贴片机x-y运动横梁结构设计研究

（３） 采用频率设计原则，对横梁进行优化，并 将优化前后的固有频率与振型进行对比，结果表明 通过优化设计可以大幅度提高横梁的一阶固有频 率，从而提升整机结构的动态特性。
参考文献：
［１］ 肖永山，宋福民，刘少军． 全自动贴片机横梁设计与动力 学仿真［Ｊ］． 计算机辅助工程， ２００６ 年增刊：３４０－３４３．
构，见表 １ 所示，这些结构适用于不同的工作场合。
ｘ－ｙ 运动机构包括 ｘ 横梁（采用铝 合金 ６０６１ 材料）、ｘ 向驱动部分与 ｙ 向 驱动部分，是整个贴片机的主要运动 部件（如图 ２）。
表 １ 滚珠丝杠＋直线导轨传动结构的分类与特点
序号 名称
简图
特点
１ 丝杠外侧单驱
扭摆值大，丝杠受力大。 刚度值较低。
２ 丝杠内侧单驱
扭摆值较大，丝杠受力较大。 刚度值低。
３ 丝杠上面单驱
扭摆值，丝杠受力值界于 １ 和 ２ 中间。刚度值较低。
４ 丝杠内侧双驱
扭摆值小，丝杠受力小。 刚度值较高。
５ 丝杠外侧双驱
扭摆值较小，丝杠受力较小。 刚度值高。
６ 丝杠上面双驱
扭摆值，丝杠受力值界于 ３ 和 ４ 中间。刚度值较高。
［２］ 宋福民，张小丽． 全视觉贴片机研制解析［Ｊ］． 电子工业 专用设备， ２００３（４）：７９－８４．
［３］ 胡以静，胡跃明，吴忻生． 高速高精度贴片机的贴装效率 优化方法［Ｊ］． 电子工艺技术， ２００６，２７（４）： １９１－１９６．
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电 子 工 业 专 用 设备
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较大，但其对贴装精度的影响不在敏感方向（ｙ 向） 上；单侧驱动时，该力偶也较大，且其对贴装精度的 影响在敏感方向（ｙ 向）上。
由于横梁等关键零部件的结构相当复杂，仅仅 依靠传统的经验设计和静力校核的方法是无法获 得良好的动态品质。必须依靠数值模拟进行动态设 计分析，才能设计出满足要求的贴片机结构。
表 ２ 结构优化前后固有频率
Ｈｚ
阶次
结构
１阶 ２阶 ３阶 ４阶 ５阶
原始结构 ２５０ ４１９ ４３５ ５５３ ７３５ 优化结构 ４３６ ５５５ ９２５ ９９７ １３２７
图 １３ 横 梁 优 化 结 构 第 ３ 阶 振 型（９２５ Ｈｚ） 图 １４ 横 梁 优 化 结 构 第 ４ 阶 振 型（９９７ Ｈｚ）
接方式。在此基础上， 对横梁结构进行数值仿真分析与优化， 从而达到了降低横梁质量、提高刚度
的设计目的。
关键词： 贴片机； 结构形式； 静力校核； 模态分析
中图分类号： ＴＰ３１９．９
文献标识码： Ａ
文章编号： １００４－４５０７（２００７）０９－００１２－０４
Ｄｅｓｉｇｎ Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ ｏｎ ｘ－ ｙ Ｍｏｖｉｎｇ Ｂｅａｍ ｏｆ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
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化横梁进行静力校核与模态分析，静力变形如图 １０ 所示，振型如图 １１～图 １５ 所示，固有频率见表 ２。 横梁结构优化后，其变形由 ９．３μｍ减少为９．０μｍ。横 梁结构由立式结构变成卧式结构，提高了固频，改 善了振型。
横梁的受力状况可简化为受时变负荷作用下 的简支梁。具体有 ｚ 向的重力和约束反力、ｙ 向的惯 性力和驱动力、ｘ 向的惯性力和约束反力等。由于 横梁驱动方式的不同，ｙ 向的惯性力和驱动力形成 的力偶的大小也相差很大。双侧驱动时，该力偶最 小，其对贴装精度的影响最小；中间驱动时，该力偶
Ｓｅｐ． ２００７ （总第 １５２ 期） １３
（ａ） 优化前结构 （ｂ） 优化后结构 图 ９ 横梁优化前后结构对比 图 １０ 横 梁 优 化 结 构 变 形 图
图 １１ 横 梁 优 化 结 构 第 １ 阶 振 型（４３６ Ｈｚ）
图 １２ 横 梁 优 化 结 构 第 ２ 阶 振 型（５５５ Ｈｚ）
图 １５ 横 梁 优 化 结 构 第 ５ 阶 振 型（１３２７ Ｈｚ）
图 １ 框架式贴片机
ｘ ｙ
图 ２ 贴 片 机 ｘ－ｙ 运 动 机 构
从表 １ 中可以看出：当横梁跨距值较小，精度、 速度要求较低时，可以采用单侧驱动方式；当横梁 跨距值较大，精度、速度要求较高时，最好选用双侧 驱动，单驱横梁的扭摆值会较大。为达到贴片机高 速、高精的性能，再综合考虑加工、装配等因素，选 择第 ４ 种结构，作为设计的目标结构。
摘 要： 高速、高精度是贴片机的主要特征。在框架式贴片机中， 横梁的质量与刚度是决定整机速
度 和 精 度 的 主 要 因 素 。 横 梁 的 结 构 形 式 、与 传 动 机 构 的 连 接 方 式 、材 料 等 都 直 接 影 响 横 梁 的 质 量
与刚度值。通过综合分析传动机构与横梁不同连接方式的利弊， 从中选择能够满足设计要求的连
图 ７ 横 梁 原 始 结 构 ４ 阶 振 型 （ ５５３ Ｈｚ）
图 ８ 横 梁 原 始 结 构 ５ 阶 振 型 （ ７３５ Ｈｚ）
４ 横梁的结构优化设计
基于横梁原始结构，考虑横梁的实际受力情 况，通过优化计算，可以得到满足约束条件和设计 目标的结构参数最优解。
图 ３ 横梁原始结构变形图 图 ４ 横 梁 原 始 结 构 １ 阶 振 型 （ ２５０ Ｈｚ）
