基于氣浮支承引線鍵合定位平臺設(shè)計【含CAD圖紙+PDF圖】

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-2012.5.102012-5.15調(diào)研，通過查閱相關(guān)文獻和刊物，了解氣體潤滑技術(shù)以及引線鍵合定位平臺的工作原理及其發(fā)展，完成開題報告。 完成原理方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，確定擬實施方案，完成英文資料翻譯。 對引線鍵合定位平臺X、Y兩運動導軌的相互運動方式進行設(shè)計；對引線鍵合定位平臺驅(qū)動裝置、傳動裝置、供氣裝置、測量等裝置進行設(shè)計；寫出中期報告。 完成設(shè)計圖紙，寫出畢業(yè)論文，準備答辯。答辯。開始日期 2012.1.10 完成日期 2012.5.11 教研室主任（簽字） 系主任（簽字） 西安文理學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題 目基于氣浮支承引線鍵合定位平臺設(shè)計學生姓名 趙魁學 號08102080222專業(yè)名稱機械設(shè)計制造及其自動化指導教師盧志偉開題時間2012.3.2班 級08機械（2）班一、 選題目的和意義隨著技術(shù)的進步和相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，高加速度高精度定位平臺是引線鍵合機的核心部件,決定鍵合的速度和質(zhì)量,進而影響芯片的成本與可靠性。隨著芯片集成度的不斷增大,管腳數(shù)量迅速增多,引線間距日益減小,定位平臺的性能已經(jīng)成為引線鍵合工藝進一步發(fā)展的瓶頸。由于空氣的粘性低，不易發(fā)生爬行，振動也小，熱穩(wěn)定性好；使用壽命是半永久性的,與液體靜壓導軌相比，它不污染環(huán)境。由于具有這些特點，載荷變動小的超精密加工機床和測量機以及精密機器一般都采用氣浮靜壓支承。因此把“基于氣浮支承引線鍵合定位平臺設(shè)計”作為本次本科畢業(yè)論文的課題，既有較大的學術(shù)價值，又有廣闊的應用前景。 二、 本課題在國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢由于平臺進行高加速度、高精度、快速往復小行程運動，并在很短的時間內(nèi)達到高精度定位，要求機械結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、剛度大、慣性小、阻尼低、制造精密。涉及到的研究內(nèi)容包括機構(gòu)形式、支撐方式、新型材料、設(shè)計方法、精密加工技術(shù)，運動學、動力學分析及簡單有效的運動控制算法等方面。隨著速度、加速度和工作頻率的進一步提高，摩擦力對平臺性能的影響越來越顯著。其微米級行程僅適用于一些細微裝配或操作任務(wù)。但磁懸浮軸承制造成本高，是一個非線性局部穩(wěn)定系統(tǒng)，易發(fā)生懸浮磁場和線性驅(qū)動磁場間的相互影響。氣浮軸承除不具有上述缺點外，還具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕便和設(shè)計靈活等優(yōu)點。因此，近年來，氣浮高性能定位平臺的目前LED及IC芯片在各個領(lǐng)域的應用越來越廣泛，對封裝工藝的質(zhì)量及檢測技術(shù)提出了更高的要求，如何實現(xiàn)復雜封裝的工藝穩(wěn)定、質(zhì)量保證和協(xié)同控制變得越來越重要。國外對引線鍵合工藝涉及的大量參數(shù)和精密機構(gòu)的控制問題已有較為深入的研究，并且已經(jīng)在參數(shù)敏感度和重要性的排列方面有了共識。引線鍵合技術(shù)，作為 LED 及 IC 芯片封裝的關(guān)鍵技術(shù)之一，是用金屬絲將LED及IC芯片上的電極與底座支架連接在一起的一種互連技術(shù),通常采用熱壓鍵合、熱超聲鍵合和超聲鍵合三種鍵合工藝方法。在自動引線鍵合技術(shù)中，鍵合絲尾長度、鍵合變形不當、鍵合位置不當?shù)痊F(xiàn)象均可經(jīng)調(diào)整溫度、壓力、超聲功率和時間等參數(shù)、換劈刀等方法進行糾正。我國 LED 及 IC 封裝研究起步較晚，其中的關(guān)鍵技術(shù)掌握不足，缺乏工藝的數(shù)據(jù)積累，加之國外的技術(shù)封鎖，有必要深入研究各種封裝工藝，掌握其間的關(guān)鍵技術(shù)，自主研發(fā)高水平封裝設(shè)備。研究非?；钴S。引線鍵合（WB）技術(shù)，又稱球楔鍵合技術(shù)，在 IC 封裝中是應用最廣泛的鍵合方法。要求鍵合設(shè)備具有比以往更高的精度、速度、可靠性。為了達到上述要求，需要從驅(qū)動電機選擇，平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計和合適的控制方法等角度進行研究。比如，為了使系統(tǒng)能夠在高速度和加速度條件下穩(wěn)定運行，需要開發(fā)出一類魯棒性很強的控制器。而為了減小系統(tǒng)運行的摩擦力以及摩擦力的不均勻，對定位平臺氣浮技術(shù)的研究也具有重要的理論和實踐意義。三、 主要研究內(nèi)容(1)參閱相關(guān)資料，了解氣體潤滑技術(shù)以及引線鍵合定位平臺的工作原理及其發(fā)展： (2) 完成原理方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，確定實施方案； (3) 對引線鍵合定位平臺X、Y兩運動導軌的相互運動方式進行設(shè)計； (4)對引線鍵合定位平臺驅(qū)動裝置、傳動裝置、供氣裝置、測量等裝置進行設(shè)計； (5)完成裝配圖和零件圖。 