120t塑封壓機連桿升降機構受力分析

汪祥國

（銅陵市三佳電子集團有限責任公司，安徽 銅陵 244000）

0 引 言

120 t 壓機是一種用于對電子元器件進行熱固性塑料封裝的壓力機，是半導體產業后道工序的關鍵設備之一。它主要由上模座、活動臺板、連桿升降機構和立柱等組成。塑料封裝工藝在模具中完成，模具的上、下模分別安裝在上模座和活動臺板上。120 t 壓機的工作原理是，伺服電機通過減速器、同步帶輪，驅動滾珠絲桿、連桿升降機構，從而驅動活動工作臺上下運動，使上固定座和升降工作臺之間的模具受壓，從而起到封壓的作用。由此可知，連桿升降機構驅動模具的合模與開模，是主要受力零件，因此了解設備運行過程中連桿升降機構的最大受力狀況以及伺服電機提供的扭矩十分重要。

1 建立物理模型，作連桿機構受力簡圖并分析計算

1.1 建立120 t 壓機物理模型

圖1 120 t 壓機結構簡圖

圖1 為120 t 壓機結構簡圖，也是其理論模型。從圖中可以看出，連桿5、6、7 和升降座8 組成連桿升降機構，左右對稱分布。該升降機構由伺服電機通過減速器13、小同步帶輪14、同步帶11、大同步帶輪10 和滾珠絲桿9驅動作上下運動，進而驅動活動臺板4 作上下合模與開模運動。

1.2 各組成構件受力分析

為了簡化物體受力分析過程，這里不考慮重力和忽略運動副摩擦力，各組成構件受力情況如圖2 所示。考慮連桿升降機構左右對稱分布，以左側連桿升降機構作為研究對象，如圖2（a）所示，當滾珠絲桿轉動驅動升降座作上下運動時，連桿升降機構運動角度隨之發生變化，圖中L 距離隨之加大或減小。

1）以活動臺板為研究對象分析其受力情況。

從圖1 可以看出，活動臺板4 由左右對稱的連桿5推動沿導軌上下運動，以活動臺板為研究對象作其受力分析圖，如圖2（b）。它所受的主動力有合模力F，連桿EC（連桿5）和連桿E′C′向上的推力SE，以及左右導軌支撐力N，取坐標系如圖2（b）所示，列平衡方程得：

連桿5 是二力桿，它受到連桿6 的作用力SE以及它對連桿6 的反作用力S′E，它們大小相等方向相反，且通過鉸鏈E、C 的連線，如圖2（c）。

同理，連桿7 也是二力桿，如圖2（e）所示，它受到連桿6 的作用力S′D以及它對連桿6 的反作用力SD，大小相等方向相反，且通過鉸鏈B、D 的連線。

2）以連桿6 為研究對象分析其受力情況。

連桿6 受力分析圖如圖2（d）所示。從圖中可以看出，連桿6 以鉸鏈A 為中心作一定角度的擺動，在鉸鏈B 和C 處分別受到連桿5、連桿7 的作用力S′E和SD，根據力矩平衡原理得：

圖2 連桿升降機構受力簡圖

式中，AB、AC 為鉸鏈之間的距離，SB、SC分別為SD和SE′在AB、AC 上的垂直分力。

3）以升降座為研究對象，求滾珠絲桿軸向力ST。

以升降座為研究對象，作升降座受力分析圖，如圖2（f）所示。它所受的主動力有左右對稱的連桿7 作用力S′D，左右導軌的支撐力N1和滾珠絲桿向上的推力即軸向力ST。取坐標系如圖2（f）所示，列平衡方程得：

4）應用計算，求滾珠絲桿軸向力ST。

滾珠絲桿轉動驅動升降座上升，進而驅動連桿機構上升合模位置并不斷加壓，當合模壓力F最大達120 t 時，AE之間的距離 L=283.32，如 圖3 所示，由于連桿5、連桿6、連桿7 尺寸一定，鉸鏈D 到鉸鏈AE 軸線的距離也是固定的，因此，當合模壓力最大達120 t 時，α、β、θ 及δ 壓力角一定。圖中：α=1.982°，β=12.165°，θ=4.086°，δ=16.502°

由式（1）得：SE=F/（2cosα）=120 000×9.8/（2cos1.982°）=588 352 N，S′E=588 352 N

由式（2）得：SD×cos β×AB-SE′×sinθ×AC=0，SD×cos12.165°×86.1-588 352×sin4.086°×137.5=0，SD=68 487 N，SD′=68 487 N。

式中連桿7 鉸鏈之間的距離：AB=86.1，AC=137.5。

由式（3）得滾珠絲桿軸向力

ST=2S′D×sinδ=2×68 487×sin16.502°=38 907 N。

2 計算伺服電機扭矩，確認伺服電機功率

2.1 計算滾珠絲桿的轉矩

忽略運動副摩擦力矩，滾動絲桿驅動轉矩

式中：ST為滾珠絲桿軸向力，N;d 為滾珠絲桿公稱直徑，m；ρ′為當量摩擦角，這里絲桿螺旋運動變為直線運動，此時tanρ′=0.025，當量摩擦角ρ′=0.143 2°；ψ 為螺旋升角（°）。

式中Ph為滾珠絲桿導程。已知Ph=16 mm，d=80 mm，由式（5）得，ψ=3.642 6°，由前面計算可知，當合模壓力最大F＝120 t 時：ST=38 907 N，由式（4）得滾動絲桿驅動轉矩T=38 907×0.04×tan（3.642 6+0.143 2）=103 N·m。

2.2 計算伺服電機扭矩及額定功率

已知滾珠絲桿傳動效率η1=tanψ/tan（ψ+ρ′）=0.96。

查機械設計手冊，取同步帶傳動效率η2=0.95，滾動軸承傳動效率η3=0.95，減速器傳動效率η4=0.93。

從伺服電機到滾珠絲桿總的傳動效率η=η1η2η3η4=0.8。

已知減速器傳動比i1=1/5=0.2，同步帶傳動比i2=106.95/245.1=0.436。

伺服電機扭矩T′=T×i1×i2/η=103×0.2×0.436/0.8=11.23N·m

又知 T′=9 549 P/n。 （6）

式中：P 為電機額定功率，kW；n 為額定轉速，r/min。取n=2 000 r/min，由式（6）得

P＝T′n/9 549=11.23×2 000/9 549=2.35 kW。

考慮安全因素，取安全系數為1.5，則伺服電機額定功率P 選擇為3.5 kW。

3 結 語

120 t 力是合模時的最大噸位，根據塑封產品工藝需求，合模在2 min 以內，此時各連桿組件受力最大，其安全性已使用ABAQUS 核算過。本文通過對各組件受力分析，確認了伺服電機的功率，事實證明了3.5 kW 的額定功率完全滿足設計要求。

［1］ 徐灝.機械設計手冊［M］.2 版.北京：機械工業出版社，2003.

［2］ 哈爾濱工業大學理論力學教研室.理論力學［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［3］ 劉鴻文.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，2010.