动态设计问题包含激励、结构与响应三要素。 激励和结构决定了结构振动的振幅和固有频率，改 变激振或改变结构的动态特性，都将改变系统振动 特性。因此，可以通过 ２ 种方式控制振动：控制结构 的固有频率，避开外加激励的主要频带，将振动控 制在允许的范围；减小激励（降低电机功率、降低 转速等），实现系统动态性能匹配，降低振动水平， 将振动响应控制在允许的范围。
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｒｅ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｍａｃｈｉｎｅ． Ｉｎ ｔｈｅ ｆｒａｍｅ ｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｍａｃｈｉｎｅ， ｔｈｅ ｍａｓｓ ａｎｄ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅａｍ ａｒｅ ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈａｔ ｉｍｐａｃｔ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｍａｃｈｉｎｅ． Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅａｍ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｗａｙ ｔｏ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ－ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｍａｓｓ ａｎｄ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅａｍ ａｌｌ ｄｉｒｅｃｔｌｙ． Ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｗａｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ－ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｅａｍ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｗａｙ ｂｅｉｎｇ ａｂｌｅ ｔｏ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｄｅｍａｎｄ ｉｓ ｃｈｏｓｅｎ． Ｌａｓｔｌｙ， ｔｈｅ ｂｅａｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｅａｍ ｍａｓｓ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄ： Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｍａｃｈｉｎｅ； Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； Ｓｔａｔｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ； Ｍｏｄａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ
５ 结论
（１）速度、精度是评价贴片机性能高低的 ２ 个 主要因素。横梁的结构与传动连接方式直接影响横 梁的质量与动态刚度，通过综合分析各种传动机构 与横梁的连接形式，才能满足整机的设计要求。
（２） 为使结构的静、动态特性能够保证机器速 度与精度的提高，需要在设计初期，将横梁的设计 与静力校核、模态分析工作交互进行。
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贴片机 ｘ－ｙ 运动横梁结构设计研究
宋福民 １， 肖永山 ２
（１．广州羊城科技实业有限公司， 广州 ５１０５２０； ２．中南大学机电工程学院， 长沙 ４１００８３）
构形式的贴片机的基本原理是当一个贴装头在吸 小，可以采用标准的结构，即：两侧导轨中间丝杠的
取元件时，另外一个贴装头去贴装元件。
结构。这种结构受力均匀，结构刚度高。ｙ 向导轨跨
框架式贴片机目前已经成为市场主流，是真正 距大，丝杠又不能放在中间，因此会有多项组合的结
意义上的泛用机（ｃｈｉｐ＋ＩＣ 元件）。
４．１ 结构优化方法 进行优化设计首先要用数学表达式描述实际
的设计问题，即转化为数学模型，然后根据数学模 型的特性，选择适当的算法及优化分析程序，利用 计算机求得最优化解。利用有限元分析软件进行结 构优化分析，关键是确定设计变量、约束条件和目 标函数这三个优化设计的基本要素。因此优化设计 模型可描述如下：
架型结构就出现了动臂式、垂直旋转式、平行旋转 的，都需要导轨做导向，只是在传动与驱动的方式
式 ３ 种结构形式。
存在差异。选择滚珠丝杠 ＋ 直线导轨传动的伺服电
框架式贴片机还可以采用增加横梁（也是增加 机驱动方式是因为同其它 ２ 种方式相比具有结构
贴装头）的方式达到增加贴装速度的目的。这种结 刚度高，成本适中的特点。由于横梁 ｘ 向导轨跨距值
１ 引言
的，它通过移动安装于 ｘ－ｙ 运动框架中的贴装头
（一般是装在 ｘ 轴横梁上），进行吸片和贴片动作
框 架 式 贴 片 机 的 送 料 器 和 ＰＣＢ 是 固 定 不 动 （如图 １）。此结构的贴装精度取决于定位轴 ｘ－ｙ 和