指導教師意見及建議： 該生自進入課題以來，能夠積極主動地和指導老師聯(lián)系，調(diào)研和查閱相關(guān)資料，態(tài)度端正；對題目有了一定初步理解，初步設(shè)計了出了一定的方案規(guī)劃；但后面還有很多工作和內(nèi)容要做，需抓緊時間。同意開題。 簽字： 年 月 日教研室審核意見： 簽字： 年 月 日西安文理學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表題 目基于氣浮支承引線鍵合定位平臺設(shè)計學生姓名趙魁學 號08102080222專業(yè)名稱機械設(shè)計制造及其自動化指導教師盧志偉檢查時間2012-4-6班 級08級機械2班畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 進 展 情 況 通過對基于氣浮支承引線鍵合定位平臺設(shè)計的相關(guān)資料的學習，以及對整個設(shè)計的了解，現(xiàn)基本完成以下設(shè)計工作：1 參閱相關(guān)資料，了解氣體潤滑技術(shù)以及引線鍵合定位平臺的工作原理及其發(fā)展，并查閱和收集相關(guān)資料。完成氣浮支承引線鍵合定位平臺原理方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計與分析。2 對引線鍵合定位平臺X、Y兩運動導軌的相互運動方式進行設(shè)計3 完成氣浮支承引線鍵合定位平臺原理方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計與分析。 下一步設(shè)計工作內(nèi)容是設(shè)計以及相關(guān)零件的設(shè)計以及相關(guān)零件圖的繪制。對引線鍵合定位平臺驅(qū)動裝置、傳動裝置、供氣裝置、測量等裝置進行設(shè)計指 導 教 師 意 見1.該生能夠與指導教師經(jīng)常聯(lián)系；2.能夠完成進度要求完成相關(guān)設(shè)計；3.清楚自己的設(shè)計內(nèi)容和技術(shù)路線；綜上所述，同意按照設(shè)計進度進行后續(xù)工作。簽字： 年 月 日教研室意見簽字： 年 月 日西安文理學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）指導教師評分表學生姓名趙魁學 號08102080222專 業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化班 級08機械2班畢業(yè)設(shè)計（論文）題目基于氣浮支承引線鍵合定位平臺設(shè)計設(shè)計（論文）起止時間 2012年1月10日 至 2012年 5月11日指導教師評語：建議成績：指導教師簽名： 年 月 日西安文理學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱教師評分表學生姓名趙魁學 號08102080222專 業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化班 級08機械2班畢業(yè)設(shè)計（論文）題目基于氣浮支承引線鍵合定位平臺設(shè)計設(shè)計（論文）起止時間2012年1月10日至2012年5月11日評閱教師評語：建議成績：評閱教師簽名： 年 月 日西安文理學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯記錄學生姓名趙魁學 號08102080222專業(yè)名稱機械設(shè)計制造及其自動化答辯時間2012.5.18答辯地點B0403指導教師盧志偉題 目基于氣浮支承引線鍵合定位平臺設(shè)計答辯小組成 員姓 名職 稱姓 名職 稱提問及回答情況記錄： 記錄人簽字： 年 月 日答辯成績：答辯小組組長簽名： 年 月 日畢業(yè)論文成績答辯委員會認定成績畢業(yè)論文等級系（院）答辯委員會意見：負責人簽名： 年 月 日注：1、畢業(yè)論文成績=指導教師成績40%評閱教師成績20%答辯成績40%；2、答辯委員會認定成績是根據(jù)該生畢業(yè)設(shè)計期間的表現(xiàn)及該專業(yè)整體論文情況的綜合評定成績。3、論文等級分優(yōu)秀（90分）、良好（8089分）、中等（7079分）、及格（6069分）、不及格（60分）?；跉飧≈С幸€鍵合定位平臺設(shè)計摘要：為滿足新一代芯片封裝設(shè)備對定位平臺性能的要求，本文旨在研究設(shè)計一種全新的高推重比直接驅(qū)動氣浮定位平臺及其相應的位置伺服控制系統(tǒng)。通過協(xié)調(diào)機電系統(tǒng)的多影響參數(shù)，使平臺在高加速度運動后，快速達到穩(wěn)定狀態(tài)。實現(xiàn)概念設(shè)計、詳細設(shè)計、仿真實驗以及系統(tǒng)的綜合性能評估，提供面向芯片封裝的高加速度高精度定位平臺的單元級和原型級設(shè)計方法及關(guān)鍵技術(shù)的解決方案。為了減小定位系統(tǒng)的摩擦力及其擾動，設(shè)計了一種基于氣浮導軌支撐的兩自由度高速精密定位平臺。該平臺采用了新型的氣浮解耦機構(gòu)，使音圈電機置于固定支座上，有效地減小了定位平臺的運動慣量。