转盘式分选机中高速旋转吸盘的动力学分析与计算

4 2 F h2 = F h1 + F d = mr 槡 ω + ε + 1 / 2 ρA （ ωr ） 2
2
。 （ 9） （ 10 ） （ 11 ）
ε =
{
{
kt kt1 t3 － t kt1 t3 － t2
（ t ∈ （ t0 ， t1 ） ） （ t ∈ （ t1 ， t2 ） ） （ t ∈ （ t2 ， t3 ） ） （ t ∈ （ t0 ， t1 ） ） （ t ∈ （ t1 ， t2 ） ） （ t ∈ （ t2 ， t3 ） ）
其中的 A 为运动的横截面， 其中的阻力系数 C d 表达式， 既与形 态 因 素 有 关， 又与速度因素有关
［5 ］
因此有：
。 考虑到
ω =
QFN 电路本身的体积及质量非常小， 受周围环境影响 比较大， 很难得到准确的 C d 值， 而且要关心的是最可 靠的 F s 值。 因此在这里取最大的 C d 值， 即 C d = 1 ； 又由 v = ωr， 故有 F d = 1 / 2 ρA （ ωr） 得到总合力：
2
2
2
+ mg
（ 2 ） 当 t 在 t1 ， t2 之间， 动态吸力：
F s2 = 2 mr（ kt1 ）
2
+ ρA（ kt1 r） 2μ
+ mg
（ 3 ） 当 t 在 t2 ， t3 之间， 动态吸力：
2mr 槡 （ k（ 0. 1 － t） ） 4 + （ －k） 2 + ρA（ kr（ 0. 1 － t） ） 2 Fs2 = + mg 2μ
［1 － 2 ］
x 和 y 为真空吸 为物体在运动过程中受到的空气阻力 ， 盘受力分析坐标轴。
。为了满足国内对高端测试分选设备
的需求， 开展针对转盘式集成电路测试分选技术的研 究。高速旋转真空吸盘是转盘式分选设备的关键部 件， 吸盘在吸持电路后做高速旋转运动 ， 吸盘吸附力的 大小直接影响电路旋转运动的效果， 过小会造成电路 旋转中飞料， 过大则造成不必要的浪费。 因此需要根 据设计指标来对高速旋转吸盘进行动力学分析 ， 指导 速度控制曲线的设计、 真空吸盘的选型及确定所需的 真空压强。
1
高速旋转吸盘的动力学分析
真空吸盘吸持电路时的力学模型如图 1 所示， 图
F s1 = F g = mg
当取安全系数为 n 时：
F s1 = nmg
F g 为垂直负载， Aw 中各参数说明如下： ΔP u 为真空度， F h 为水平负载， P d 为密封面的表面压力， 为有效面积， F r 为摩擦力， A d 为密封面积， F 为负载力， μ 为真空吸 F s 为吸力， F a 为加速度力， Fd 盘与工件间的摩擦因数，
F d = （ P1 － P2 ） A = 1 / 2 ρAv2
（ 7）
图3
电路运行 16 工位的示意图
选取在每 2 个工位之间的角速度控制曲线为梯形 如图 4 所示。 选择每 2 工位之间的角速度控 控制曲线，
图2 电路在空气中运行所受压差阻力图
制曲线为梯形， 是因为梯形控制曲线比较容易实现 。
但在较为准确的阻力表达式中应该引进一个阻力 系数 C d ， 使其变为：
0
（ 15 ）
3
分析与讨论
（ 1 ） 在 k 为确定值时， 在吸盘加速阶段， 动态吸力
式（ 15 ） 简化后得到：
kt1 （ 0. 1 － t1 ） = π 8
和空气阻力逐渐加大， 在吸盘匀速阶段， 动态吸力和空 （ 16 ） 由于角加速度 ε 不是连续的， 所以动 气阻力保持不变， 态吸力也不是连续的。 在角速度最大时， 动态吸力和空 气阻力也达到最大。 梯形曲面的 4 个点产生的角速度 突变引起的不平稳， 不会对工作造成影响， 只要吸盘吸 力足够， 就不会引起电路飞料。 （ 2 ） 在 k 增大时， 加速阶段的动态吸力和空气阻力 （ 17 ） 也增大， 但是在匀速阶段， 动态吸力和空气阻力反而减 小， 这是由于此时的角速度没有 k 小时那么大。 （ 3 ） 根据 UPH = 36 000 颗 / h 的设计指标要求， 最 小 k 值为 157 。 但是如果可以提供更大的 k 值和动态吸 （ 18 ） 力， 那么也可以把 UPH 设计指标定的更高， 此时电路 的在每 2 个工位间运行时间会比 0 ． 1 s 更快。 （ 4 ） 取 k = 160 ， 200 和 300 时， 计算得到的动态吸 （ 19 ） 0 ． 008 4 N 和 0 ． 011 8 N。 力最大值分别为 0 ． 007 5 N， 参 5］中对真空压强的计算方式［8］： 照文献［
