上分析，決定選擇第一種方案。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，滾軸絲杠傳遞動(dòng)力。 圖2.1定位平臺(tái)結(jié)構(gòu) 此數(shù)控工作臺(tái)主要由步進(jìn)電機(jī)、絲杠螺母副、滾動(dòng)導(dǎo)軌副、工作臺(tái)、軸承座、端蓋、軸承、聯(lián)軸套、鍵、墊圈等組成。（具體見(jiàn)裝配圖） 2.2 空氣靜壓導(dǎo)軌的方案設(shè)計(jì) 2.2.1確定方案思想 空氣靜壓導(dǎo)軌，根據(jù)工作臺(tái)的移動(dòng)量，載荷量和精度要求的不同，一般采用下圖所示的結(jié)構(gòu)形式 （a） 圖2.2閉式平面導(dǎo)軌 圖2.3 閉式圓柱導(dǎo)軌 圖2.4 重量封閉式導(dǎo)軌 閉式平面型 閉式圓柱型 重量封閉式導(dǎo)軌 方案一：閉式平面導(dǎo)軌 優(yōu)點(diǎn)：這種形式的的導(dǎo)軌因工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)導(dǎo)軌面僅產(chǎn)生很小的撓度，可以獲得高精度、高剛度、承載能力大，適合于超精加工設(shè)備和測(cè)量一起的長(zhǎng)導(dǎo)軌。 方案二：閉式圓導(dǎo)軌 優(yōu)點(diǎn)：這種形式導(dǎo)軌的導(dǎo)向零件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)：零件的精度完全取決于加工設(shè)備，運(yùn)動(dòng)精度有限。導(dǎo)桿采用兩端支撐，隨這工作臺(tái)的移動(dòng)導(dǎo)桿容易產(chǎn)生撓度。 方案三：重力封閉式導(dǎo)軌 優(yōu)點(diǎn)：這種形式的導(dǎo)軌用工作臺(tái)的質(zhì)量和空氣靜壓保持平衡，以維護(hù)導(dǎo)軌的固定間隙。其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，零件的高精度也容易實(shí)現(xiàn)。 缺點(diǎn)：支承剛性低，故多用于載荷變化范圍不大的設(shè)備上。 如圖2.5所示 圖2.5 上導(dǎo)軌 2.2.1 方案對(duì)比分析與確定 綜合畢業(yè)設(shè)計(jì)要求，定位平臺(tái)上需要定位的芯片質(zhì)量很小，故方案三可滿足要求。同時(shí)由于導(dǎo)軌形式的確定，可以確定氣墊為矩形墊片；節(jié)流器為環(huán)面節(jié)流器。如圖2.5所示： 圖2.6 具有亞園形氣腔的矩形氣墊 第三章 定位平臺(tái)氣浮導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 空氣靜壓導(dǎo)軌是將具有一定壓力的空氣經(jīng)過(guò)節(jié)流器送入導(dǎo)軌的間隙。借助其靜壓使運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌懸浮起來(lái)，使兩導(dǎo)軌面之間形成一層極薄的氣膜，且氣膜厚度基本保持恒定不變的一種純空氣摩擦的滑動(dòng)導(dǎo)軌。 3.1 X軸氣浮導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 3.1.1 空氣靜壓導(dǎo)軌的工作原理及特點(diǎn) 如圖3.1所示，空氣靜壓導(dǎo)軌副是由氣墊和承導(dǎo)面組成的。這樣的氣墊在每個(gè)承導(dǎo)面上不少于兩個(gè)。從氣源送來(lái)的清潔、干燥、恒壓的空氣流經(jīng)節(jié)流器進(jìn)入氣腔并沿封氣面向外流出，在封氣面上形成具有承載能力的氣膜。氣腔與封氣面處氣膜的承載能力之和將氣墊及與之相連的工作臺(tái)浮起。工作中承載能力與載荷處于平衡狀態(tài)，氣膜厚度保持不變，從而實(shí)現(xiàn)氣體摩擦。當(dāng)載荷變化時(shí)，氣膜的厚度隨載荷增大而減小，氣膜一方面起承載作用，另一方面也起著潤(rùn)滑作用。 圖3.1 氣墊工作原理 1-氣墊； 2-節(jié)流器； 3-承導(dǎo)面； 4-氣腔； 5-封氣面 3.1.1 空氣靜壓導(dǎo)軌氣墊的設(shè)計(jì)計(jì)算 現(xiàn)已圖3.2所示的長(zhǎng)方形靜壓氣墊為例，說(shuō)明氣墊的性能計(jì)算的過(guò)程。氣墊各部分的尺寸，供氣孔的位置和數(shù)目，以及計(jì)算時(shí)坐標(biāo)的設(shè)定如圖所示。供氣孔的節(jié)流形式為環(huán)面節(jié)流，供氣孔直徑為d。 圖3.2 間隙一定的長(zhǎng)方形靜壓氣墊 1) 確定雷諾方程的具體形式，假設(shè)導(dǎo)軌的間隙一定，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度U=0，間隙內(nèi) 的氣體是等溫流，定長(zhǎng)狀態(tài)，則可采用最簡(jiǎn)單的雷諾方程式 +=0 (式3.1) 設(shè)邊界壓力是大氣壓力Pa，則有邊界條件 x=0，x=a 時(shí)， y=0，y=b 時(shí)， 根據(jù)這一邊界條件，求出相對(duì)供氣孔出口壓力的雷諾方程的特解，即成為壓力分布，就可以進(jìn)一步計(jì)算出氣墊的承載能力、流量等。問(wèn)題的難點(diǎn)是如何求得供氣孔的出口壓力，為了就一般條件下解決這個(gè)問(wèn)題，可運(yùn)用流量連續(xù)條件采用數(shù)值計(jì)算方法解之。