探討了節(jié)流孔直徑和導軌間隙對平臺承載能力和靜剛度的影響規(guī)律，得到一組優(yōu)化參數(shù)；在此基礎(chǔ)上對平臺的運動穩(wěn)定性進行深入分析，該平臺在給定的初始條件下可快速趨于穩(wěn)定，為該類氣浮定位平臺的設(shè)計提供了一定的理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞: 氣浮支承 芯片封裝 引線鍵合 定位平臺The positioning stage with air bearings, which based on the air-supported bearing and wire bondingABSTRACT:In order to meet the requirements of the new generation of packaging equipments, this thesis is mainly to study and design a completely new positioning stage and its servo-control system. The stage is directly driven by high thrust-weight ratio linear motor and supported by aerostatic bearings. Through adjusting the multi-factors of the electromechanical system, the stage can be stabilized in short time after high-acceleration moving. The work of this thesis is to realize conceptual and in-depth design, simulation, experiment and comprehensive performance assessment, providing unit and prototype design methods and solutions of key technology for high-acceleration/high-precision positioning stage for packaging equipment.In order to reduce the friction of positioning table and make it unvaried, a positioning table with air bearings has been introduced. An air decoupling mechanism is designed to make the voice coil actuators placed on the base and effectively reduce the motion inertia. The detailed principle is present. The rules how carrying capacity and stiffness of the table change with the orifice dimension, bearing clearance and length-dimension ratio is discussed. At the same time the optimized dimensions of air bearing are given. On the basis of them, the kinematic stability of the table is analyzed in detail, and the table could be stable rapidly with given starting conditions. All the achievements would provide theoretic reference to the design of this kind of positioning table with air bearings.Key words: aerostatic bearing chip packing wire bonding positioning tabe目錄目錄第一章 緒論11.1 選題背景11.2 選題的目的與意義11.3 本課題主要討論問題21.4 相關(guān)研究情況21.4.1機械部分相關(guān)研究情況21.4.2 氣浮部分相關(guān)研究情況3第二章 定位平臺總體方案設(shè)計52.1 定位平臺機械部分方案確定52.1.1 確定方案思想52.1.2 方案對比分析與確定62.2 空氣靜壓導軌的方案設(shè)計72.2.1確定方案思想72.2.1 方案對比分析與確定9第三章 定位平臺氣浮導軌的設(shè)計103.1 X軸氣浮導軌的設(shè)計103.1.1 空氣靜壓導軌的工作原理及特點103.1.1 空氣靜壓導軌氣墊的設(shè)計計算103.2 Y軸氣浮軸承的設(shè)計13第四章 定位平臺傳動部分的設(shè)計144.1 定位平臺擬采用的研究方案、研究方法或措施144.2 定位平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計144.2.1 定位平臺X軸滾珠絲杠型號的確定144.2.2 定位平臺X軸滾珠絲杠校核164.2.3 定位平臺X軸電機的確定184.2.4 定位平臺Y軸滾珠絲杠型號的確定22第五章 其他輔助零件的選擇設(shè)計235.1 定位平臺軸承的選擇235.2 定位平臺聯(lián)軸器的選擇23第六章 檢測元件的選擇24第七章 結(jié)論25參考文獻26致謝28附錄29附錄一：外文文獻29附錄二：外文文獻翻譯33西安文理學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）第一章 緒論1.1 選題背景世界近幾年高新科學技術(shù)迅速發(fā)展，IC（Integrated circuit）工業(yè)是當前全球經(jīng)濟發(fā)展的高速增長點，也是我國國民經(jīng)濟中最具活力的行業(yè)。目前，隨著我國“中國芯”產(chǎn)業(yè)化進程的加快，我國IC產(chǎn)業(yè)正面臨著難得的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)。