随着集成电路封装的发展， 新的小尺寸封装形式 lead Package， 的方形扁 平 无 引 脚 封 装 （ Quad Flat NoQFN） 等逐渐占据越来越大的市场份额 ， 因此封装测试 公司对此类电路的测试分选速度提出了更高要求 。 目 前国内已有的此类测试分选机大都采用重力式结构 ， 属于低端的分选设备， 存在着速度慢、 品种单一等缺 点， 在分选速度上难以跟上市场的发展。 而针对此类 电路的高端测试分选设备， 普遍采用的是转盘式结构， 最大的特点是多个工位可以并行工作 ， 分选效率高， 速 度往往是低端分选设备的几倍， 是将来测试分选设备 发展的趋势
（ 13 ）
k 0 －k
（ 14 ）
高速旋转的电路受力处于动平衡状态 ， 即：
存在如下约束条件： （ 1 ） t0 至 t3 之间的梯形图面积， 即为 2 个工位之间 的角度； （ 2 ） 角速度控制曲线为等腰梯形； （ 3 ） 由于转盘式分选机各个工位是并行工作， 因 此当每 2 个工位之间的运行时间在 0 ． 1 s 以内， 即可满 足测试分选产量（ UPH） = 36 000 颗 / h 的设计要求。 因此有下式：
*
摘要：针对转盘式集成电路测试分选机中的高速旋转吸盘 ， 进行了动力学分析， 推导了真空吸盘在吸持电路做高速 所需动态吸力的计算公式 。选择不同的角速度控制曲线 ， 计算出在设计指标测试分选产量 （ Unit Per旋转运动情况下， UPH） 为 36 000 颗 / h 和电路为 QFN4 × 4 的情况下， cent Hour， 所需的动态吸力曲线， 并进行了相应的分析和讨论 。 最后 确定出所需的最小真空压强及相应的真空吸盘 。 根据计算出的最大动态吸力 ， 关键词：转盘式分选机； 动态吸力； 高速旋转吸盘； 电路 中图分类号： TH113． 2 文献标识码：A 文章编号：1001 － 2354 （ 2011 ） 12 － 0035 － 04
图1
真空吸盘吸持电路的受力分析
由真空吸盘工作原理及上述受力图可知， 要满足 正常的吸持电路的要求， 即能够正常作业的条件为：
F d = P d ·A d ＞ 0 ， 且 F = F d ·μ ＞ F h
（ 1）
已知被 吸 持 物 体 质 量 为 m，真 空 度 为 ΔP u ，则 F s = ΔP u·A w 。 设旋转半径为 r， 重力加速度为 g， 运动时 F s1 为静态吸力， F s2 为动态吸力。 间为 t， 1． 1 静态负载计算 静态吸力 F s1 为：
工位数达 小时测试分选产量（ UPH） 达到 36 000 颗 / h、 到 16 （ 参见图 3 ） ， 可以确定电路在每 2 个工位之间的 移动角度为 22 ． 5 ° ， 同时通过换算可知完成一颗电路测 试分选所允许的最大时间为 0. 1 s。
根据 Bernoulli 原理 响，
［3 － 4 ］
∑Fx = 0 ，Fh2 － Fr = 0 ，即 Fh2 = Fr ∑F
mg， 则：
F s2 =
4 2 F h2 2 mr 槡 ω + ε + ρA （ ωr ） + mg = 2μ μ 2 y
= 0 ，F g + F z － F s2 = 0 ，即 F z = F s2 － F g
又有摩擦力 F r = （ F s2 － F g ） ·μ， 垂直负载力 F g =
P = F / （ 0 ． 1 × A） — — 理论真空吸力 N； 式中： F— A— — — 吸盘的吸附面积， cm2 ； P— — — 真空压强（ 负压） ， kPa。 （ t ∈ （ t0 ， t1 ） ） （ t ∈ （ t1 ， t2 ） ） （ t ∈ （ t2 ， t3 ） ）
2 式（ 16 ） 中 t1 要有解， 必须 0 ． 01 k － kπ / 2 ≥ 0 ，
－4 2 kg / m3 ， 受空气阻力的横截面积 A = 3 × 10 m 。