流量連續(xù)條件就是設(shè)通過(guò)供氣孔流入氣墊的注量等于由氣墊周圍流出的流量。 2) 通過(guò)節(jié)流器的流量 通過(guò)節(jié)流器的質(zhì)量流量（單位Kg/s）為 = (式3.2) 式中A-------節(jié)流面積，單位。對(duì)于小孔節(jié)流=，對(duì)于環(huán)面節(jié)流，； ------氣源壓力，單位Pa； R-------氣體常數(shù)，對(duì)于空氣 ； T--------供氣絕對(duì)溫度，單位K； r---------比熱比，對(duì)于空氣r=1.41； --------氣腔壓力，單位Pa；令，稱為節(jié)流壓力比，為了避免抑流現(xiàn)象，要求0.528； --------流量系數(shù)，一般為0.8；但是時(shí)，下降很快。 令為噴嘴的流出速度系數(shù)，取 (式3.3) 則3-2式可寫為= (式3.4) 3) 流出導(dǎo)軌間隙的流量 對(duì)于從氣墊邊緣流出的氣體，可以根據(jù)長(zhǎng)方形平行間隙中的粘性流動(dòng)公式來(lái)求出。如圖3-3所示的長(zhǎng)方形平行間隙中，設(shè)間隙為h，平行于x軸及y軸的流動(dòng)之體積流量d，d d=dy (式3.5) d=dx (式3.6) 在環(huán)境壓力為、溫度為、氣體密度為的情況下，由氣墊邊緣流出的氣體流量為 = (式3.7) 對(duì)于具有n個(gè)供氣孔的長(zhǎng)方形氣墊，根據(jù)流量連續(xù)的條件由3-4式和3-7式得： = (式3.8) 對(duì)于圖3-2所示的氣墊，考慮對(duì)稱性，其一個(gè)供氣孔可得 = (式3.9) 利用上式可以求得導(dǎo)軌間隙h。 4) 承載能力 將氣墊間隙中的壓力p沿整個(gè)氣墊面進(jìn)行積分，即可求得氣墊的承載能力。 W= (式3.10) 5) 氣墊的剛度 對(duì)于一個(gè)支承氣墊或總的支承氣墊，其剛度 K= (式3.11) 負(fù)號(hào)表示隨著載荷的增加，間隙減小。空氣靜壓導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)目標(biāo)，就是追求剛度K的絕對(duì)值為最大。并將工作中的氣墊間隙控制在對(duì)應(yīng)K最大的附近，稱為最佳間隙。 設(shè)有a=b=20mm的正方形氣墊，4個(gè)環(huán)面節(jié)流孔等距配置，孔徑d=0.5mm。氣源為常溫空氣，常溫=288K,供氣壓力=5MPa，動(dòng)力粘度=1.796，比熱比=1.4，空氣密度，氣體常數(shù)，流量系數(shù)=0.85 設(shè)=30Mpa時(shí)，將數(shù)據(jù)代入上面的公式，可解出 承載能力 W=18.7（N） (式3.12) 氣墊間隙 h=0.20mm (式3.13) 氣體流量 (式3.14) 因?yàn)樯掀脚_(tái)約重100N，因此在上平臺(tái)左右各安裝3個(gè)氣浮墊片。 3.2 Y軸氣浮軸承的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)同理X軸的氣浮墊片設(shè)計(jì)，估x軸的設(shè)備總重約為200，因此在Y底座左右各安裝6個(gè)氣浮墊片。 第四章 定位平臺(tái)傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 4.1 定位平臺(tái)擬采用的研究方案、研究方法或措施 定位平臺(tái)擬采用X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，然后滾珠絲杠福帶動(dòng)定位平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，Y軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，然后滾珠絲杠副帶動(dòng)上平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。這里最主要的是對(duì)滾珠絲杠的選型、校核；對(duì)電機(jī)的合理選型。 4.2 定位平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.2.1 定位平臺(tái)X軸滾珠絲杠型號(hào)的確定 1） 計(jì)算進(jìn)給牽引力 作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給牽引力主要包括切削時(shí)的走刀抗力以及移動(dòng)件的重量和切削分力在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值的大小與導(dǎo)軌的型式有關(guān)，由于在設(shè)計(jì)中采用的是加有導(dǎo)軌塊的氣浮導(dǎo)軌導(dǎo)軌，所以選擇的計(jì)算公式為綜合導(dǎo)軌的計(jì)算公式。