120t塑封压机连杆升降机构受力分析

汪祥国

（铜陵市三佳电子集团有限责任公司，安徽 铜陵 244000）

0 引 言

120 t 压机是一种用于对电子元器件进行热固性塑料封装的压力机，是半导体产业后道工序的关键设备之一。它主要由上模座、活动台板、连杆升降机构和立柱等组成。塑料封装工艺在模具中完成，模具的上、下模分别安装在上模座和活动台板上。120 t 压机的工作原理是，伺服电机通过减速器、同步带轮，驱动滚珠丝杆、连杆升降机构，从而驱动活动工作台上下运动，使上固定座和升降工作台之间的模具受压，从而起到封压的作用。由此可知，连杆升降机构驱动模具的合模与开模，是主要受力零件，因此了解设备运行过程中连杆升降机构的最大受力状况以及伺服电机提供的扭矩十分重要。

1 建立物理模型，作连杆机构受力简图并分析计算

1.1 建立120 t 压机物理模型

图1 120 t 压机结构简图

图1 为120 t 压机结构简图，也是其理论模型。从图中可以看出，连杆5、6、7 和升降座8 组成连杆升降机构，左右对称分布。该升降机构由伺服电机通过减速器13、小同步带轮14、同步带11、大同步带轮10 和滚珠丝杆9驱动作上下运动，进而驱动活动台板4 作上下合模与开模运动。

1.2 各组成构件受力分析

为了简化物体受力分析过程，这里不考虑重力和忽略运动副摩擦力，各组成构件受力情况如图2 所示。考虑连杆升降机构左右对称分布，以左侧连杆升降机构作为研究对象，如图2（a）所示，当滚珠丝杆转动驱动升降座作上下运动时，连杆升降机构运动角度随之发生变化，图中L 距离随之加大或减小。

1）以活动台板为研究对象分析其受力情况。

从图1 可以看出，活动台板4 由左右对称的连杆5推动沿导轨上下运动，以活动台板为研究对象作其受力分析图，如图2（b）。它所受的主动力有合模力F，连杆EC（连杆5）和连杆E′C′向上的推力SE，以及左右导轨支撑力N，取坐标系如图2（b）所示，列平衡方程得：

连杆5 是二力杆，它受到连杆6 的作用力SE以及它对连杆6 的反作用力S′E，它们大小相等方向相反，且通过铰链E、C 的连线，如图2（c）。

同理，连杆7 也是二力杆，如图2（e）所示，它受到连杆6 的作用力S′D以及它对连杆6 的反作用力SD，大小相等方向相反，且通过铰链B、D 的连线。

2）以连杆6 为研究对象分析其受力情况。

连杆6 受力分析图如图2（d）所示。从图中可以看出，连杆6 以铰链A 为中心作一定角度的摆动，在铰链B 和C 处分别受到连杆5、连杆7 的作用力S′E和SD，根据力矩平衡原理得：

图2 连杆升降机构受力简图

式中，AB、AC 为铰链之间的距离，SB、SC分别为SD和SE′在AB、AC 上的垂直分力。

3）以升降座为研究对象，求滚珠丝杆轴向力ST。

以升降座为研究对象，作升降座受力分析图，如图2（f）所示。它所受的主动力有左右对称的连杆7 作用力S′D，左右导轨的支撑力N1和滚珠丝杆向上的推力即轴向力ST。取坐标系如图2（f）所示，列平衡方程得：

4）应用计算，求滚珠丝杆轴向力ST。

滚珠丝杆转动驱动升降座上升，进而驱动连杆机构上升合模位置并不断加压，当合模压力F最大达120 t 时，AE之间的距离 L=283.32，如 图3 所示，由于连杆5、连杆6、连杆7 尺寸一定，铰链D 到铰链AE 轴线的距离也是固定的，因此，当合模压力最大达120 t 时，α、β、θ 及δ 压力角一定。图中：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。

式中连杆7 铰链之间的距离：AB=86.1，AC=137.5。

由式（3）得滚珠丝杆轴向力

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

2 计算伺服电机扭矩，确认伺服电机功率

2.1 计算滚珠丝杆的转矩

忽略运动副摩擦力矩，滚动丝杆驱动转矩

式中：ST为滚珠丝杆轴向力，N;d 为滚珠丝杆公称直径，m；ρ′为当量摩擦角，这里丝杆螺旋运动变为直线运动，此时tanρ′=0.025，当量摩擦角ρ′=0.143 2°；ψ 为螺旋升角（°）。

式中Ph为滚珠丝杆导程。已知Ph=16 mm，d=80 mm，由式（5）得，ψ=3.642 6°，由前面计算可知，当合模压力最大F＝120 t 时：ST=38 907 N，由式（4）得滚动丝杆驱动转矩T=38 907×0.04×tan（3.642 6+0.143 2）=103 N·m。

2.2 计算伺服电机扭矩及额定功率

已知滚珠丝杆传动效率η1=tanψ/tan（ψ+ρ′）=0.96。

查机械设计手册，取同步带传动效率η2=0.95，滚动轴承传动效率η3=0.95，减速器传动效率η4=0.93。

从伺服电机到滚珠丝杆总的传动效率η=η1η2η3η4=0.8。

已知减速器传动比i1=1/5=0.2，同步带传动比i2=106.95/245.1=0.436。

伺服电机扭矩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 为电机额定功率，kW；n 为额定转速，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。

考虑安全因素，取安全系数为1.5，则伺服电机额定功率P 选择为3.5 kW。

3 结 语

120 t 力是合模时的最大吨位，根据塑封产品工艺需求，合模在2 min 以内，此时各连杆组件受力最大，其安全性已使用ABAQUS 核算过。本文通过对各组件受力分析，确认了伺服电机的功率，事实证明了3.5 kW 的额定功率完全满足设计要求。

［1］ 徐灏.机械设计手册［M］.2 版.北京：机械工业出版社，2003.

［2］ 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［3］ 刘鸿文.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，2010.