基于ANSYS 的LED 粘片機偏心軸的設計與分析

施 健，武美萍，范中廷

(江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122)

0 引言

目前國內LED 行業發展迅速，LED 被廣泛的應用在汽車、家電、工業設備、裝飾、照明等行業中，已經形成了一個規模龐大且潛力巨大的市場。而國內LED的大規模生產及運用，必然驅動LED 芯片封裝設備的成長，LED 芯片封裝設備的巨大需求引起了國內外半導體設備生產商的積極響應。LED 芯片粘片機既是半導體照明器件的關鍵生產設備又是電子元器件生產設備，得到國家在半導體照明與重大裝備兩方面戰略性的長期雙重支持和優惠［1］。

LED 芯片粘片機是一種用于LED(發光二極管)生產中進行芯片與引線框架粘接的自動化設備，是LED 自動化生產線上必備的關鍵設備之一，其主要作用就是把LED 晶粒高效精確地粘接到封裝基板或支架上，粘接的精度直接影響LED 的亮度、發光效率、可靠性等重要指標。目前國內也有一些專家學者對LED粘片機的固晶臂進行了研究，卻忽視了其他結構的分析必要性，由于目前國內固晶機速度較低，可能對整體的設計沒有多大影響，但如果是高速度高精度的LED粘片機，那就會放大無數倍。因此，對LED 固晶機的研究對加快LED 產業發展具有重要意義［2］。

1 LED 鍵合機點漿機構的結構組成及工作原理

點漿結構是粘片機的關鍵部件，其功能是從勻漿盤粘取銀漿，通過點漿臂旋轉放置在引線框架的裝載杯中，為芯片粘結做準備。該裝置需要精確、快速、平穩地往返于取漿和點漿兩個位置，具有高速度、高精度、運動曲線復雜等特點。如圖1 所示，為LED 粘片機的工作流程。

圖1 LED 粘片機工作流程

LED 粘片機點漿裝置的具體組成部分如圖2 所示。

圖2 LED 粘片機點漿裝置

工作原理:在勻漿盤注入銀漿;利用視覺定位，通過工作臺進給機構把引線框運送到點膠工作區;利用電機驅動(旋轉運動通過偏心軸轉換成上下運動)把點漿機構提升至最高點;旋轉點漿臂至勻漿盤蘸漿區;驅動上下電機，點漿臂進行蘸漿(需打開氣動裝置吸取銀漿);驅動上下電機，提升點漿機構;旋轉點漿臂，利用視覺定位至芯片蘸漿區;驅動上下電機，完成點漿工作(需打開氣動裝置)。觀察點漿整個工作流程，不難發現偏心軸是保證機構高效運行的關鍵部件，偏心軸的靜力學特性和動態特性的好壞將直接影響設備的正常工作。利用solidworks 強大的三圍設計功能，完成點漿結構的模型設計，如圖3 所示。

圖3 點漿裝置整體結構圖

2 偏心軸尺寸參數確定

由于點漿結構對運動速度要求較高，因而要求其在短時間內達到高速度，需要很大的加速度，傳統的直線加減速曲線存在速度與加速度的突變，容易引起設備共振或破壞，因此本文采用了五次多項式的加減速控制曲線(速度及加速度變化平緩，無突變)［3-4］。

式中:s(t)為位移函數;xm為系統規定的位移(可以是直線位移也可以是角位移);t為運行的時間;tm為系統總的運行時間;a1～a5為假定參數。由運動學知識，可得

式中:v(t)為速度函數;a(t)為加速度函數;j(t)為加加速度函數。

通過邊界條件擬合，最終得到的伺服電機旋轉角位移時間曲線方程如下:

該運動方程為伺服電機的旋轉位移曲線，通過偏心軸及其他附屬機構完成角位移與線位移的轉換。如圖4 所示是偏心軸運動分析簡圖。

圖4 運動分析簡圖

如圖4a 所示，偏心軸上下方向的行程為S，偏心段初始位置的角度為a，偏心軸的偏心距為e，他們存在一個關系式cosa = S/2e，xm =π-2a。

假設偏心軸運轉時間t，則偏心軸轉過的角度可以通過方程(2)來求出，進而通過三角函數轉換，得到t時刻，偏心軸豎直方向的位移，具體計算過程如下所示:

假設t時刻偏心軸轉過的角度為b，通過三角函數轉換得出線段c = e* cos(a + b)，因此t時刻豎直方向的位移為

將方程(2)代入方程(3)，可以得到點漿結構豎直方向的位移時間曲線:

點漿結構的運動周期為30ms，上下的最大位移為9mm，代入方程(4)，得到豎直位移關于時間t和偏心距e(受尺寸限制，e的取值在4.5mm 到10mm 之間)的方程。

通過mathematic 軟件，得出偏心軸豎直方向上的位移曲線，速度曲線及加速度曲線，如圖5 所示。

圖5 含變量e 和t 的曲線

由圖5，可以看出e的取值越大，峰值加速度值就越小，這樣提供的力也就越小，因此選取偏心距e=10mm，此時最大的加速度值及轉過的角位移值為:amax= 58.4m/s2，b =4.98°。

如此確定了偏心軸的結構，主要尺寸:總長83mm，偏心距為10mm。第一段軸長28mm，直徑8mm;第二段軸長29mm，直徑10mm;第三段軸長3mm，直徑13.5mm;第四段軸長5mm，直徑33mm;第五段軸長5mm，直徑12mm;最左端軸長13mm，直徑為10mm。

圖6 偏心軸結構模型

3 偏心軸的有限元分析

3.1 偏心軸的靜力學分析

將偏心軸三維模型導入到Ansys14.0 中，材料選用經調質處理后的45 鋼，其彈性模量為205GPa，泊松比為0.29，密度為7850kg/m3，選用計算和求解精度較高的高階三維20 節點固體結構實體單元solid186，使用智能網格劃分直接建立偏心軸的有限元模型(將圓角、小孔等結構進行刪除處理，保證計算能高效運行)，最終有限元模型產生的節點數為78592，單元數為50211，如圖7 所示，為偏心軸的有限元模型［5］。

圖7 偏心軸有限元模型

對模型加載，從偏心軸的運動方程可以得出偏心軸運動的最大加速度，大小為amax=58.4m/s2，負載約為2kg。由物理學知識和設備結構組成了解到，同樣大小的峰值加速度下，上升過程中的偏心軸受到更大的壓力，因而可能產生破壞。因此，對此狀態下的偏心軸進行靜力學分析，得到的結果會更為真實。計算得到偏心軸的最大應力值大小136.8N，而此時偏心軸旋轉的角度為68°，因而確定了施力點的位置。

圖8 靜力學分析結果

觀察圖8，發現偏心軸最容易破壞的點在軸肩銜接的地方，與實際情況相符，最大應力大小為37.7MPa，遠小于材料的強度值，因此設計較為安全。在正常加工的時候，為減小結構應力集中，可以在軸肩銜接處增加圓角。

3.2 偏心軸的模態分析

偏心軸在正常工作時是利用軸承支撐的，以往在分析此類部件的振型和固有頻率時，使用剛性約束，這樣就帶來了分析誤差。為避免上述情況，得到比較準確的偏心軸的動態特性，在分析設置的時候，利用4 個軸向均勻分布的壓縮彈簧來模擬軸承的約束，替代傳統的剛性約束分析。選用ANSYS14.0 的彈性阻尼單元Combin14 來模擬軸承，彈簧的剛度即為軸承的徑向剛度。對彈簧與偏心軸相連的節點進行軸向位移約束，對另一端施加完全約束，得到彈性約束下的偏心軸有限元模型。如圖9 和圖10 所示，分別為軸承對軸的約束模型和彈性約束下的偏心軸有限元模型［6-7］。

