I C編帶機雙擺桿取料機構的設計與研究

任曉慶

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

編帶機是集成電路后封裝工藝線上的主要設備，市場需求量大，近年來，進口設備以其良好的性能基本壟斷著較大規模生產線的市場，但因其價格昂貴，維修不便等原因，限制該設備更大規模的引進和我國集成電路行業的進一步發展。因此，國內各集成電路后封裝生產線迫切希望有能代替進口設備，有優良性能的國產設備問世。

近年來，在國家大力發展信息產業方針的引導下，北京、上海、深圳等地引進了一批較為先進的IC生產線，進口的IC封裝和編帶設備占據統治地位，價格約為12～15萬美金。中國微電子產業進入了蓬勃發展的新時期，我國IC產業的崛起已成定勢。研制開發滿足先進IC生產線能代替進口設備、具有滿足我國生產線需求的全自動多功能的編帶包裝機刻不容緩。

在這種形式下，中國電子集團公司第四十五研究所承擔了研制各項性能指標達到國際先進水平的生產效率為2只/秒的全自動IC編帶機。

IC編帶機是集成電路后封裝工藝線上的主要設備，它的主要用途是適用于大批量SOL（Small Outline L-Leaded Package）、SOP （Small Outline Package）、SOJ （Small Outline J-Leaded Package）、VSOP（ Very Small Outline Package）和 PLCC（Plastic Leaded Clip Carrier）等集成電路的最終封裝。該機工作流程和工作原理如圖1所示。

圖1 料、料管條、凹殼帶以及編帶成品示意圖

將IC料由手工裝入IC料管條中，把IC料管條放入上料機構的料架上經真空吸料機構吸取IC放入編帶導軌上的IC凹殼帶中，通過CCD自動識別，識別正品與廢品，檢測其表面印字的有無、印字的正反以及引線管腳的好壞，廢品經排廢機構排除，正品放入編帶導軌上的IC凹殼帶，并覆蓋膜帶熱封，完成IC集成電路或SMD（Surface Mount Device）全自動編帶。

目前國內外IC編帶機的主要特點可分為以下三類：

第一類：普通手動型。該類設備成本低，利潤薄，主要用于部分小企業，國內同類設備品種有二十多種。

第二類：簡單自動型。該類設備自動化程度明顯提高，工作效率極高，但無法適應后封裝行業成品率要求極高的IC封裝，而香港、臺灣地區等產品或開發裝置大多售價在20萬～30萬元人民幣，國內同類設備有十來種。

第三類：先進自動型。該類產品目前國內尚未獲悉有關研制情況，僅有中國電子科技集團公司第四十五研究所所于2000年成功研發了生產效率達1只/s的全自動IC編帶機，在國內較為先進，但其上料速度已跟不上自動化的需要。

IC編帶機的結構示意圖如圖2所示。

圖2 IC編帶機結構示意圖

IC編帶機主要由料條提架、夾料傳送機構、滑道機構、擺桿取料機構、承片臺、編帶軌道機構、收帶機構以及操作系統和電氣控制系統等組成。

其中IC編帶機的擺桿取料機構的主要功能是：當料條提架上的料由夾料傳送機構送到滑道機構上，通過擺桿取料機構擺桿周而復始地擺動實現把IC料從上料滑道機構送到編帶軌道機構的取放料。

根據IC編帶機結構的各部分分析得出，一方面要保證設備的自動化程度，另一方面要提高設備的生產效率，增加IC編帶機的一次取料數量將對提高設備的生產效率極為關鍵。

1 雙擺桿取料機構設計

1.1 采用雙擺桿機構的理由

目前，在國內后封裝生產線上，一方面要保證設備的自動化程度，另一方面要提高設備的生產效率，增加IC編帶機的取料頻率將對提高設備的生產效率極為關鍵。

通過上述對國內外IC編帶機取料機構的研究和分析，可知采用擺桿機構比較成熟，另外與凸輪機構相比也比較簡單。同時，擺桿機構好調整，吸頭也好控制，在整個設備中好布置。在不增加過多機構的條件下，采用雙擺桿取料機構增加IC編帶機的取料頻率，可提高整機的生產效率和保持其運動的可靠性。這樣，在保證滑道和編帶導軌相同的情況下，同樣電機的驅動，雙擺桿取料機構比單擺桿取料機構快。因此，采用雙擺桿取料機構對提高IC編帶機的效率，實現2只/s的目標具有重要意義。

