基于ANSYS 的LED 粘片机偏心轴的设计与分析

施 健，武美萍，范中廷

(江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122)

0 引言

目前国内LED 行业发展迅速，LED 被广泛的应用在汽车、家电、工业设备、装饰、照明等行业中，已经形成了一个规模庞大且潜力巨大的市场。而国内LED的大规模生产及运用，必然驱动LED 芯片封装设备的成长，LED 芯片封装设备的巨大需求引起了国内外半导体设备生产商的积极响应。LED 芯片粘片机既是半导体照明器件的关键生产设备又是电子元器件生产设备，得到国家在半导体照明与重大装备两方面战略性的长期双重支持和优惠［1］。

LED 芯片粘片机是一种用于LED(发光二极管)生产中进行芯片与引线框架粘接的自动化设备，是LED 自动化生产线上必备的关键设备之一，其主要作用就是把LED 晶粒高效精确地粘接到封装基板或支架上，粘接的精度直接影响LED 的亮度、发光效率、可靠性等重要指标。目前国内也有一些专家学者对LED粘片机的固晶臂进行了研究，却忽视了其他结构的分析必要性，由于目前国内固晶机速度较低，可能对整体的设计没有多大影响，但如果是高速度高精度的LED粘片机，那就会放大无数倍。因此，对LED 固晶机的研究对加快LED 产业发展具有重要意义［2］。

1 LED 键合机点浆机构的结构组成及工作原理

点浆结构是粘片机的关键部件，其功能是从匀浆盘粘取银浆，通过点浆臂旋转放置在引线框架的装载杯中，为芯片粘结做准备。该装置需要精确、快速、平稳地往返于取浆和点浆两个位置，具有高速度、高精度、运动曲线复杂等特点。如图1 所示，为LED 粘片机的工作流程。

图1 LED 粘片机工作流程

LED 粘片机点浆装置的具体组成部分如图2 所示。

图2 LED 粘片机点浆装置

工作原理:在匀浆盘注入银浆;利用视觉定位，通过工作台进给机构把引线框运送到点胶工作区;利用电机驱动(旋转运动通过偏心轴转换成上下运动)把点浆机构提升至最高点;旋转点浆臂至匀浆盘蘸浆区;驱动上下电机，点浆臂进行蘸浆(需打开气动装置吸取银浆);驱动上下电机，提升点浆机构;旋转点浆臂，利用视觉定位至芯片蘸浆区;驱动上下电机，完成点浆工作(需打开气动装置)。观察点浆整个工作流程，不难发现偏心轴是保证机构高效运行的关键部件，偏心轴的静力学特性和动态特性的好坏将直接影响设备的正常工作。利用solidworks 强大的三围设计功能，完成点浆结构的模型设计，如图3 所示。

图3 点浆装置整体结构图

2 偏心轴尺寸参数确定

由于点浆结构对运动速度要求较高，因而要求其在短时间内达到高速度，需要很大的加速度，传统的直线加减速曲线存在速度与加速度的突变，容易引起设备共振或破坏，因此本文采用了五次多项式的加减速控制曲线(速度及加速度变化平缓，无突变)［3-4］。

式中:s(t)为位移函数;xm为系统规定的位移(可以是直线位移也可以是角位移);t为运行的时间;tm为系统总的运行时间;a1～a5为假定参数。由运动学知识，可得

式中:v(t)为速度函数;a(t)为加速度函数;j(t)为加加速度函数。

通过边界条件拟合，最终得到的伺服电机旋转角位移时间曲线方程如下:

该运动方程为伺服电机的旋转位移曲线，通过偏心轴及其他附属机构完成角位移与线位移的转换。如图4 所示是偏心轴运动分析简图。

图4 运动分析简图

如图4a 所示，偏心轴上下方向的行程为S，偏心段初始位置的角度为a，偏心轴的偏心距为e，他们存在一个关系式cosa = S/2e，xm =π-2a。

假设偏心轴运转时间t，则偏心轴转过的角度可以通过方程(2)来求出，进而通过三角函数转换，得到t时刻，偏心轴竖直方向的位移，具体计算过程如下所示:

假设t时刻偏心轴转过的角度为b，通过三角函数转换得出线段c = e* cos(a + b)，因此t时刻竖直方向的位移为

将方程(2)代入方程(3)，可以得到点浆结构竖直方向的位移时间曲线:

点浆结构的运动周期为30ms，上下的最大位移为9mm，代入方程(4)，得到竖直位移关于时间t和偏心距e(受尺寸限制，e的取值在4.5mm 到10mm 之间)的方程。

通过mathematic 软件，得出偏心轴竖直方向上的位移曲线，速度曲线及加速度曲线，如图5 所示。

图5 含变量e 和t 的曲线

由图5，可以看出e的取值越大，峰值加速度值就越小，这样提供的力也就越小，因此选取偏心距e=10mm，此时最大的加速度值及转过的角位移值为:amax= 58.4m/s2，b =4.98°。

如此确定了偏心轴的结构，主要尺寸:总长83mm，偏心距为10mm。第一段轴长28mm，直径8mm;第二段轴长29mm，直径10mm;第三段轴长3mm，直径13.5mm;第四段轴长5mm，直径33mm;第五段轴长5mm，直径12mm;最左端轴长13mm，直径为10mm。