芯片封裝業(yè)作為芯片產(chǎn)業(yè)的重要環(huán)節(jié)，一直追隨者IC的發(fā)展而發(fā)展。在IC封裝中引線鍵合是芯片焊接的最主要形式。引線鍵合（Wire Bonding）是一種利用熱、壓力、超生波能量將半導體芯片引腳與電子封裝外殼IO引線或基板上技術(shù)布線引腳用金屬細絲連接起來的工藝技術(shù)。隨著技術(shù)的進步和相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，高加速度高精度定位平臺是引線鍵合機的核心部件，決定鍵合的速度和質(zhì)量，進而影響芯片的成本與可靠性。隨著芯片集成度的不斷增大，管教數(shù)量迅速增多，引線間距日益減小，定位平臺的性能已經(jīng)成為引線鍵合工藝的發(fā)展瓶頸。由于空氣的粘性低，不易發(fā)生爬行，振動也好，熱穩(wěn)定性好；使用壽命是半永久性的，與液體靜壓導軌相比，它不污染環(huán)境。由于具有這些特點，載荷變動小的超精密加工機床和測量機以及精密機器一般都采用氣浮靜壓支承。因此：“基于氣浮支承引線鍵合定位平臺設(shè)計”既有較大的學術(shù)價值，又有廣闊的市場前景。1.2 選題的目的與意義近年來，隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展電子產(chǎn)品正迅速朝著便攜式、小型化發(fā)向發(fā)展，IC芯片的集成度不斷提高，對IC封裝技術(shù)也提出更高的要求，特別是引線鍵合技術(shù)提出了特別高的要求：（1）單位體積信息的提高（高密度化）；（2）單位時間處理速度的提高（高速化）。因此IC引線鍵合技術(shù)也朝著高度集成化、高性能化、多引線和細間距化方向發(fā)展，高速、高精度的需求日益緊迫。為進一步提高質(zhì)量和生產(chǎn)效率，對該類裝備的運動精度和運動速度、加速度等性能提出了更高的要求，也體現(xiàn)了該類裝備向高速、高精度發(fā)展的趨勢。這就要求集成電路的引線鍵合技術(shù)不但發(fā)展和改良，需要發(fā)展新的引線鍵合定位平臺來促進封裝業(yè)的發(fā)展。 因此，發(fā)展具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的引線鍵合定位平臺設(shè)備的核心技術(shù)，開展基于新的驅(qū)動方式、機構(gòu)形式和控制方法的新型高速、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究，是IC制造裝備中的重要研究內(nèi)容之一，對促進IC制造技術(shù)的發(fā)展而加快我國IC產(chǎn)業(yè)化進程具有重要的意義。 1.3 本課題主要討論問題本課題的主要內(nèi)容是設(shè)計定位平臺X、Y軸的傳動裝置和氣浮導軌。定位平臺計過程可分為總體方案設(shè)計，完成原理方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，確定實施方案；對引線鍵合定位平臺X、Y兩運動導軌的相互運動方式進行設(shè)計；對引線鍵合定位平臺的氣浮導軌進行設(shè)計；對引線鍵合定位平臺驅(qū)動裝置、傳動裝置、供氣裝置、測量等裝置進行設(shè)計。其中對引線鍵合定位平臺X、Y兩運動導軌的相互運動方式進行設(shè)計中關(guān)鍵是滾珠絲杠的設(shè)計選型、校核，電機型號的選型。對引線鍵合定位平臺的氣浮導軌進行設(shè)計中關(guān)鍵的是進行氣浮墊片的設(shè)計。最后完成其他零件的設(shè)計，完成裝配圖及零件的的繪制，保證定位平臺的精度和質(zhì)量，調(diào)整方便、簡捷。1.4 相關(guān)研究情況1.4.1機械部分相關(guān)研究情況人針對芯片制造設(shè)備設(shè)計出了一種新型磁懸浮超精密工作臺，消除了導軌的摩擦和磨損，使工作臺在X、Y方向能滿足0.02um的定位精度。Bakker致力于用新型的氣浮平臺代替?zhèn)鹘y(tǒng)接觸式軸承XY平臺，在重量、體積和成本基本不變的情況下，獲得更高的運動速度和定位精度。Takeuchi基于無摩擦驅(qū)動的概念，制造了靜壓空氣軸承支撐的伺服電機。Hammer等人設(shè)計的氣浮精密定位平臺，加速度達到12g，定位精度0.2um。采用空氣軸承支撐的新型XY運動平發(fā)展具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的引線鍵合定位平臺設(shè)備的核心技術(shù)，開展基于新的驅(qū)動方式、機構(gòu)形式和控制方法的新型高速、高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究。隨著技術(shù)的進步和相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，應用到秒引線鍵合機上的定位平臺經(jīng)歷了一系列的變化。最初采用的是旋轉(zhuǎn)電機加滾珠絲杠驅(qū)動的串聯(lián)機構(gòu)形形式，如日本KAIJO公司生產(chǎn)的FB-128引線鍵合機，鍵合速度僅為5線秒。到上世紀九十年代，直線電機憑借其卓越性能代替了旋轉(zhuǎn)電機開始廣泛的應用到芯片封裝設(shè)備上，如美國KS公司生產(chǎn)的8028引線鍵合機，其定位平臺采用廣義并聯(lián)機構(gòu)，平臺由線性導軌支撐，XY方向之間用滾動軸承解藕，鍵合速度可達到11線秒。KAIJO公司生產(chǎn)的FB-700引線鍵合機，鍵合速度達到16線秒。