超小型IC转塔式测编一体机凸轮机构运转分析*

2014-12-05张佳佳潘晓华

电子与封装 2014年12期

芦俊，张佳佳，潘晓华

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡 214035）

1 引言

随着智能手机、网络通信、智能家电等领域对集成电路的需求持续扩大，中国集成电路（IC）产业呈持续增长的势头。早期IC封装体积较大，随着技术进步，IC封装体积大大缩小，近年来随着终端消费电子便携化的要求以及物联网、三网融合及4G网络通信技术的进一步发展，IC封装形式向着SOT、QFN、TSOP、DFN、LGA等高端超小型方向发展。随着IC产业的发展，智能手机、智能电视、平板电脑、智能家电、穿戴式设备的普及，超小型封装成为IC的发展方向，已占IC市场的80%，并将完全取代传统封装形式的IC。2013年国内IC产业的销售收入规模为2460.2亿元，其中芯片测试行业销售额收入规模为1156.4亿元，同比增长21.5%。IC产量越来越多，封装形式越来越先进，对相应测试设备提出更高要求，测试设备速度越来越高，功能越来越多，复杂程度也越来越高。

由于目前IC超小型化的发展趋势，以及IC测试产业的持续增长，亟需研发超小型IC测试专用设备来满足超小型IC测试市场的需要。转塔式IC测试打标检查编带一体机（简称转塔机）用于对超小型封装形式的IC如QFN、DFN、SOP、SOT等进行电信号测试、打印标识、外观检查和分选编带[1]。转塔机具有技术性能先进、功能集成度高、稳定性高、测试效率高的特点，大大提高了IC测试速度、降低其测试成本，是未来高端IC测试设备发展的趋势。

转塔机端面凸轮高速旋转机构是转塔机实现高生产效率的关键机构，通过端面凸轮下压机构的下压、上抬运动实现IC拾取，凸轮下压机构的运行速度和稳定性决定了转塔机的性能。现有中国电科第58所研制的CB-11系列QSOP24转塔机的端面凸轮下压机构采用正弦加速度凸轮，完成一个下压上抬工作循环最快需要46~50 ms，其中下压上抬时间各为23~25 ms，但如果提升电机转速，将下压上抬时间各缩短到20 ms，就会有冲击噪声产生，加剧凸轮的磨损。因而端面凸轮机构的合理设计以减小下压上抬所需时间，对提高超小型IC生产效率和自动化程度起到重要作用。

2 端面凸轮机构

转塔机端面凸轮下压机构由连接在伺服电机输出轴上的端面凸轮和固定在下压块上的随动轴承组成，其中下压块和机座通过线性导轨和弹簧连接，下压块可沿线性导轨做上下滑动。具体工作原理如下：在弹簧预紧力的作用下随动轴承与端面凸轮的端面保持接触，伺服电机带动端面凸轮旋转，在随动轴承与端面凸轮接触力的作用下，下压块克服弹簧阻力下移，即固定在下压块上的顶杆下移，同时弹簧产生压缩。随后端面凸轮回转，下压块在弹簧弹力的作用下上升。

转塔机的端面凸轮下压机构见图1。其中端面凸轮最小半径5.5 mm ，滚子宽度2 mm，升程5.5 mm；随动轴承半径3 mm；弹簧刚度系数0.63 N/mm。

图1 转塔机端面凸轮下压机构

3 仿真分析

3.1 接触定义

使用Solidworks软件建立端面凸轮下压机构的三维模型并导入ADAMS，添加运动副和接触[2]。

ADAMS软件采用基于碰撞函数的接触算法[3~4]，接触力由两部分组成：一个是由两个构件之间相互切入而产生的弹性力，另一个是由相对速度产生的阻尼力。

接触力的公式为F=kde+Cvi。式中k为刚度值，取决于碰撞物体的材料和结构形状，通常取默认值1×105；d为施加全阻尼时的边界穿透量，合适值为0.1 mm；e为力的变形特征指数，金属与金属材料接触取1.5；C为阻尼系数，通常取刚度值的0.1%~1%；vi为相对于位移的碰撞速度。