图6 偏心轴结构模型

3 偏心轴的有限元分析

3.1 偏心轴的静力学分析

将偏心轴三维模型导入到Ansys14.0 中，材料选用经调质处理后的45 钢，其弹性模量为205GPa，泊松比为0.29，密度为7850kg/m3，选用计算和求解精度较高的高阶三维20 节点固体结构实体单元solid186，使用智能网格划分直接建立偏心轴的有限元模型(将圆角、小孔等结构进行删除处理，保证计算能高效运行)，最终有限元模型产生的节点数为78592，单元数为50211，如图7 所示，为偏心轴的有限元模型［5］。

图7 偏心轴有限元模型

对模型加载，从偏心轴的运动方程可以得出偏心轴运动的最大加速度，大小为amax=58.4m/s2，负载约为2kg。由物理学知识和设备结构组成了解到，同样大小的峰值加速度下，上升过程中的偏心轴受到更大的压力，因而可能产生破坏。因此，对此状态下的偏心轴进行静力学分析，得到的结果会更为真实。计算得到偏心轴的最大应力值大小136.8N，而此时偏心轴旋转的角度为68°，因而确定了施力点的位置。

图8 静力学分析结果

观察图8，发现偏心轴最容易破坏的点在轴肩衔接的地方，与实际情况相符，最大应力大小为37.7MPa，远小于材料的强度值，因此设计较为安全。在正常加工的时候，为减小结构应力集中，可以在轴肩衔接处增加圆角。

3.2 偏心轴的模态分析

偏心轴在正常工作时是利用轴承支撑的，以往在分析此类部件的振型和固有频率时，使用刚性约束，这样就带来了分析误差。为避免上述情况，得到比较准确的偏心轴的动态特性，在分析设置的时候，利用4 个轴向均匀分布的压缩弹簧来模拟轴承的约束，替代传统的刚性约束分析。选用ANSYS14.0 的弹性阻尼单元Combin14 来模拟轴承，弹簧的刚度即为轴承的径向刚度。对弹簧与偏心轴相连的节点进行轴向位移约束，对另一端施加完全约束，得到弹性约束下的偏心轴有限元模型。如图9 和图10 所示，分别为轴承对轴的约束模型和弹性约束下的偏心轴有限元模型［6-7］。

图9 轴承对轴的约束模型

图10 弹性约束下的偏心轴有限元模型

模态动力分析是查看部件的固有属性，与受载荷的大小无关，因此可以忽略载荷对偏心轴分析的影响。利用ANSYS14.0 模态分析模块中的分块法，进行模态分析。一般机械结构的振动是通过每一阶结构固有振型的线性组合表示，而结构低阶固有振型对结构本身的振动影响较为明显，因此结构本身的低阶固有振型对结构本身的动态特性起决定作用。在提取结构固有频率和振型的时候，只需要提取结构前几阶固有频率及振型即可。根据偏心轴模态分析结果，本文提取了偏心轴的前6 阶固有频率和振型(如表1 和图11)进行分析，并通过公式n =60f，求解偏心轴的临界转速，式中f为频率，单位Hz。

表1 刚性约束下各阶频率及振型描述

图11 偏心轴各阶振型

根据偏心轴的运动方程，得到偏心轴的峰值转速为1860r/min，而由表1 可知，偏心轴的1 阶固有频率为5527.1Hz，根据临界转速计算公式n=60f，得到偏心轴的一阶临界转速大小为331626r/min。不难发现，偏心轴的工作转速远远避开了其一阶临界转速，不会有共振情况的发生。而依据上述分析结果，在设备条件允许的情况下，可以适当的提高偏心轴的工作速度，提高生产效率。此外，观察图11 可知，偏心轴在1 阶和2 阶的振型都是第二节直径末段在平面内的来回摆动，在设计偏心轴结构的时候考虑添加倒角，以减小应力集中;偏心段的摆动也比较明显，可考虑适当增加偏心段的刚度，可以采用加大直径的方法［8］。

通过对偏心轴的模态分析，可以发现发生疲劳失效的危险段，为结构的改良提供参考，为后续的谐响应和瞬态分析提供了理论依据。

4 结论

点浆机构是一种高速运动装置，要求有较高的定位精度和运动精度，而偏心轴作为其关键零部件，其结构参数对键合机的整体性能有重要的影响，因此必须对偏心轴的静力学性能和动力学性能给予更高的关注。

本文将CAD(计算机辅助设计)及CAE(计算机辅助分析)技术融入传统的机械结构设计中，综合应用多种先进技术与方法:

(1)通过mathematica 软件实现偏心轴运动曲线的规划设计、偏心轴的关键尺寸设计;

(2)通过ANSYS 软件对偏心轴进行有限元分析，确定强度是否满足设计需求;

(3)通过ANSYS 软件模拟偏心轴的实际约束情况，得到偏心轴的固有频率及振型，确定偏心轴的安全工作速度及良好的动力学性能。

运用以上设计方法有效的提高了设计效率和质量，缩短了设计周期。另外，本文提出的从运动曲线拟合到结构设计，到有限元分析验证的设计建模方法，可以运用到各类高速运动的机电产品设计领域，具有较高的理论及工程应用价值。

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［8］施健，武美萍，刘静.LED 粘片机偏心轴的模态分析［J］.机械制造，2013(4):1 -3.