5］ 的吸盘型号， 参照文献［ 选择吸盘直径为 3 ． 5 mm 的圆形吸盘， 200 和 300 时， 在 k = 160 ， 计算得到真 0 ． 875 和 1 ． 229 kPa。 空压强 P 分别为 0 ． 781 ， 因此得到在 16 个工位的真空吸头同时工作时， 在 设计指标 UPH = 36 000 颗 / h 情况下， 选择吸盘直径为 3． 5 mm 的圆形吸盘和图 4 所示的速度控制曲线， 所需 14 和 19． 66 kPa。 的最小真空压强为 12． 5 ， （ 5 ） 文中对动态吸力的计算是采用梯形速度控制 曲线得到的， 也可以采用其他的速度控制曲线 ， 如角加 速度连续的抛物线型速度控制曲线， 其对真空吸盘动 态吸力的计算与梯形速度控制曲线类似 。在采用高速 运动控制卡或嵌入式控制器做运动控制器时 ， 通过上 可以较容易地实现梯形曲线控制 。 述的计算公式，
（ 20） QFN4 × 4 电 根据 QFN4 × 4 电路的相关数据可知， 路的尺寸为 4 mm × 4 mm × 0． 75 mm， 质量 m = 4． 2 × 10 －5 kg。 设计设备工作时的电路旋转半径 r = 0． 13 m。 电路与吸嘴的摩擦因数 μ = 0． 15 ， 空气密度 ρ = 1． 205
F d = 1 / 2 C d ρAv2
（ 8）
C d 的意义有两点： 第 1 ， C d 是表示实际阻力与上述 C d 是含压差阻力、 平板的极端情况的比较值， 第 2， 摩 擦阻力和其他阻力的总效应。
2 因此 F d = 1 / 2 C d ρAv 是当前理论通用的气体阻力
图4
真空吸头角速度控制曲线图
*
1． 2
动态负载计算 电路旋转过程中角速度为 ω， 角加速度：
ε = ω t
（ 2）
收稿日期： 2011 － 01 － 18 ； 修订日期： 2011 － 06 － 20 基金项目： 江苏省科技支撑计划基金资助项目 （ BE2009017 ） 作者简介：芦俊（ 1974 —） ， 男， 湖北荆门人， 高级工程师， 主要研究方向： 集成电路测试、 机电工程、 自动化检测， 发表论文 15 篇。
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机
械
设
计
第 28 卷第 12 期
则电路所受的离心力：
F z = m ω2 r
（ 3） （ 4）
2
动态吸力的计算
根据所设计的测试分选机的技术参数要求， 即每
切向力： F t = m·ε·r
2 4 2 F2 ω +ε （ 5） 合力： F h1 = 槡 z + F t = mr 槡 考虑电路在高速旋转过程中受到空气阻力的影
即k ≥50 π。 利用约束条件式（ 15 ） ， 简化式（ 13 ） 得到：
ω =
{
kt kt1 k（ 0. 1 － t）
结合式Biblioteka Baidu 12 ） 与式（ 17 ） ， 得到： t1 之间， （ 1 ） 当 t 在 t0 ， 动态吸力：
F s2 = 2 mr 槡 （ kt）
4
+ k + ρA（ ktr） 2μ
DOI:10.13841/j.cnki.jxsj.2011.12.007
第 28 卷第 12 期 2011 年12 月
机
械
设
计
JOURNAL OF MACHINE DESIGN
Vol． 28 No． 12 Dec． 2011
转盘式分选机中高速旋转吸盘的动力学分析与计算
芦俊，曹盘江，皮志松，朱卫良
（ 中国电子科技集团第五十八研究所，江苏 无锡 214035 ）
+ mg （ 12 ）
2011 年 12 月
芦俊，等： 转盘式分选机中高速旋转吸盘的动力学分析与计算
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1 kt1 ·t1 + kt1 （ t2 － t1 ） + 1 kt1 （ t3 － t2 ） = π 2 2 8 t － t = t － t 1 0 3 2 t3 = 0. 1 t = 0
有： （ 6）
2 P1 + 1 / 2 ρ v 2 1 = P2 + 1 / 2 ρ v 2
P2 — — — 状态 1 和状态 2 的单位体积气流压力能 ； 式中： P1 ， v1 = v（ 亦即电路运动） ； v2 = 0 。
则 P 1 － P 2 = 1 / 2 ρ v1 。 参见图 2 ， 认为平板的背面所 受到的气压等于前部的压力 P1 ， 则平板两面的压力差 乘以平板的面积 A 就得到阻力 F d ：