贴片机x_y运动横梁结构设计研究

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。
ＳＯＮＧ Ｆｕ－ｍｉｎ１， ＸＩＡＯ Ｙｏｎｇ－ｓｈａｎ２
（ １．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ｙａｎｇｃｈｅｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｎｏｌｏｇｙ Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ ｃｏ．， ｌｔｄ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０５２０， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３， Ｃｈｉｎａ ）
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
收 稿 日 期： ２００７－０７－１２ 作者简介： 宋福民（１９６５－），男，吉林双辽人，高级工程师，博士，主要从事电子装联设备研究工作。
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。
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θ－ｚ 的精度。
的伺服电机驱动方式；直线电机 ＋ 直线导轨（气浮
为了提高贴装速度需要增加贴装头数。因此框 导轨）驱动方式。这 ３ 种构成方式在结构上是类似
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。
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，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）。
系统的动态特性主要用固有频率和振型等模 态参数表示。为了避免发生有害共振，必须使系统 的固有频率避开激振力的频带，这样构成了结构系 统的频率设计原则。采用 ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ 软件求解得 到横梁的变形，如图 ３ 所示，其变形最大值为 ９．３μｍ； 前五阶振型如图 ４～图 ８。
图 ６ 横 梁 原 始 结 构 ３ 阶 振 型 （ ４３５ Ｈｚ）
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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。
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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。
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
２ 横梁 ｙ 向传动结构形式的确定
３ 横梁的静力校核与模态分析
ｘ－ｙ 运动机构的功能是驱动贴装头在 ｘ 和 ｙ 方 向做往复运动，使贴装头能够快速、准确、平稳地到 达指定位置。
目前， 贴片机上的 ｘ－ｙ 运动机构有多种不同的 构成方式，其中主要是：滚珠丝杠 ＋ 直线导轨传动 的伺服电机驱动方式；同步齿形带 ＋ 直线导轨传动
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。
目标函数：质量最小 设计变量：横梁横截面的 ４ 个尺寸参数 约束条件：频率限制与变形限制
图 ５ 横 梁 原 始 结 构 ２ 阶 振 型 （ ４１９ Ｈｚ）
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４．２ 横梁结构优化 基于 ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ 的优化模块，对横梁截面尺
寸进行优化并对优化结果数值进行圆整，得出横梁 优化结构，优化前后的横梁结构如图 ９ 所示。对优
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。
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）
（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）
［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．
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
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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）
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
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
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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）
（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。