圖9 軸承對軸的約束模型

圖10 彈性約束下的偏心軸有限元模型

模態動力分析是查看部件的固有屬性，與受載荷的大小無關，因此可以忽略載荷對偏心軸分析的影響。利用ANSYS14.0 模態分析模塊中的分塊法，進行模態分析。一般機械結構的振動是通過每一階結構固有振型的線性組合表示，而結構低階固有振型對結構本身的振動影響較為明顯，因此結構本身的低階固有振型對結構本身的動態特性起決定作用。在提取結構固有頻率和振型的時候，只需要提取結構前幾階固有頻率及振型即可。根據偏心軸模態分析結果，本文提取了偏心軸的前6 階固有頻率和振型(如表1 和圖11)進行分析，并通過公式n =60f，求解偏心軸的臨界轉速，式中f為頻率，單位Hz。

表1 剛性約束下各階頻率及振型描述

圖11 偏心軸各階振型

根據偏心軸的運動方程，得到偏心軸的峰值轉速為1860r/min，而由表1 可知，偏心軸的1 階固有頻率為5527.1Hz，根據臨界轉速計算公式n=60f，得到偏心軸的一階臨界轉速大小為331626r/min。不難發現，偏心軸的工作轉速遠遠避開了其一階臨界轉速，不會有共振情況的發生。而依據上述分析結果，在設備條件允許的情況下，可以適當的提高偏心軸的工作速度，提高生產效率。此外，觀察圖11 可知，偏心軸在1 階和2 階的振型都是第二節直徑末段在平面內的來回擺動，在設計偏心軸結構的時候考慮添加倒角，以減小應力集中;偏心段的擺動也比較明顯，可考慮適當增加偏心段的剛度，可以采用加大直徑的方法［8］。

通過對偏心軸的模態分析，可以發現發生疲勞失效的危險段，為結構的改良提供參考，為后續的諧響應和瞬態分析提供了理論依據。

4 結論

點漿機構是一種高速運動裝置，要求有較高的定位精度和運動精度，而偏心軸作為其關鍵零部件，其結構參數對鍵合機的整體性能有重要的影響，因此必須對偏心軸的靜力學性能和動力學性能給予更高的關注。

本文將CAD(計算機輔助設計)及CAE(計算機輔助分析)技術融入傳統的機械結構設計中，綜合應用多種先進技術與方法:

(1)通過mathematica 軟件實現偏心軸運動曲線的規劃設計、偏心軸的關鍵尺寸設計;

(2)通過ANSYS 軟件對偏心軸進行有限元分析，確定強度是否滿足設計需求;

(3)通過ANSYS 軟件模擬偏心軸的實際約束情況，得到偏心軸的固有頻率及振型，確定偏心軸的安全工作速度及良好的動力學性能。

運用以上設計方法有效的提高了設計效率和質量，縮短了設計周期。另外，本文提出的從運動曲線擬合到結構設計，到有限元分析驗證的設計建模方法，可以運用到各類高速運動的機電產品設計領域，具有較高的理論及工程應用價值。

［1］李鵬.LED 產業發展與政策研究［D］. 武漢:華中科技大學，2011.

［2］周慶亞.LED 平面固晶機新技術介紹［J］.電子工業專業設備，2010(5):17 -19.

［3］許良元，桂貴生，彭丹丹.高速加工中加減速控制的研究［J］.中國制造業信息化，2005，2(34):124 -126.

［4］徐川，王永章，劉源.多項式加減速控制方法研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2009(9):42 -44.

［5］謝龍漢，劉新讓，劉文超. ANSYS 結構及動力學分析［M］.北京:電子工業出版社，2012.

［6］羅樂平，陳海林.基于ANSYS 的偏心軸模態分析［J］.硅谷，2009(22):36 -37.

［7］梁君，趙登峰. 模態分析方法綜述［J］. 現代制造工程，2006(8):139 -141.

［8］施健，武美萍，劉靜.LED 粘片機偏心軸的模態分析［J］.機械制造，2013(4):1 -3.