基于ABAQUS的貼片機(jī)橫梁結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

徐萌

（金山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)中 212200）

0 引言

隨著技術(shù)層面的越發(fā)成熟，半導(dǎo)體和電子制造行業(yè)迎來(lái)了發(fā)展的春天，持續(xù)推動(dòng)著經(jīng)濟(jì)走向新的發(fā)展道路，電子產(chǎn)品也成為人手必備的產(chǎn)品，對(duì)人們的生活帶來(lái)了深刻的影響。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的越發(fā)精進(jìn)，電子行業(yè)越發(fā)重視芯片，致力于對(duì)芯片的加工上，使其逐步達(dá)到微米級(jí)這樣的程度，并伴隨著電子芯片行業(yè)向著更為集成化的道路發(fā)展，對(duì)電子封裝行業(yè)來(lái)說也在無(wú)形之中被迫實(shí)現(xiàn)更高的水準(zhǔn)。正是整個(gè)行業(yè)的持續(xù)發(fā)展推動(dòng)著新技術(shù)的應(yīng)用，急切需要改變當(dāng)前對(duì)芯片進(jìn)行手工貼裝的方式，從而不斷克服傳統(tǒng)的模式，在此基礎(chǔ)上發(fā)展出SMT技術(shù)，通過這一技術(shù)的持續(xù)運(yùn)用，從而使得片式器件可以直接貼裝在印制板的銅箔之上，并且通過其較高的電磁兼容性表現(xiàn)，使其更多地被使用在了電路組裝制造業(yè)之中[1-2]。

對(duì)于主流電子裝配生產(chǎn)設(shè)備而言，其中技術(shù)要求最高、最為關(guān)鍵的設(shè)備當(dāng)屬貼片機(jī)了。它是封裝生產(chǎn)線上最關(guān)鍵的部分，主要通過機(jī)械元件的定位方法來(lái)貼裝片式化電阻、電容等元件，并逐漸取代了鑷子夾持或真空吸筆的手工貼裝方式。從當(dāng)前的發(fā)展實(shí)際來(lái)看，國(guó)外市場(chǎng)上有多個(gè)主流的貼片機(jī)廠商，本文研究對(duì)象為TS-320M-02高速全自動(dòng)貼片機(jī)。

相對(duì)而言，貼片機(jī)的機(jī)械部分則是整機(jī)的核心所在，而其機(jī)器的品質(zhì)情況則主要基于機(jī)械系統(tǒng)總體的結(jié)構(gòu)方案等信息，呈現(xiàn)出相對(duì)復(fù)雜的總體結(jié)構(gòu)。從本次課題的實(shí)現(xiàn)來(lái)看，其主要研究的貼片機(jī)主要涉及的是過頂拱架型的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步在結(jié)合其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，我們可以對(duì)其進(jìn)一步進(jìn)行分解。相對(duì)而言，橫梁模塊是這個(gè)結(jié)構(gòu)之中的根基之所在，是其中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，是最為關(guān)鍵的部件之一。而靜力學(xué)分析是后續(xù)研究的基礎(chǔ)，很多后續(xù)研究的開展正是在靜力學(xué)的基礎(chǔ)上逐步實(shí)現(xiàn)的，因此本研究基于靜力學(xué)、材料力學(xué)相關(guān)理論計(jì)算，應(yīng)用ABAQUS軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和靜力學(xué)分析，以保證所采用的橫梁結(jié)構(gòu)能夠滿足使用要求。

1 貼片機(jī)橫梁三維模型建立

在對(duì)有限元進(jìn)行分析之前，我們最為重要的步驟就是建模了，由于結(jié)合本次研究的特點(diǎn)，本次主要選擇了實(shí)體建模來(lái)具體進(jìn)行，即先在三維建模軟件PROE中建立實(shí)體模型，再導(dǎo)入ABAQUS中。

本研究貼片機(jī)是采用過頂拱架型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這樣的結(jié)構(gòu)往往剛度相對(duì)較大，在綜合承載力表現(xiàn)來(lái)看相對(duì)較好，在穩(wěn)定性表現(xiàn)上表現(xiàn)較好。從設(shè)計(jì)要求出發(fā)，需要總體的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出高強(qiáng)度的特征表現(xiàn)，從而更加便于加工的實(shí)現(xiàn)，并且便于在滿足工作行程的前提下越發(fā)變得緊湊，在驅(qū)動(dòng)方面可以布置為對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇上可以有兩種主流系統(tǒng)來(lái)供選擇。從以上條件出發(fā)，我們可以初步設(shè)計(jì)橫梁及周邊結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 橫梁及周邊結(jié)構(gòu)模型

從結(jié)構(gòu)的選擇來(lái)看，這一結(jié)構(gòu)主要是雙邊對(duì)稱的，從而在馬達(dá)提供動(dòng)力的基礎(chǔ)上，展開定向運(yùn)動(dòng)，這樣一來(lái)，通過這樣的傳動(dòng)方式，可以進(jìn)一步使得運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的過程中阻力小、布局緊湊，從而使得每個(gè)涉及到的元件都能夠具備較好的位置精度表現(xiàn)，通過直線導(dǎo)軌的設(shè)立從而使得兩個(gè)軸能夠保持正交運(yùn)動(dòng)，從而使得綜合的故障率能夠保持在較低的水平。從結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)來(lái)看，可以直接進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的輸出，從而使得傳動(dòng)過程中的慣量進(jìn)一步減少，持續(xù)在傳動(dòng)系統(tǒng)的性能方面加以提高，持續(xù)在定位精度方面實(shí)現(xiàn)了較大程度的增強(qiáng)。由于在運(yùn)動(dòng)過程中沒有機(jī)械的接觸，而且也沒有所謂的摩擦和噪聲影響，因此零部件的損壞幾乎是不存在的，而且機(jī)械的損耗也大大得到了降低，可以通過多種方式的改變，從而使得在速度和電磁推力方面的表現(xiàn)更佳，進(jìn)而能夠在更大范圍內(nèi)得到廣泛的使用[3]。