采用旋轉(zhuǎn)電機和直線電機混合驅(qū)動，空氣軸承和線性導軌支撐平臺，經(jīng)過特殊設(shè)計，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動構(gòu)建的質(zhì)心在其旋轉(zhuǎn)軸線上，實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的質(zhì)心驅(qū)動，消除了質(zhì)心慣性力的影響。瑞士ESEC公司利用該結(jié)構(gòu)研制的型號為3100的引線鍵合機，最大鍵合速度為17線秒，實驗室可以達到25線秒，是目前世界最高水平。隨著新型電機的不斷出現(xiàn)，音圈電機、超音速電機和平面電機在微電子裝備方面的應用越來越受到人們的重視，天津大學馮曉梅等人研制出由音圈電機驅(qū)動的新型高精密定位平臺，其最大加速度可以達到15g。Kunioka等人研制出的新型XY平臺，采用超音速直線電機，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。Barp和Vischer利用空氣軸承設(shè)計出的新型引線鍵合機，工作效率有了突破性的進展，達到了當前流行速度的近兩倍。長春光學精密機械與物理所王延風等臺。Bernharh研制出一種新型高速加速度氣浮平臺，其工作空間60mm60mm，加速度超過10g，分辨率低于100nm。1.4.2 氣浮部分相關(guān)研究情況由于空氣的粘性低，不易發(fā)生爬行，振動也好，熱穩(wěn)定性好；使用壽命是半永久性的，與液體靜壓導軌相比，它不污染環(huán)境。由于具有這些特點，載荷變動小的超精密加工機床和測量機以及精密機器一般都采用氣浮靜壓支承?？諝廨S承以清潔干燥的空氣作為潤滑介質(zhì)，具有精度高、無摩擦、無磨損、清潔、無污染、壽命長、免維護、低發(fā)熱、結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活、耐高/低溫和原子輻射等特點，廣泛應用于三坐標測量機，高速旋轉(zhuǎn)機械工具(如高速磨頭、高速離心分離器、陀螺儀表)、原子反應堆致冷壓縮機、電子計算機記憶裝置、微電子制造及醫(yī)療設(shè)備中。由于采用了空氣軸承支撐，系統(tǒng)無摩擦(或極低摩擦)，消除了接觸式軸承摩擦力的不利影響，使得產(chǎn)品性能得到了極大的提高。但空氣軸承無標準化產(chǎn)品供選取，其性能受節(jié)流形式等諸多因素影響，因此，設(shè)計性能優(yōu)越的空氣軸承并不容易，需要豐富經(jīng)驗和大量理論知識。 Fourka 和 Bonis比較了小孔和多孔材料節(jié)流靜壓空氣軸承性能的特點，指出適當增加節(jié)流孔的個數(shù)，可以使兩種軸承的性能比較接近。Renn 和 Hsiao通過實驗和CFD 仿真分析了小孔節(jié)流式靜壓空氣軸承的氣體流量特性。Watanabe 等人提出了確定空氣軸承線性和非線性剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)的方法。Karkoub 和 Elkamel指出空氣軸承內(nèi)氣體壓力分布的理論模型過于簡單，所提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法能更好地預測軸承內(nèi)氣體壓力分布和承載能力。Kassab 等人用實驗的方法研究供氣壓力和節(jié)流孔直徑對矩形靜壓空氣軸承性能的影響。Fourka 等人通過數(shù)值計算、分析和實驗的方法分析空氣靜壓止推軸承的穩(wěn)定性，指出非線性方法的分析結(jié)果與實驗更接近，與線性方法相比可靠性更高。Talukder 和 Stowell研究了小孔節(jié)流式旋轉(zhuǎn)軸承的氣錘現(xiàn)象。Kassab研究了靜壓空氣軸承的入口處的低壓特性，對經(jīng)驗公式提出了修正方法。Kwan 和 Post研究了空氣軸承表面和節(jié)流孔的制造公差、分布對承載能力和剛度的影響，確定出使承載能力和剛度變化在 10%以內(nèi)的制造公差。為克服空氣軸承剛度低、承載能力差等弱點，F(xiàn)an 等人制造了多節(jié)流孔空氣軸承。Watanabe 等人設(shè)計了微槽軸承，即平面軸承具有淺圓形槽。Chen 和 Lin應用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展成果設(shè)計了矩形靜壓空氣軸承，軸承上具有 X 形勾槽。Nakamura和Nakamura研究了雙向雙排小孔節(jié)流式靜壓矩形空氣軸承在受到側(cè)向力時的動態(tài)特性。Stout 和 Barrans闡述了具有納米級定位精度的靜壓空氣軸承的設(shè)計，討論了影響靜壓空氣軸承性能的主要參數(shù)和制造公差。Yoshimoto設(shè)計了一種新型靜壓空氣軸承，氣膜間隙小于 1m，剛度可達到 1N/nm，是一般靜壓空氣軸承的 10 倍。Nakamura 和 Yoshimoto指出混合節(jié)流式矩形空氣靜壓止推軸承容易獲得較高的剛度，從理論和實驗兩方面研究了具有混合節(jié)流器的靜壓矩形雙面止推軸承的剛度特性。近年來，以石墨等多孔材料為節(jié)流器的靜壓空氣軸承被成功應用。實際軸承設(shè)計中，需要減小多孔材料的厚度來縮小軸承的體積，但會導致強度降低，特別是當多孔材料的半徑較大時，由于材料的變形，空氣很難完全通過多孔材料介質(zhì)。為此，Yoshimoto 和 Kohno在多孔材料空氣軸承中采用兩種供氣方法(圓環(huán)勾槽和小孔供氣)，以免軸承表面發(fā)生變形，通過理論和實驗方法得到了這種軸承的靜態(tài)和動態(tài)性能。Watanabe 和 Natsume利用多孔材料作為節(jié)流器制成了幾何形狀復雜的靜壓空氣軸承，例如球軸承或空氣靜壓絲杠。Kwan 和 Corbett通過增加平衡間隙來進行多孔材料空氣軸承性能的數(shù)學分析。