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西安文理學院機械電子工程系 本科畢業(yè)設計（論文） 題 目 基于氣浮支承引線鍵合定位平臺設計 專業(yè)班級 08級機械（2）班 學 號 08102080222 學生姓名 趙魁 指導教師 盧志偉 設計所在單位 西安文理學院 2012年5月 西安文理學院本科畢業(yè)設計（論文）任務書 題 目 基于氣浮支承引線鍵合定位平臺設計 學生姓名 趙魁 學 號 08102080222 專業(yè)班級 08機械2班 指導教師 盧志偉 職 稱 講師 教 研 室 機械 畢業(yè)設計（論文）任務與要求 任務：(1) 完成原理方案設計和結構方案設計，確定實施方案； (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計； (3)對引線鍵合定位平臺驅動裝置、傳動裝置、供氣裝置、測量等裝置進行設計； (4)完成裝配圖和零件圖。 (5)參閱相關資料，了解氣體潤滑技術以及引線鍵合定位平臺的工作原理及其發(fā)展，并查閱和收集相關資料； (6)確定設計方案，并對各部分進行設計； 要求: (1) 圖紙（幅面和張數）：A0圖紙不少于2張; (2) 外文翻譯字數：中文不少于3000字 ； (3)參考文獻篇數：中文不少于 15篇 ，英文不少于3篇 ； (4) 論文字數：不少于15000字。 畢業(yè)設計（論文）工作進程 起止時間 工作內容 2012.1.10-2012.1.17 2012.1.17-2012.2.28 2012.2.29-2012.4.15 2012.4.16-2012.5. 4 2012.5.5 -2012.5.10 2012-5.15 調研，通過查閱相關文獻和刊物，了解氣體潤滑技術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。 完成原理方案設計和結構方案設計，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計； 對引線鍵合定位平臺驅動裝置、傳動裝置、供氣裝置、測量等裝置進行設計；寫出中期報告。 完成設計圖紙，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)設計（論文）開題報告 題 目 基于氣浮支承引線鍵合定位平臺設計 學生姓名 趙魁 學 號 08102080222 專業(yè)名稱 機械設計制造及其自動化 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 隨著技術的進步和相關行業(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,管腳數量迅速增多,引線間距日益減小,定位平臺的性能已經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計”作為本次本科畢業(yè)論文的課題，既有較大的學術價值，又有廣闊的應用前景。 二、 本課題在國內外的研究狀況及發(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，并在很短的時間內達到高精度定位，要求機械結構簡單、易于控制、剛度大、慣性小、阻尼低、制造精密。涉及到的研究內容包括機構形式、支撐方式、新型材料、設計方法、精密加工技術，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。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，還具有結構簡單、質量輕便和設計靈活等優(yōu)點。因此，近年來，氣浮高性能定位平臺的目前LED及IC芯片在各個領域的應用越來越廣泛，對封裝工藝的質量及檢測技術提出了更高的要求，如何實現復雜封裝的工藝穩(wěn)定、質量保證和協(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和精密機構的控制問題已有較為深入的研究，并且已經在參數敏感度和重要性的排列方面有了共識。引線鍵合技術，作為 LED 及 IC 芯片封裝的關鍵技術之一，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,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中，鍵合絲尾長度、鍵合變形不當、鍵合位置不當等現象均可經調整溫度、壓力、超聲功率和時間等參數、換劈刀等方法進行糾正。 我國 LED 及 IC 封裝研究起步較晚，其中的關鍵技術掌握不足，缺乏工藝的數據積累，加之國外的技術封鎖，有必要深入研究各種封裝工藝，掌握其間的關鍵技術，自主研發(fā)高水平封裝設備。研究非?；钴S。引線鍵合（WB）技術，又稱球楔鍵合技術，在 IC 封裝中是應用最廣泛的鍵合方法。要求鍵合設備具有比以往更高的精度、速度、可靠性。為了達到上述要求，需要從驅動電機選擇，平臺結構設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的研究也具有重要的理論和實踐意義。 三、 主要研究內容 (1)參閱相關資料，了解氣體潤滑技術以及引線鍵合定位平臺的工作原理及其發(fā)展： (2) 完成原理方案設計和結構方案設計，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計； (4)對引線鍵合定位平臺驅動裝置、傳動裝置、供氣裝置、測量等裝置進行設計； (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系，調研和查閱相關資料，態(tài)度端正；對題目有了一定初步理解，初步設計了出了一定的方案規(guī)劃；但后面還有很多工作和內容要做，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計 學生姓名 趙魁 學 號 08102080222 專業(yè)名稱 機械設計制造及其自動化 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 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計的相關資料的學習，以及對整個設計的了解，現基本完成以下設計工作： 1 參閱相關資料，了解氣體潤滑技術以及引線鍵合定位平臺的工作原理及其發(fā)展，并查閱和收集相關資料。