基于COSMOSWorks的LED粘片机焊头机架优化设计

副标题#e#     LED粘片机关键部件是焊头运动机构。焊头主运动结构要求在垂直平面内实现两个方向的运动，在高速运动的同时还要求定位高、运动平稳。焊头的作用是将晶圆(wafer)上已切割分离成一片片的芯片逐个吸起，传送并放置到引线框架上，使得芯片在引线框架上被粘焊固定。焊头通常由两个电机分别驱动。为了使焊头运动平稳，在设计机架的时候一定要使机架固有频率避开驱动电机的运动频率及倍频，以减少共振。
    
     1有限元分析的工具
    
     通常，使用ANSYS建立复杂的三维实体模型比较麻烦，所以在一般情况下使用三维CAD软件(例如SolidWorks、UG等)来建立几何模型，同时将该模型转换为ANSYS认可的文件格式，例如IGES格式和parasolid格式。将IGES格式的模型文件导人ANSYS，可以发现该模型往往存在或多或少的缺陷，例如线或面之间存在小间隙、出现多余的图元等，这都是模型文件进行转换时所造成的不良影响。我们可以使用ANSYS中的几何和拓扑修复工具对这些缺陷进行修复和完善，有时候效果并不是很好，这对分析结果会造成影响。同时，ANSYS的操作界面不是很友好，有时还需要进行文字命令输入，而且在进行模态以及谐响应分析时，占用的内存资源过多，并会消耗大量的时间。
    
     COSMOSWorks是世界上最快的有限元分析软件，这是由于它采用了FFE(fast finite element)快速有限元算法技术。FFE(Fast Finite Element)技术使得复杂耗时的工程分析时间大大缩短，同时COSMOSWorks完全集成于SolidWorks中，为设计工程师在SolidWorks的环境下，提供了比较完整的分析手段。COSMOSworks的分析模型和分析结果与SolidWorks共享一个数据库，在几何模型上，可直接定义载荷和边界条件，设计的数据库也会相应地自动更新。计算结果也可以直观地显示在SolidWorks精确的设计模型上。COsMOSworks操作方法简单、便捷。更重要的是，在S01idWorks中建立的有限元模型无需转换就可以用COSMOSWorks进行分析，这样就能够保证较高的计算精度，大量的试验已经证明主流的分析软件中没有一个能与COSMOSWorks的应力计算精度相提并论。当然，我们可以以COSMOSWorks分析为主，同时参照Ansys的分析结果，比较它们之间的差别，从而可以保证分析结果的正确性和可靠性。
    
     2有限元分析要注意的事项
    
     几何模型的"质量"直接影响到分析的结果。有些复杂的机械零件或者装配体，动辄几百、几千万节点、单元，计算机的分析能力也时有限的，用原型进行有限元分析也时不现实的口。所以在进行有限元分析之前要对几何模型进行合理的简化。传统的方法多采用相似性原理来简化，但是对于形状相对复杂的零件，尤其是装配体，建立简化模型也很困难。模态分析为我们建立一个合理、合适的模型提供了较好的方法。用于模态分析的模型由SolidWorks实体三维建模完成。所谓简化就是去除一些小孔、小的圆角，小的台阶等次要特征。因为这些小的台阶，小的圆角，小的孔很容易造成网格化时生成畸形的网格，最终导致有限元分析不能进行下去。这里的"小"是一个相对的概念。"小"是相对于整个几何模型或者装配体模型而言。当然，这里的简化也要时针对分析目标。在不会影响分析目标结果的情况下，我们才可以合理简化。至于简化后的模型是否和原型有相似的动态特性，可以通过对原型和模型的模态分析比较来验证。由于模态分析，尤其是低阶模态对系统的动态特性影响较大，因此通过比较模型的低阶模态和原型的低阶模态，一般两者相差不超过3％就应该认为简化是合理的。
    
     3结构简介
    
     LED粘片机焊头机架(如图l所示)采用了一个并联机构，在机架的上面和侧面各装上一个伺服电机。电机在机架上固定，运动的部件能实现两个方向的移动。这个机架还要放在在一个由滚珠丝杠带动的平板上。为了使机架下面的电机能快速准确运行，上面的机架就要在保证要求的条件下尽量减少质量。另外，为了使焊头平稳运行，在设计的时候也要使机架的固有频率与电机的频率发生干涉，即机架的固有频率不能与电机的运动频率及其倍频相同。
    
     3.1材料
    
     机架的主体材料为铸铝，其各项指标如表1所示。
    

     3.2约束
    
     利用COSMOSWorks做频率分析时的主要约束是，机架的下底板固定。另外，由于电机的运动频率是373．86Hz，所以，在优化的时候要求机架的固有频率低于这个频率。
    
     3.3优化过程中的变量变量
    
     在优化过程中，由于受焊头运动行程，以及电机的体积大小所限，机架的整体大小已经没有多少可以改动。能改动的地方是上部掏宅的地方。所以优化过程中的变量如图2所示的几个尺寸。