Luong 等人用有限元方法預測表面完全由多孔材料組成的空氣軸承的性能。Bang 和 Lee利用碳纖維制成的氣浮仿錘具有慣量小、阻尼大、固有頻率高等特點，用于高速鉆孔工具。馬明建等人采用有限元理論分析了靜壓空氣軸承的壓力場，并討論了空氣軸承壓力場邊界條件的處理方法。第二章 定位平臺總體方案設(shè)計2.1 定位平臺機械部分方案確定2.1.1 確定方案思想方案一：傳動：滾珠絲杠螺母副支撐：雙推-簡支式 滑動導軌伺服電機：步進電動機優(yōu)點：采用滾珠絲杠螺母副，可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)換，在具有螺旋槽的絲杠螺母中裝有滾珠作為中間傳動元件，以減少摩擦。優(yōu)點是摩擦系數(shù)小，傳動效率高，靈敏度高，傳動平穩(wěn)，不易產(chǎn)生滑行，傳動精度和定位精度高；磨損小，使用壽命長，精度保持性好。雙推-簡支式支撐減少絲杠熱變形的影響。缺點：滾珠絲杠螺母副的不足在于制造工藝復雜，成本高，不能自鎖，故需附加制動裝置。方案二：傳動：同步帶傳動支撐：滑動導軌伺服電機：直流無刷電機優(yōu)點：同步帶傳動無相對滑動，傳動比準確，傳動精度高，齒形帶的強度高，厚度小、重量輕，故可用于高速傳動；傳動比恒定，同步帶無需特別漲緊，因而作用于軸和軸承等上的載荷小，傳動效率高。缺點：同步帶工作時候有溫度要求，安裝精度要求較高，中心間距要求較高，有時候需要張緊，安裝麻煩。無刷直流電機啟動時有震動，控制器要求高，價格高。方案三：傳動：齒輪齒條支撐：直線導軌伺服電機：直流無刷電機優(yōu)點：齒輪齒條傳動功率大，精度高，穩(wěn)定性好，響應速度快。無刷直流電機啟動時有震動，控制器要求高，價格高。雙線導軌穩(wěn)定。缺點：齒輪齒條無自鎖，需要外加自鎖機構(gòu)。噪音大，磨損較快。2.1.2 方案對比分析與確定綜合課程設(shè)計要求，精度為0.04mm，最大載荷是500N，相比同步帶和齒輪齒條傳動，滾珠絲杠傳動更符合精度要求，因為絲杠傳的動的精度可以達到0.01mm，而同步帶傳動時會產(chǎn)生彈性變形，具有一定的蠕變性。齒輪齒條傳動精度和滾軸絲杠精度相當，但是安裝較麻煩，安裝精度要求高。 步進電動機和直流無刷電機相比，步進電動機控制簡單，啟動穩(wěn)定，而直流無刷電機控制要求高，成本高，畢業(yè)設(shè)計要求精度未達到微米級別，空載轉(zhuǎn)速要求為1m/min,因此采用低檔的步進電動機就能滿足要求。綜合以上分析，決定選擇第一種方案。步進電動機提供動力，滾軸絲杠傳遞動力。 圖2.1定位平臺結(jié)構(gòu)此數(shù)控工作臺主要由步進電機、絲杠螺母副、滾動導軌副、工作臺、軸承座、端蓋、軸承、聯(lián)軸套、鍵、墊圈等組成。（具體見裝配圖）2.2 空氣靜壓導軌的方案設(shè)計2.2.1確定方案思想空氣靜壓導軌，根據(jù)工作臺的移動量，載荷量和精度要求的不同，一般采用下圖所示的結(jié)構(gòu)形式（a）圖2.2閉式平面導軌圖2.3 閉式圓柱導軌圖2.4 重量封閉式導軌閉式平面型 閉式圓柱型 重量封閉式導軌方案一：閉式平面導軌優(yōu)點：這種形式的的導軌因工作臺移動時導軌面僅產(chǎn)生很小的撓度，可以獲得高精度、高剛度、承載能力大，適合于超精加工設(shè)備和測量一起的長導軌。方案二：閉式圓導軌優(yōu)點：這種形式導軌的導向零件少，結(jié)構(gòu)簡單。缺點：零件的精度完全取決于加工設(shè)備，運動精度有限。導桿采用兩端支撐，隨這工作臺的移動導桿容易產(chǎn)生撓度。方案三：重力封閉式導軌優(yōu)點：這種形式的導軌用工作臺的質(zhì)量和空氣靜壓保持平衡，以維護導軌的固定間隙。其結(jié)構(gòu)較簡單，零件的高精度也容易實現(xiàn)。缺點：支承剛性低，故多用于載荷變化范圍不大的設(shè)備上。如圖2.5所示圖2.5 上導軌2.2.1 方案對比分析與確定 綜合畢業(yè)設(shè)計要求，定位平臺上需要定位的芯片質(zhì)量很小，故方案三可滿足要求。同時由于導軌形式的確定，可以確定氣墊為矩形墊片；節(jié)流器為環(huán)面節(jié)流器。如圖2.5所示：圖2.6 具有亞園形氣腔的矩形氣墊第三章 定位平臺氣浮導軌的設(shè)計空氣靜壓導軌是將具有一定壓力的空氣經(jīng)過節(jié)流器送入導軌的間隙。借助其靜壓使運動導軌懸浮起來，使兩導軌面之間形成一層極薄的氣膜，且氣膜厚度基本保持恒定不變的一種純空氣摩擦的滑動導軌。3.1 X軸氣浮導軌的設(shè)計3.1.1 空氣靜壓導軌的工作原理及特點如圖3.1所示，空氣靜壓導軌副是由氣墊和承導面組成的。這樣的氣墊在每個承導面上不少于兩個。從氣源送來的清潔、干燥、恒壓的空氣流經(jīng)節(jié)流器進入氣腔并沿封氣面向外流出，在封氣面上形成具有承載能力的氣膜。氣腔與封氣面處氣膜的承載能力之和將氣墊及與之相連的工作臺浮起。工作中承載能力與載荷處于平衡狀態(tài)，氣膜厚度保持不變，從而實現(xiàn)氣體摩擦。當載荷變化時，氣膜的厚度隨載荷增大而減小，氣膜一方面起承載作用，另一方面也起著潤滑作用。圖3.1 氣墊工作原理1-氣墊； 2-節(jié)流器； 3-承導面； 4-氣腔； 5-封氣面3.1.1 空氣靜壓導軌氣墊的設(shè)計計算 現(xiàn)已圖3.2所示的長方形靜壓氣墊為例，說明氣墊的性能計算的過程。氣墊各部分的尺寸，供氣孔的位置和數(shù)目，以及計算時坐標的設(shè)定如圖所示。供氣孔的節(jié)流形式為環(huán)面節(jié)流，供氣孔直徑為d。 圖3.2 間隙一定的長方形靜壓氣墊1) 確定雷諾方程的具體形式，假設(shè)導軌的間隙一定，相對運動速度U=0，間隙內(nèi)的氣體是等溫流，定長狀態(tài)，則可采用最簡單的雷諾方程式+=0 (式3.1)設(shè)邊界壓力是大氣壓力Pa，則有邊界條件x=0，x=a 時，y=0，y=b 時，根據(jù)這一邊界條件，求出相對供氣孔出口壓力的雷諾方程的特解，即成為壓力分布，就可以進一步計算出氣墊的承載能力、流量等。