完成氣浮支承引線鍵合定位平臺原理方案設計和結構方案設計與分析。 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計 3 完成氣浮支承引線鍵合定位平臺原理方案設計和結構方案設計與分析。 下一步設計工作內容是設計以及相關零件的設計以及相關零件圖的繪制。對引線鍵合定位平臺驅動裝置、傳動裝置、供氣裝置、測量等裝置進行設計 指 導 教 師 意 見 1.該生能夠與指導教師經常聯系； 2.能夠完成進度要求完成相關設計； 3.清楚自己的設計內容和技術路線； 綜上所述，同意按照設計進度進行后續(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) 機械設計制造及其自動化 班 級 08機械2班 畢業(yè)設計（論文）題目 基于氣浮支承引線鍵合定位平臺設計 設計（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) 機械設計制造及其自動化 班 級 08機械2班 畢業(yè)設計（論文）題目 基于氣浮支承引線鍵合定位平臺設計 設計（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)設計（論文）答辯記錄 學生姓名 趙魁 學 號 08102080222 專業(yè)名稱 機械設計制造及其自動化 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該生畢業(yè)設計期間的表現及該專業(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（80~89分）、中等（70~79分）、及格（60~69分）、 不及格（<60分）。 基于氣浮支承引線鍵合定位平臺設計 摘要： 為滿足新一代芯片封裝設備對定位平臺性能的要求，本文旨在研究設計一種全新的高推重比直接驅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)調機電系統(tǒng)的多影響參數，使平臺在高加速度運動后，快速達到穩(wěn)定狀態(tài)。實現概念設計、詳細設計、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計方法及關鍵技術的解決方案。 為了減小定位系統(tǒng)的摩擦力及其擾動，設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，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；在此基礎上對平臺的運動穩(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計提供了一定的理論基礎。 關鍵詞: 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 bonding ABSTRACT: 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 1 1.1 選題背景 1 1.2 選題的目的與意義 1 1.3 本課題主要討論問題 2 1.4 相關研究情況 2 1.4.1機械部分相關研究情況 2 1.4.2 氣浮部分相關研究情況 3 第二章 定位平臺總體方案設計 5 2.1 定位平臺機械部分方案確定 5 2.1.1 確定方案思想 5 2.1.2 方案對比分析與確定 6 2.2 空氣靜壓導軌的方案設計 7 2.2.1確定方案思想 7 2.2.1 方案對比分析與確定 9 第三章 定位平臺氣浮導軌的設計 10 3.1 X軸氣浮導軌的設計 10 3.1.1 空氣靜壓導軌的工作原理及特點 10 3.1.1 空氣靜壓導軌氣墊的設計計算 10 3.2 Y軸氣浮軸承的設計 13 第四章 定位平臺傳動部分的設計 14 4.1 定位平臺擬采用的研究方案、研究方法或措施 14 4.2 定位平臺結構設計 14 4.2.1 定位平臺X軸滾珠絲杠型號的確定 14 4.2.2 定位平臺X軸滾珠絲杠校核 16 4.2.3 定位平臺X軸電機的確定 18 4.2.4 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計 23 5.1 定位平臺軸承的選擇 23 5.2 定位平臺聯軸器的選擇 23 第六章 檢測元件的選擇 24 第七章 結論 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迅速發(fā)展，IC（Integrated circuit）工業(yè)是當前全球經濟發(fā)展的高速增長點，也是我國國民經濟中最具活力的行業(yè)。目前，隨著我國“中國芯”產業(yè)化進程的加快，我國IC產業(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I／O引線或基板上技術布線引腳用金屬細絲連接起來的工藝技術。隨著技術的進步和相關行業(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，管教數量迅速增多，引線間距日益減小，定位平臺的性能已經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計”既有較大的學術價值，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、計算機技術和通信技術的迅速發(fā)展電子產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封裝技術也提出更高的要求，特別是引線鍵合技術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。為進一步提高質量和生產效率，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權的引線鍵合定位平臺設備的核心技術，開展基于新的驅動方式、機構形式和控制方法的新型高速、高精度定位系統(tǒng)的關鍵技術研究，是IC制造裝備中的重要研究內容之一，對促進IC制造技術的發(fā)展而加快我國IC產業(yè)化進程具有重要的意義。 