按照IC編帶機的編帶工作流程，所設計的雙擺桿取料機構必須滿足的動作是：當35°上料滑道機構的吸口檢測有料時，雙擺桿取料機構必須能準確地把在滑道某一固定位置的IC料，取放到編帶軌道機構的某一固定位置。要求機構運動準確，傳動平穩。

1.2 雙擺桿機構的傳動系統設計

雙擺桿取料機構采用同步帶傳動。其優點是：在同樣的張緊力下，同步帶傳動較其他傳動形式能產生更大的摩擦力，并且允許的傳動比較大，結構較緊湊，同時同步帶已標準化并大量生產。因此，可保證傳動平穩、準確到位。雙擺桿機構的傳動方式如圖3所示。

圖3 雙擺桿取料機構傳動系統圖

雙擺桿機構采用電機驅動，電機的轉速為n=3000 r/min，連接在連桿2上的取料電機實現正反轉工作，當電機工作時，擺桿1擺動，連接在連桿2、連桿3和連桿4轉軸上的同步帶輪同步轉動，帶動擺桿1在擺動的同時圍繞轉軸7平動，同時帶動擺桿2在高于擺桿1所在平面內做擺動，連接在擺桿1和擺桿2下方的吸頭1和吸頭2的真空發生器觸發信號有料時，IC呈吸附狀態，反之，吸頭無IC。通過擺桿的擺動實現把IC料從上料滑道機構到編帶軌道機構的取放料任務。

當滑道系統入口檢測無IC時，擺桿取料機構中的擋料氣缸伸出，此時，擺桿座與料管條平行，擺桿機構開始擺動，使擺桿1擺到與滑道機構垂直位置，此時吸頭1吸上滑道口處檢測到的IC料，而擺桿2此時擺到承片臺垂直上方，吸頭2吸取承片臺上的IC料。擺桿機構繼續擺動，當擺桿1擺到承片臺垂直上方時，吸頭1把吸附的IC料放到承片臺上，此時，擺桿2擺到編帶導軌機構上IC殼帶的凹殼位置，吸頭2把吸附的IC料放入IC殼帶的凹殼中，放有IC料的料殼帶在編帶軌道機構上，擺桿機構中的擺桿1和擺桿2如此周而復始連續擺動360°，采用電機實現正反轉，并通過發生器發信號，實現IC的吸附和取放料。

1.3 雙擺桿取料機構的整體尺寸設計

按照連桿機構運動所必須滿足的尺寸要求和IC編帶機其他機構的安裝位置，雙擺桿取料機構的設計如圖4所示，可利用Grashof條件來驗證該設計尺寸。

Grashof條件是用來預測四桿機構可轉性的一個非常簡單的關系式：

設S為最短構件的長度；L為最長構件的長度；P為其余構件之一的長度；Q為其余另一構件的長度。

如果有：

則該連桿機構是Grashof機構，且至少有一個構件相對機架平面能夠整周轉動。同時也是保證鉸鏈四桿機構有曲柄的條件。

該機構由于擺桿1和擺桿2在各自平面內做平面運動，故可以把該雙擺桿取料機構化為兩個四桿機構。

圖4 雙擺桿取料機構整體尺寸圖

擺桿1所在左半部分相當于一個四桿曲柄滑塊機構，該機構示意圖如圖5所示。

按Grashof條件對其尺寸設計驗證符合條件。擺桿2所在右半部分為一四桿機構，即平行四邊形機構，如圖6所示。

按Grashof條件驗證，符合條件。

圖5 擺桿1所在連桿機構示意圖

圖6 擺桿2所在連桿機構示意圖

該機構設計尺寸滿足工作要求。由此以來，原來一個擺桿送取料，必須轉-35°和35°，即必須擺動夾角為70°，現在雙擺桿結構就擺桿1而言，只需從位置1擺到位置2，即擺動夾角為35°，這樣就比單擺桿機構節省一半送取料時間，從而提高了生產效率，實現IC編帶機2只/s的要求。