問題的難點是如何求得供氣孔的出口壓力，為了就一般條件下解決這個問題，可運用流量連續(xù)條件采用數(shù)值計算方法解之。流量連續(xù)條件就是設(shè)通過供氣孔流入氣墊的注量等于由氣墊周圍流出的流量。2) 通過節(jié)流器的流量通過節(jié)流器的質(zhì)量流量（單位Kg/s）為= (式3.2)式中A-節(jié)流面積，單位。對于小孔節(jié)流=，對于環(huán)面節(jié)流，；-氣源壓力，單位Pa；R-氣體常數(shù)，對于空氣 ；T-供氣絕對溫度，單位K；r-比熱比，對于空氣r=1.41；-氣腔壓力，單位Pa；令，稱為節(jié)流壓力比，為了避免抑流現(xiàn)象，要求0.528；-流量系數(shù)，一般為0.8；但是時，下降很快。令為噴嘴的流出速度系數(shù)，取 (式3.3)則3-2式可寫為= (式3.4)3) 流出導軌間隙的流量對于從氣墊邊緣流出的氣體，可以根據(jù)長方形平行間隙中的粘性流動公式來求出。如圖3-3所示的長方形平行間隙中，設(shè)間隙為h，平行于x軸及y軸的流動之體積流量d，d d=dy (式3.5) d=dx (式3.6) 在環(huán)境壓力為、溫度為、氣體密度為的情況下，由氣墊邊緣流出的氣體流量為 = (式3.7) 對于具有n個供氣孔的長方形氣墊，根據(jù)流量連續(xù)的條件由3-4式和3-7式得： = (式3.8)對于圖3-2所示的氣墊，考慮對稱性，其一個供氣孔可得= (式3.9)利用上式可以求得導軌間隙h。4) 承載能力將氣墊間隙中的壓力p沿整個氣墊面進行積分，即可求得氣墊的承載能力。 W= (式3.10)5) 氣墊的剛度對于一個支承氣墊或總的支承氣墊，其剛度 K= (式3.11)負號表示隨著載荷的增加，間隙減小?？諝忪o壓導軌的設(shè)計目標，就是追求剛度K的絕對值為最大。并將工作中的氣墊間隙控制在對應K最大的附近，稱為最佳間隙。 設(shè)有a=b=20mm的正方形氣墊，4個環(huán)面節(jié)流孔等距配置，孔徑d=0.5mm。氣源為常溫空氣，常溫=288K,供氣壓力=5MPa，動力粘度=1.796，比熱比=1.4，空氣密度，氣體常數(shù)，流量系數(shù)=0.85 設(shè)=30Mpa時，將數(shù)據(jù)代入上面的公式，可解出承載能力 W=18.7（N） (式3.12)氣墊間隙 h=0.20mm (式3.13)氣體流量 (式3.14)因為上平臺約重100N，因此在上平臺左右各安裝3個氣浮墊片。 3.2 Y軸氣浮軸承的設(shè)計設(shè)計同理X軸的氣浮墊片設(shè)計，估x軸的設(shè)備總重約為200，因此在Y底座左右各安裝6個氣浮墊片。 第四章 定位平臺傳動部分的設(shè)計4.1 定位平臺擬采用的研究方案、研究方法或措施定位平臺擬采用X軸電機驅(qū)動滾珠絲杠，然后滾珠絲杠福帶動定位平臺運動，Y軸電機驅(qū)動滾珠絲杠，然后滾珠絲杠副帶動上平臺運動。這里最主要的是對滾珠絲杠的選型、校核；對電機的合理選型。4.2 定位平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計4.2.1 定位平臺X軸滾珠絲杠型號的確定1） 計算進給牽引力作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動件的重量和切削分力在導軌上的摩擦力。因而其數(shù)值的大小與導軌的型式有關(guān)，由于在設(shè)計中采用的是加有導軌塊的氣浮導軌導軌，所以選擇的計算公式為綜合導軌的計算公式。計算公式為： (式4.1)式中 、-切削分力（N）； -移動部件上的重量（N）； -主軸上的扭距（）； -導軌上的摩擦系數(shù)，隨導軌型式而不同； -考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù)；綜合導軌的 , ，取，式中=150 N，=0 N，G=100 N 代入計算得 (式4.2)2） 計算最大動載荷如圖4.1滾珠絲杠副圖4.1 滾珠絲杠副選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定軸向載荷作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)（106轉(zhuǎn)）后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載，用下式計算選擇： (式4.3)式中 -壽命，以10轉(zhuǎn)為一單位 -溫度系數(shù)，小于100攝氏度=1 -硬度系數(shù)，=1 -精度系數(shù)，三級精度=1 -可靠度系數(shù)，可靠度為95%，=0.62 -為運轉(zhuǎn)系數(shù)；有一般運轉(zhuǎn)時 =1.2-1.5 -絲杠轉(zhuǎn)速，用下式計算 -為最大切削力條件下的進給速度， -絲杠導程，； -為使用壽命，對于數(shù)控機床??； 初選導程=4，由任務(wù)書可知最大的速度，則,代入公式可計算得 =30 (式4.4) (式4.5) (式4.6)（3） 傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率： (式4.7)式中 -絲杠螺旋升角； -摩擦角，滾珠絲杠的滾動摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。由選用的W1L2506的滾珠死杠的相關(guān)數(shù)據(jù)可知絲杠螺旋升角代入公式計算得 (式4.8)4.2.2 定位平臺X軸滾珠絲杠校核1) 剛度的驗算先畫出此進給滾珠絲杠支承方式草圖,如圖所示.