1.3 本課題主要討論問題 本課題的主要內容是設計定位平臺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計，完成原理方案設計和結構方案設計，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計；對引線鍵合定位平臺的氣浮導軌進行設計；對引線鍵合定位平臺驅動裝置、傳動裝置、供氣裝置、測量等裝置進行設計。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計中關鍵是滾珠絲杠的設計選型、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計中關鍵的是進行氣浮墊片的設計。最后完成其他零件的設計，完成裝配圖及零件的的繪制，保證定位平臺的精度和質量，調整方便、簡捷。 1.4 相關研究情況 1.4.1機械部分相關研究情況 人針對芯片制造設備設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基于無摩擦驅動的概念，制造了靜壓空氣軸承支撐的伺服電機。Hammer等人設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權的引線鍵合定位平臺設備的核心技術，開展基于新的驅動方式、機構形式和控制方法的新型高速、高精度定位系統(tǒng)的關鍵技術研究。 隨著技術的進步和相關行業(yè)的發(fā)展，應用到秒引線鍵合機上的定位平臺經歷了一系列的變化。最初采用的是旋轉電機加滾珠絲杠驅動的串聯機構形形式，如日本KAIJO公司生產的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電機開始廣泛的應用到芯片封裝設備上，如美國K＆S公司生產的8028引線鍵合機，其定位平臺采用廣義并聯機構，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公司生產的FB-700引線鍵合機，鍵合速度達到16線∕秒。采用旋轉電機和直線電機混合驅動，空氣軸承和線性導軌支撐平臺，經過特殊設計，旋轉驅動構建的質心在其旋轉軸線上，實現了旋轉機構的質心驅動，消除了質心慣性力的影響。瑞士ESEC公司利用該結構研制的型號為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，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，結構簡單緊湊。Barp和Vischer利用空氣軸承設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60mm×60mm，加速度超過10g，分辨率低于100nm。 1.4.2 氣浮部分相關研究情況 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。 空氣軸承以清潔干燥的空氣作為潤滑介質，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、結構設計靈活、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，使得產品性能得到了極大的提高。但空氣軸承無標準化產品供選取，其性能受節(jié)流形式等諸多因素影響，因此，設計性能優(yōu)越的空氣軸承并不容易，需要豐富經驗和大量理論知識。 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，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和阻尼系數的方法。Karkoub 和 Elkamel指出空氣軸承內氣體壓力分布的理論模型過于簡單，所提出的神經網絡方法能更好地預測軸承內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)流式旋轉軸承的氣錘現象。Kassab研究了靜壓空氣軸承的入口處的低壓特性，對經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%以內的制造公差。 為克服空氣軸承剛度低、承載能力差等弱點，Fan 等人制造了多節(jié)流孔空氣軸承。Watanabe 等人設計了微槽軸承，即平面軸承具有淺圓形槽。Chen 和 Lin應用神經網絡的發(fā)展成果設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計，討論了影響靜壓空氣軸承性能的主要參數和制造公差。Yoshimoto設計了一種新型靜壓空氣軸承，氣膜間隙小于 1μm，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。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，可實現旋轉運動與直線運動相互轉換，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)點是摩擦系數小，傳動效率高，靈敏度高，傳動平穩(wěn)，不易產生滑行，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。噪音大，磨損較快。 2.1.2 方案對比分析與確定 綜合課程設計要求，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)設計要求精度未達到微米級別，空載轉速要求為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定位平臺結構 此數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計 2.2.1確定方案思想 空氣靜壓導軌，根據工作臺的移動量，載荷量和精度要求的不同，一般采用下圖所示的結構形式 （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，結構簡單。 缺點：零件的精度完全取決于加工設備，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量和空氣靜壓保持平衡，以維護導軌的固定間隙。