計(jì)算公式為： (式4.1) 式中 、、---切削分力（N）； ---移動(dòng)部件上的重量（N）； ---主軸上的扭距（）； ---導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌型式而不同； ---考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)； 綜合導(dǎo)軌的 , ，取，式中=150 N，=0 N，G=100 N 代入計(jì)算得 (式4.2) 2） 計(jì)算最大動(dòng)載荷 如圖4.1滾珠絲杠副 圖4.1 滾珠絲杠副 選用滾珠絲杠副的直徑時(shí)，必須保證在一定軸向載荷作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬(wàn)轉(zhuǎn)（106轉(zhuǎn)）后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載，用下式計(jì)算選擇： (式4.3) 式中 ---壽命，以10轉(zhuǎn)為一單位 ---溫度系數(shù)，小于100攝氏度=1 ---硬度系數(shù)，=1 ---精度系數(shù)，三級(jí)精度=1 ---可靠度系數(shù)，可靠度為95%，=0.62 ---為運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)；有一般運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) =1.2-1.5 ---絲杠轉(zhuǎn)速，，用下式計(jì)算 ---為最大切削力條件下的進(jìn)給速度， ---絲杠導(dǎo)程，； ---為使用壽命，，對(duì)于數(shù)控機(jī)床?。? 初選導(dǎo)程=4，由任務(wù)書可知最大的速度，則,代入公式可計(jì)算得 ==30 (式4.4) (式4.5) (式4.6) （3） 傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率： (式4.7) 式中 ---絲杠螺旋升角； ---摩擦角，滾珠絲杠的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。 由選用的W1L2506的滾珠死杠的相關(guān)數(shù)據(jù)可知絲杠螺旋升角 代入公式計(jì)算得 (式4.8) 4.2.2 定位平臺(tái)X軸滾珠絲杠校核 1) 剛度的驗(yàn)算 先畫出此進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖,如圖所示.最大牽引力為578.6N,由螺母裝配總長(zhǎng)度為75mm,絲杠螺紋長(zhǎng)度取250mm,預(yù)計(jì)長(zhǎng)度為410mm,絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊,預(yù)緊力為最大軸向負(fù)載的1/3. G J M L 圖4.2 Y向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖 滾珠絲杠副的軸向變行會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，因此應(yīng)考慮以下引起軸向變形的因素： 2) 絲杠的拉伸或壓縮變形量 在總的變形量中占的比重較大,可以用計(jì)算方法或查圖表的方法決定，在這里我選用的是計(jì)算的方法，先用下式計(jì)算滾珠絲杠受工作負(fù)載的作用引起的導(dǎo)程的變化量再計(jì)算滾珠絲杠總長(zhǎng)度上的拉伸或壓縮變形量，公式如下： 式中 ---在工作負(fù)載Fm作用下引起每一導(dǎo)程的變化量，; ---工作負(fù)載，即進(jìn)給牽引力，; ---滾珠絲杠的導(dǎo)程，; ---材料彈性模數(shù)，對(duì)鋼 E=20.6,(); ---滾珠絲杠截面積（按內(nèi)徑確定）. “+”號(hào)用于拉伸，“-”號(hào)用于壓縮。 其中，，為X向和Y向兩向中的最大值 滾珠絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮的變形量 (式4.9) 式中 ---滾珠絲杠在支撐間的受力長(zhǎng)度 根據(jù)設(shè)計(jì)行程、滾珠絲剛副的最大長(zhǎng)度、防護(hù)罩的極限距離、及軸承一半的長(zhǎng)度，以上幾項(xiàng)之和確定滾珠絲杠在支撐間的受力最大長(zhǎng)度。 計(jì)算得 ==0.0040 mm (式4.10) 3) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 當(dāng)對(duì)絲杠加有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向最大負(fù)載的1/3時(shí)，之值可減少一半；此變形可根據(jù)我所選用的滾珠絲杠在指導(dǎo)書中的圖4-7中查到其值為，雖然有預(yù)緊但不做減半的處理，用其查出的值。 4) 支撐滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形 不同類型的軸承的接觸變形量可用不同的公式計(jì)算，我選用的是角接觸球軸承則公式如下： (式4.11) 式中 ---軸承所受軸向載荷，； ---軸承的滾動(dòng)體數(shù)目； ---軸承滾動(dòng)體直徑，； 由于其中的一些數(shù)據(jù)無(wú)法獲得準(zhǔn)確值只能作粗略的估算，式中軸承所受軸向載荷，軸承的滾動(dòng)體數(shù)目，軸承滾動(dòng)體直徑 代入算得 (式4.12) 。 (式4.13) 這里因?yàn)闈L珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起導(dǎo)程的變化量占的比重比較小忽略不計(jì)，螺母座變形及軸承座變形的變形量計(jì)算比較困難，在結(jié)構(gòu)上作了相應(yīng)的處理所以也不作計(jì)算。 