1.4 雙擺桿取料機構運動軌跡及干涉檢驗

1.4.1 建立雙擺桿取料機構模型

本文所采用的工具是ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems） 軟件,它是世界上應用最廣泛且最具有權威性的機械系統運動學和動力學仿真分析軟件，它的ADAMS/View模塊是ADAMS系列產品的核心模塊之一，是一個強大的建摸和仿真應用環境。

根據雙擺桿取料機構的傳動系統設計和結構設計，對雙擺桿取料機構進行簡化處理：

（1）所有的連桿和擺桿都用連桿代替；（2）連桿和擺桿的質量最小化；

（3）不考慮吸頭部分連桿的長度；

（4）在實際設計中為了增加擺桿1的強度，在其后面開一長槽，保證件7始終在槽內滑動，在建摸時為了方便和直觀，把擺桿1上部設計成通孔長槽，為了保證真實性，其尺寸與直線導軌的行程一致。

利用ADAMS的ADAMS/View模塊，創建擺桿、連桿即 part2、part3、part4、part5、part6和 part11和參考固定件ground共7個構件，其中6個活動構件，創建約束為轉動副、移動副和平面副等低副，沒有高副，并且設置3個轉動副為驅動運動副。

利用ADAMS軟件中ADAMS/View模塊建立雙擺桿取料機構模型，如圖7所示。

雙擺桿取料機構模型共建7個Part，見表1。

圖7 雙擺桿取料機構模型

表1 雙擺桿取料機構模型

利用ADAMS軟件中ADAMS/View模塊所具有的自檢功能對所建雙擺桿取料機構模型即圖7所示雙擺桿取料機構模型進行自檢，檢驗其模型的正確性和合理性，自檢結果如表2所示。

表2 模型自檢信息

從表2顯示結果表明，所建立雙擺桿取料機構模型成功。

1.4.2 對模型進行運動軌跡分析和干涉檢驗

利用ADAMS軟件對雙擺桿取料機構摸型進行運動軌跡仿真，在6.1 s末仿真結果如圖8所示。

圖8 在6.1 s末仿真結果

由圖8可以看出擺桿1的頭已與轉軸7（在圖中轉軸7正好被擺桿2擋住）相碰，也就是說，此時，擺桿1的開槽口上端正好與轉軸7相切，當連桿2繼續轉動時，要求擺桿1的開槽口上端能繼續下行，但此時無論連桿2怎樣擺動，擺桿1都處于動態靜止狀態，這樣擺桿1的運行狀態不能滿足2只/s全自動IC編帶機對雙擺桿取料機構的要求，因此需要重新考慮擺桿1的尺寸長度。

研究摸型各結構點坐標值，并結合雙擺桿取料機構模型來看，擺桿1的長度就是POINT＿13結構點的Loc＿Y值，即100.00 mm，如表3所示。

由表3可知，要改變POINT＿13結構點的Loc＿Y值，需要重新確定POINT＿13結構點在當前坐標系中的位置。于是考慮圖8在6.1 s末仿真結果，連桿2繼續轉動時，只要能轉過270°角的位置，擺桿1也能跟隨其一起擺動，那么，在整個擺動周期里，擺桿1的長度就沒有任何問題。經過估算，將擺桿1的長度增加20 mm，應該足夠了。即把 POINT＿13結構點的 Loc＿Y值改為120 mm，改動后結構點的坐標如表4所示。

表3 摸型各結構點坐標值

表4 改后摸型各結構點坐標值

將擺桿1的長度100 mm改為120 mm后，對該模型再次進行仿真，作一個周期內的機構運動仿真分析，保證擺桿1和擺桿2轉1周，仿真時間為12 s，仿真節奏按150步計算。仿真動畫的屏幕圖像如圖9所示。

圖9 擺桿取料機構模型在1個周期運動軌跡仿真動畫截圖

由運動軌跡仿真分析動畫可以看出該雙擺桿取料機構模型運行1個周期，即360°一周各個時期的擺桿1和擺桿2位置情況，擺桿1在各個時期運動均滿足運動要求，由此可以確認擺桿1長度為120 mm可以滿足整個運動要求。至此，雙擺桿取料機構的各個連桿和擺桿的尺寸設計均能滿足2只/s全自動IC編帶機對雙擺桿取料機構的運動要求，整個雙擺桿取料機構的尺寸設計完成。