其結構較簡單，零件的高精度也容易實現。 缺點：支承剛性低，故多用于載荷變化范圍不大的設備上。 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)設計要求，定位平臺上需要定位的芯片質量很小，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計 空氣靜壓導軌是將具有一定壓力的空氣經過節(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計計算 現已圖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，供氣孔的位置和數目，以及計算時坐標的設定如圖所示。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，假設導軌的間隙一定，相對運動速度U=0，間隙內 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)條件采用數值計算方法解之。流量連續(xù)條件就是設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，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，為了避免抑流現象，要求0.528； --------流量系數，一般為0.8；但是時，下降很快。 令為噴嘴的流出速度系數，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。空氣靜壓導軌的設計目標，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，流量系數=0.85 設=30Mpa時，將數據代入上面的公式，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軸氣浮軸承的設計 設計同理X軸的氣浮墊片設計，估x軸的設備總重約為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 定位平臺結構設計 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。因而其數值的大小與導軌的型式有關，由于在設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，隨導軌型式而不同； ---考慮顛復力矩影響的實驗系數； 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100萬轉（106轉）后，在它的滾道上不產生點蝕現象。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轉為一單位 ---溫度系數，小于100攝氏度=1 ---硬度系數，=1 ---精度系數，三級精度=1 ---可靠度系數，可靠度為95%，=0.62 ---為運轉系數；有一般運轉時 =1.2-1.5 ---絲杠轉速，，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，，對于數控機床??； 初選導程=4，由任務書可知最大的速度，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，其摩擦角約等于。 由選用的W1L2506的滾珠死杠的相關數據可知絲杠螺旋升角 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. G J M L 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，對鋼 E=20.6,(); ---滾珠絲杠截面積（按內徑確定）. “+”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 根據設計行程、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，； ---軸承的滾動體數目； ---軸承滾動體直徑，； 由于其中的一些數據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，在結構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，不會產生失穩(wěn)現象，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，必須首先根據機械設計結構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，再根據步進電機最大轉矩選擇合適的步進電機。 2) 轉動慣量的計算 (1） 絲杠的轉動慣量計算 由于用步進電機則省去了齒輪的傳動比，以及齒輪的轉動慣量的計算所以只要計算絲杠本身的轉動慣量即可,絲杠導程=4mm，名義直徑=20mm,兩支撐間距L=300mm可計算出絲杠的轉動慣量，公式如下： = 0.282kg (式4.14) 由于絲杠是通過聯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動慣量 (式4.15) (2) 工作臺折算到絲杠上的轉動慣量 根據《機電裝備設計課程設計指導書》表4-22所示工作臺折算到絲杠軸上的轉動慣量，由絲杠導程L0=4mm，工作臺重量為100N，可查出N工作臺的轉動慣量為0.688，則工作臺的折算轉動慣量為： (式4.16) (3) 絲杠傳動時傳動系折算到電機上的總的轉動慣量 由于絲杠是通過聯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動慣量為： (式4.17) 在上式中沒有考慮電機轉子本身的轉動慣量，，根據實踐經驗，傳動系統(tǒng)慣量和轉子慣量之間，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，也是很不經濟的。 電機轉子的轉動慣量可以查出，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