總的變形量 = 0.0095mm (式4.14) 小于要求的定位精度0.1mm合乎設(shè)計(jì)的要求。 穩(wěn)定性驗(yàn)算 滾珠絲杠一端為角接觸軸承固定支撐，另一端為深溝球軸承支撐，不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需要進(jìn)行穩(wěn)定性校核。 4.2.3 定位平臺(tái)X軸電機(jī)的確定 1) 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選擇 選用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，必須首先根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)草圖計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)裝置及負(fù)載折算到電機(jī)軸上的等效慣量，分別計(jì)算各種共況條件下所需的等效力矩，再根據(jù)步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩選擇合適的步進(jìn)電機(jī)。 2) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 (1） 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 由于用步進(jìn)電機(jī)則省去了齒輪的傳動(dòng)比，以及齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算所以只要計(jì)算絲杠本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量即可,絲杠導(dǎo)程=4mm，名義直徑=20mm,兩支撐間距L=300mm可計(jì)算出絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，公式如下： = 0.282kg (式4.14) 由于絲杠是通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)直接進(jìn)行連接的，所以，絲杠折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (式4.15) (2) 工作臺(tái)折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 根據(jù)《機(jī)電裝備設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表4-22所示工作臺(tái)折算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，由絲杠導(dǎo)程L0=4mm，工作臺(tái)重量為100N，可查出N工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.688，則工作臺(tái)的折算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： (式4.16) (3) 絲杠傳動(dòng)時(shí)傳動(dòng)系折算到電機(jī)上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 由于絲杠是通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)直接進(jìn)行連接的，所以，絲杠傳動(dòng)時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： (式4.17) 在上式中沒(méi)有考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，傳動(dòng)系統(tǒng)慣量和轉(zhuǎn)子慣量之間，有一個(gè)慣量匹配的問(wèn)題，的比值不能太小，否則機(jī)床動(dòng)態(tài)特性將主要取決于負(fù)載特性，此時(shí)不同重量和行程的各坐標(biāo)的特性將有很大差別，并且很容易受切削力、摩擦力等干擾的影響。但是的比值太大，也是很不經(jīng)濟(jì)的。 電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以查出，初選步進(jìn)電機(jī)為杭州中達(dá)FHB397三相高性能混合式步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)慣量為1.32。 所以=0.66，基本滿足慣量匹配要求。 傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.9908 3) 電機(jī)的力矩的計(jì)算 電機(jī)的負(fù)載力矩在各種工況下是不同的，下面分別對(duì)快速空載起時(shí)所需要的力矩、快速進(jìn)給時(shí)所需要的力矩、最大切削負(fù)載時(shí)所需要的力矩等幾部分進(jìn)行計(jì)算。 X向電機(jī)力矩的計(jì)算 快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