2 貼片機(jī)橫梁力學(xué)分析計(jì)算

從高精密設(shè)備來(lái)看，其橫梁的剛性情況決定了整機(jī)所能達(dá)到的貼裝準(zhǔn)確度狀況。而相對(duì)而言，高精度設(shè)備往往橫梁的結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，因此需對(duì)它的靜止工況進(jìn)行驗(yàn)算，從而保證結(jié)構(gòu)良好的靜剛度。本研究將對(duì)橫梁進(jìn)行理論驗(yàn)算，分析該結(jié)構(gòu)的橫梁是否能滿足使用要求。

橫梁結(jié)構(gòu)如圖1所示，應(yīng)用材料力學(xué)知識(shí)可將橫梁當(dāng)成簡(jiǎn)支梁處理，簡(jiǎn)化后的模型如圖2所示。

圖2 橫梁簡(jiǎn)化后模型

對(duì)橫梁受力情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)變形主要是由于彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種組合產(chǎn)生的，一般采用第三強(qiáng)度理論進(jìn)行校核，校核公式如下：

式中，M為彎曲力矩，T為扭轉(zhuǎn)力矩。

根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)理論進(jìn)行計(jì)算，可以求得該結(jié)構(gòu)在彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種組合變形下的危險(xiǎn)應(yīng)力和許用應(yīng)力[σ]，根據(jù)數(shù)據(jù)可以判斷結(jié)構(gòu)符合使用需求。

3 貼片機(jī)橫梁靜力學(xué)分析

基于上述建立的三維立體模型，對(duì)模型進(jìn)行必要的局部修改和簡(jiǎn)化，將其導(dǎo)入ABAQUS中。導(dǎo)入的時(shí)候需要注意如下幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：基于貼片機(jī)的受力實(shí)際情況，我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)橫梁產(chǎn)生的影響相對(duì)較小，也正是因此，在具體展開分析的過程中不需要過于考慮溫度因素的影響，這樣一來(lái)，整個(gè)分析的過程不至于變得非常繁瑣而沉重。而為了使得總體的結(jié)果更具精確性，在模型的導(dǎo)入過程中，要做好格式的調(diào)換，并且在分析的過程中要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理，這樣一來(lái)，便于后續(xù)展開集中分析。

橫梁主體使用的材料是ZL205A高強(qiáng)度鑄造鋁合金，其彈性模量E為7.1×104MPa，泊松比取0.34，密度為2.78×103kg/m3。單元類型為C3D8I，在關(guān)鍵區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格細(xì)化處理，橫梁的有限元模型如圖3所示。

圖3 橫梁的有限元模型

定義橫梁的載荷和邊界條件是靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)，本研究將兩端定義X、Y、Z三個(gè)方向的固定約束，在Z向?qū)φw施加重力Gravity，另外對(duì)橫梁與支撐板，橫梁與電機(jī)定子，支撐板與滑軌采用綁定約束。

對(duì)各個(gè)部件設(shè)置材料屬性；接著將每一個(gè)部分都劃分網(wǎng)格操作；添加邊界約束和載荷參數(shù)后，提交任務(wù)，經(jīng)過軟件聯(lián)立運(yùn)算，得到了應(yīng)力變化和位移變化如圖4所示。

圖4 靜力學(xué)分析結(jié)果

從圖4（a）所示的細(xì)化的分析我們可以明確地看出，貼裝頭作用的基礎(chǔ)上，整個(gè)橫梁發(fā)生了較大的位移，由此我們可以看出，這種結(jié)構(gòu)是相對(duì)較為穩(wěn)定的，是可以經(jīng)得起各種折騰的。而與此同時(shí)，貼裝頭則安裝在橫梁的另外一面，使得頭部重力會(huì)在橫梁部位向下呈現(xiàn)出一定的扭轉(zhuǎn)力，事實(shí)上，這一力度對(duì)橫梁帶來(lái)的總體作用力不大，基本上可以達(dá)到忽略的結(jié)果表現(xiàn)，可以使得貼片機(jī)工作時(shí)的位移要求能夠充分滿足。通過相應(yīng)的計(jì)算，我們可以充分認(rèn)識(shí)到，這一結(jié)構(gòu)是可以滿足我們總體的設(shè)計(jì)期待的[4]。

4 結(jié)論與展望

本文以高速高精度貼片機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，初步對(duì)貼片機(jī)的橫梁及周邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。結(jié)合靜力學(xué)、材料力學(xué)相關(guān)理論計(jì)算，應(yīng)用ABAQUS軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和靜力學(xué)分析。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求[5-6]。

在本研究的基礎(chǔ)上，后續(xù)可以對(duì)貼片機(jī)橫梁的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)橫梁分析的完整性；在對(duì)橫梁完成靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，可對(duì)貼片機(jī)橫梁進(jìn)行持續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而使得橫梁結(jié)構(gòu)能夠在多方面同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，并且最大限度地減輕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，使其更為輕盈。