根据ADAMS默认值取k=100 000 N/mm，取阻尼系数C= 50 Ns-1/mm，e= 1.5，穿透深度d= 0.1 mm。并取动摩擦系数μd= 0.05，静摩擦系数μs= 0.08。

3.2 凸轮运动参数的确定

定义端面凸轮与随动轴承的接触后，再确定端面凸轮的运动参数。一般设计中，默认端面凸轮为匀速运动，而本文中的转塔机端面凸轮下压机构的下压和上抬运动受伺服电机控制，以实现间歇性往复运动，设计端面凸轮下压机构的下压时间20 ms，上抬时间20 ms，其速度曲线如图2所示。

在ADAMS中用IF函数描述端面凸轮的加速度曲线，IF函数为判断函数，可嵌套使用。端面凸轮的加速度函数如下：

if(time-0.01:2040000d,2040000d,if(time-0.02:-2040000d,-2040000d,if(time-0.03:-2040000d,-2040000d,2040000d)))。

图2 端面凸轮的速度曲线

3.3 仿真比较

推杆的运动规律是指推杆的位移s、速度v和加速度a随时间t变化的规律。当凸轮匀速转动时，推杆常用运动规律有等速运动、等加速运动、余弦加速度、正弦加速度，其中正弦加速度凸轮的加速度从零开始增大，没有突变，适用于高速场合。凸轮机构中推杆运动规律的选择关系到凸轮机构的工作质量。凸轮机构的形式、有关基本尺寸确定后，根据选定推杆的运动规律设计出凸轮应有的轮廓尺寸[5~6]。

考虑到本转塔机使用等加速凸轮，以及正弦加速度凸轮良好的动力学特性，故采用ADAMS软件对推杆运动规律为等加速和正弦加速度的端面凸轮下压机构进行仿真分析，研究端面凸轮高速转动时凸轮下压机构的运动学动力学特性。取仿真时间40 ms，步数4000步。

3.3.1 等加速运动规律

图3 等加速运动规律端面凸轮

图4 等加速运动规律速度、加速度曲线

图5 等加速运动规律位移、接触力曲线

建立等加速运动规律端面凸轮下压机构的三维模型，导入ADAMS，设置参数后先进行静平衡分析，再进行仿真，结果如图4、图5所示。由图可知等加速运动规律的端面凸轮机构加速度最大值为9.98×105mm/s2，碰撞力最大值为35.07 N，且在0.03 s左右即下压块上抬阶段，接触力等于0，说明随动轴承和凸轮脱离，之后接触力迅速增大，有振动噪声产生。

3.3.2 正弦加速度运动规律

图6 正弦加速度运动规律端面凸轮

建立正弦加速度运动规律端面凸轮下压机构的三维模型，导入ADAMS，设置参数后先进行静平衡分析，再进行仿真，结果如图7、图8所示。

图7 正弦加速度运动规律速度、加速度曲线

由图可知正弦加速度运动规律的端面凸轮机构加速度最大值为7.78×105mm/s2，碰撞力最大值为30.71 N，且运动过程中端面凸轮和随动轴承始终保持接触。

图8 正弦加速度运动规律位移、接触力曲线

对比可知，当端面凸轮的转速曲线为三角波时，仿真得到的正弦加速度运动规律的端面凸轮下压机构力曲线优于等加速运动规律凸轮的曲线，即最大加速度小、碰撞力较小，且没有冲击噪声，故本转塔机设计采用正弦加速度运动规律的端面凸轮。

为验证仿真结果的准确性，将CB-11系列转塔机的等加速运动规律端面凸轮替换为正弦加速度运动规律端面凸轮，在相同条件下进行试验，正弦加速度运动规律的端面凸轮下压机构完成一个下压上抬工作循环最快需要42~44 ms，其中下压上抬时间各为21~22 ms，和仿真结果有细微差异，这主要由端面凸轮的加工精度造成，但比等加速端面凸轮机构更快更平稳，能够实现转塔机的高效稳定运行。