最大牽引力為578.6N,由螺母裝配總長度為75mm,絲杠螺紋長度取250mm,預計長度為410mm,絲杠螺母及軸承均進行預緊,預緊力為最大軸向負載的1/3. GJ ML圖4.2 Y向進給系統(tǒng)計算簡圖 滾珠絲杠副的軸向變行會影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性，因此應考慮以下引起軸向變形的因素：2) 絲杠的拉伸或壓縮變形量在總的變形量中占的比重較大,可以用計算方法或查圖表的方法決定，在這里我選用的是計算的方法，先用下式計算滾珠絲杠受工作負載的作用引起的導程的變化量再計算滾珠絲杠總長度上的拉伸或壓縮變形量，公式如下： 式中 -在工作負載Fm作用下引起每一導程的變化量，; -工作負載，即進給牽引力，;-滾珠絲杠的導程，; -材料彈性模數(shù)，對鋼 E=20.6,(); -滾珠絲杠截面積（按內(nèi)徑確定）.“+”號用于拉伸，“-”號用于壓縮。其中，為X向和Y向兩向中的最大值滾珠絲杠總長度上拉伸或壓縮的變形量 (式4.9)式中 -滾珠絲杠在支撐間的受力長度根據(jù)設(shè)計行程、滾珠絲剛副的最大長度、防護罩的極限距離、及軸承一半的長度，以上幾項之和確定滾珠絲杠在支撐間的受力最大長度。計算得 =0.0040 mm (式4.10)3) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形當對絲杠加有預緊力，且預緊力為軸向最大負載的1/3時，之值可減少一半；此變形可根據(jù)我所選用的滾珠絲杠在指導書中的圖4-7中查到其值為，雖然有預緊但不做減半的處理，用其查出的值。4) 支撐滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形不同類型的軸承的接觸變形量可用不同的公式計算，我選用的是角接觸球軸承則公式如下： (式4.11)式中 -軸承所受軸向載荷，； -軸承的滾動體數(shù)目； -軸承滾動體直徑，；由于其中的一些數(shù)據(jù)無法獲得準確值只能作粗略的估算，式中軸承所受軸向載荷，軸承的滾動體數(shù)目，軸承滾動體直徑代入算得 (式4.12) 。 (式4.13)這里因為滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起導程的變化量占的比重比較小忽略不計，螺母座變形及軸承座變形的變形量計算比較困難，在結(jié)構(gòu)上作了相應的處理所以也不作計算。總的變形量 = 0.0095mm (式4.14)小于要求的定位精度0.1mm合乎設(shè)計的要求。穩(wěn)定性驗算 滾珠絲杠一端為角接觸軸承固定支撐，另一端為深溝球軸承支撐，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需要進行穩(wěn)定性校核。4.2.3 定位平臺X軸電機的確定 1) 步進電機的計算與選擇選用步進電機時，必須首先根據(jù)機械設(shè)計結(jié)構(gòu)草圖計算機械傳動裝置及負載折算到電機軸上的等效慣量，分別計算各種共況條件下所需的等效力矩，再根據(jù)步進電機最大轉(zhuǎn)矩選擇合適的步進電機。2) 轉(zhuǎn)動慣量的計算(1） 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量計算 由于用步進電機則省去了齒輪的傳動比，以及齒輪的轉(zhuǎn)動慣量的計算所以只要計算絲杠本身的轉(zhuǎn)動慣量即可,絲杠導程=4mm，名義直徑=20mm,兩支撐間距L=300mm可計算出絲杠的轉(zhuǎn)動慣量，公式如下： = 0.282kg (式4.14)由于絲杠是通過聯(lián)軸器與電機直接進行連接的，所以，絲杠折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 (式4.15)(2) 工作臺折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量根據(jù)機電裝備設(shè)計課程設(shè)計指導書表4-22所示工作臺折算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量，由絲杠導程L0=4mm，工作臺重量為100N，可查出N工作臺的轉(zhuǎn)動慣量為0.688，則工作臺的折算轉(zhuǎn)動慣量為： (式4.16) (3) 絲杠傳動時傳動系折算到電機上的總的轉(zhuǎn)動慣量由于絲杠是通過聯(lián)軸器與電機直接進行連接的，所以，絲杠傳動時傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： (式4.17)在上式中沒有考慮電機轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)動慣量，根據(jù)實踐經(jīng)驗，傳動系統(tǒng)慣量和轉(zhuǎn)子慣量之間，有一個慣量匹配的問題，的比值不能太小，否則機床動態(tài)特性將主要取決于負載特性，此時不同重量和行程的各坐標的特性將有很大差別，并且很容易受切削力、摩擦力等干擾的影響。但是的比值太大，也是很不經(jīng)濟的。電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量可以查出，初選步進電機為杭州中達FHB397三相高性能混合式步進電機，電機慣量為1.32。所以=0.66，基本滿足慣量匹配要求。傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為1.9908 3) 電機的力矩的計算電機的負載力矩在各種工況下是不同的，下面分別對快速空載起時所需要的力矩、快速進給時所需要的力矩、最大切削負載時所需要的力矩等幾部分進行計算。X向電機力矩的計算快速空載起動時所需力矩