還可以看出圖9（b）狀態即為擺桿1此時與初始位置時夾角為35°的狀態，可以確認模型滿足設計要求，該機構的運動軌跡也符合IC編帶機對雙擺桿取料機構的要求。

2 雙擺桿取料機構運動分析

2.1 對機構進行運動分析的必要性

在雙擺桿取料機構中要求雙擺桿取料機構的擺桿在取料時接近于等速運動，以保證準確吸料；而擺桿的放料行程則要求快速下降釋放，以提高生產效率。為了了解所設計的雙擺桿取料機構是否滿足這些要求，就需要對雙擺桿取料機構進行速度、加速度等運動學分析。

2.2 位移分析

利用運動學分析理論知識和ADAMS軟件的后處理模塊ADAMS/Processor的自動處理功能，根據建立的雙擺桿取料機構的模型，繪制出雙擺桿取料機構的擺桿1和擺桿2的位移曲線圖，見圖10。

圖10 擺桿1和擺桿2的位移曲線圖

由圖10可以看出擺桿1和擺桿2的位移變化基本一致，這保證了兩擺桿的擺動一致性和整個雙擺桿取料機構的平穩性。

2.3 角速度分析

利用運動學分析理論知識和ADAMS軟件的后處理模塊ADAMS/Processor的自動處理功能，根據建立的雙擺桿取料機構的模型，繪制出雙擺桿取料機構的擺桿1和擺桿2的角速度曲線圖，見圖11。

圖11 擺桿1和擺桿2的角速度曲線圖

由圖11可以看出擺桿1的角速度變化比較大，而擺桿2的角速度基本沒有變化，這也正如當初設計時所考慮運動情況一致，當擺桿1擺到所要求的35°位置時，桿件2、3和4正好擺動夾角β=180°，而擺桿2在整周的擺動過程中始終保持鉛直不變，從而保證了擺桿1擺動到位，從35°上料滑道機構上取出IC料返回原位放下IC料時，同時擺桿2到達擺桿1的初始位置，取走送來的IC料返回原位，把IC料放到特制的IC軌道上，進行編帶，擺桿1和擺桿2周而復始地往返于35°上料滑道機構和特制的IC軌道之間，完成整個取送料過程。

2.4 雙擺桿取料機構角加速度分析

利用運動學分析理論知識和ADAMS軟件的后處理模塊ADAMS/Processor的自動處理功能，根據建立的雙擺桿取料機構的模型，繪制出雙擺桿取料機構的擺桿1和擺桿2的角加速度曲線圖，見圖12。

圖12 擺桿1和擺桿2的角加速度曲線圖

由圖12可以看出擺桿1的角加速度變化比較大，而擺桿2的角加速度基本沒有變化，這說明擺桿1在擺到最高點前角加速度逐漸增大，在擺到最高點后角加速度迅速下降。也就是說，在擺到35°上料滑道機構之前，擺桿1角加速度緩慢增加，保證擺動到位，在返回時，角加速度急劇下降，為取放料贏得了時間。因此，表明雙擺桿取料機構的設計科學性，也提高了IC編帶機的生產效率。

2.5 根據曲線圖求解

通過兩擺桿的位移、角速度和角加速度曲線圖，求出當擺桿1擺到35°上料滑道機構位置時擺桿1和擺桿2的位移L、角速度和角加速度。

當擺桿1擺到35°上料滑道機構位置，即桿2轉到180°時也就是在時間6.0 s時，擺桿1和擺桿2的位移L、角速度和角加速度。從位移-時間曲線、角速度-時間曲線和角加速度-時間曲線圖表中讀取數據，分別為：

從曲線圖上分析得到的在擺桿1擺到35°上料滑道機構位置時擺桿1和擺桿2的位移L、角速度和角加速度和實際要求的此位置擺桿1和擺桿2的位移L、角速度和角加速度值基本吻合。

3 雙擺桿取料機構受力分析及結構改進

3.1 對雙擺桿機構進行受力分析的必要性

由于作用在機構上的力，不僅是影響機構的運動和動力性能的重要參數，而且也是決定相應構件尺寸及結構形狀等的重要依據。所以不論是新設計的機械機構，還是為了合理的使用現有的機械，都必須對機構的受力情況進行分析。

3.2 對雙擺桿機構關鍵零件進行受力分析及結構改進

3.2.1 擺桿1受力分析及結構改進

對擺桿1進行結構設計時，利用了Solid-Works2005軟件。通過軟件的分析模塊COSMOSXpress向導，對擺桿1進行約束、載荷和受力分析，分析結果為：

擺桿1 (Part Configuration-默認 )的質量特性和轉動慣量等參數為：

質量=30.37 g

表面積=7420.00 mm2

轉動慣量和慣性力矩：(g·mm2)

Ix=(1.00,0.00,-0.00) Px=679.99

Iy=(-0.00,1.00,0.00) Py=69313.22

Iz=(0.00,-0.00,1.00) Pz=69867.65

擺桿1在受一定約束和載荷的情況下，運動情況和變形如圖13所示。

圖13 擺桿1的應力圖解

其分析結果表明：擺桿1在運動時，在約束和載荷的作用下所受到的應力在危險截面附近，其應力大多都大于屈服力，并且初步設計的擺桿1結構最低安全系數為0.704615。即在機構運動時，擺桿1會發生嚴重變形，也就是說，擺桿1的強度不能滿足需要，須對擺桿1的設計進行改進和修復。改進方案采用加大擺桿1尺寸的方法提高其強度。

對加大后的擺桿1再進行約束、載荷和受力分析，分析結果如圖14所示。

圖14 改進后擺桿1的應力圖解

其分析結果表明：改進后擺桿1在運動時，在約束和載荷的作用下所受到的應力在危險截面附近，其應力都小于屈服力，最低安全系數為11.6311。即在機構運動時，擺桿1變形很小，不會產生不良影響。

3.2.2 擺桿2受力分析及結構改進

同樣的方法：對初步設計的擺桿2進行約束、載荷和受力分析，分析結果為：

擺桿2 (Part Configuration-默認 )的質量特性和轉動慣量等參數：

質量=25.86 g

表面積=8585.10 mm2

慣性主軸和慣性力矩：(g·mm2)

Ix=(1.00,0.00,-0.00) Px=767.18

Iy=(-0.00,1.00,-0.00) Py=113393.35

Iz=(0.00,0.00,1.00) Pz=114053.50

擺桿2在其受一定約束和載荷的情況下，運動情況和變形如圖15所示。

圖15 擺桿2的應力圖解

其分析結果表明：擺桿2在運動時，在約束和載荷的作用下所受到的應力在危險截面附近，可以看出其應力大多都大于屈服力，并且初設計的擺桿1結構最低安全系數為0.538949。同樣，在機構運行時擺桿2也會發生嚴重變形，其強度不能滿足需要。須對擺桿2的設計進行改進和修復。

改進方案也采用加大擺桿2尺寸的方法提高其強度，加大擺桿2的截面尺寸。加大后的擺桿2，再進行約束、載荷和受力分析，分析結果如圖16所示。

分析結果表明：改進后擺桿2在運動時，在約束和載荷的作用下所受到的應力在危險截面附近，其應力都小于屈服力，最低安全系數為11.2814。即在機構運動時，擺桿2變形很小，不會產生不良影響。

圖16 改進后擺桿2的應力圖解

4 結 論

本文在設計雙擺桿取料機構時，除應用了傳統的機構設計方法外，主要是利用發達的計算機技術和先進的應用軟件——運動仿真分析軟件，這樣使設計直觀和形象，修改和優化快捷，可以避免許多繁瑣的畫圖和計算工作，可以縮短零件、機構、系統和樣機的設計周期，尤其是在發展迅速的封裝設備行業，產品更新換代快的今天，要求設計人員必須在最短的時間里設計出最優的設備，本文在連桿設計中應用了運動仿真分析軟件，在凸輪機構、齒輪機構、分度機構乃至更復雜的機構設計中采用此方法收到了很好的效果。

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