12 吋芯片分揀機龍門架的性能分析及結構優化

李臣友， 趙永博， 于國輝， 高今朝， 孟憲圓

（河北省數字影像裝備與數字顯示技術重點實驗室， 秦皇島視聽機械研究所有限公司， 河北 秦皇島 066000）

0 引言

在關注設備剛度、抗震性等基礎性能的提升之外，進一步實現設備的輕量化及結構優化升級， 是發展先進精密設備必須要面對的課題[1]。而傳統的結構優化中對某個方案的重新設計大多憑借著工程師的經驗做評估校核，具有相當大的主觀傾向。 目前比較流行的拓撲優化就是一種相對客觀的優化方法， 它能為設計者在結構設計的初始階段提供一個概念性的設計， 使得設計在布局上能夠采用最優的設計方案。但是，如果僅使用某一種優化方法會使優化過程存在較多局限性， 難以達到多項性能指標的同步提升的目的。

本文以12 吋芯片分揀機主梁龍門為研究對象，通過拓撲優化與尺寸優化的綜合使用， 得到一種性能符合要求且減重明顯的龍門結構。

1 12 吋芯片分揀機

本文涉及的分揀機主要針對體積小、薄、脆的芯粒進行分揀，主要包括7 部分，見圖1。

通過升降臺與機械手的配合實現芯片的上料與下料功能，通過滑臺的升降實現芯片的擴膜，并利用伺服電機實現滑臺整體平移，以便配合探針系統、視覺系統，使得吸片系統得以精準的完成拾取工作，并放入成品盤中，最終送入升降臺中順利的完成加工。 龍門則是分揀機設備上重要的支撐部件，吸片系統、視覺系統等運動部件都安裝在龍門上。

圖1 12 吋分揀機結構布局

在進行優化設計時，既要保證龍門具有足夠的剛度，避免設備長時間運行后龍門發生變形， 影響設備可靠性，又要對其減重設計，提高材料利用率，減少生產加工成本，達到降本的目的；同時，還要關注外部振動影響，防止龍門出現共振現象，造成芯粒吸取過程中吸偏，甚至造成芯粒表面劃傷，影響芯粒品質。

2 龍門的有限元分析

圖2 最大變形靜力分析云圖

由于機器結構日趨復雜，設備更新換代迅速，這就需要產品具有較高的性能，為了提高機器的加工性能，除了合理配置分揀機部件和控制系統以外，還應盡可能提高分揀機的靜剛度和動態性能[2]。

在有限元分析軟件中，通過對龍門模型施加外部載荷和約束條件，計算龍門在工況下的應力、變形和前6 階固有頻率，并以此作為優化分析的參考標準。 龍門材料選取AISI304，彈性模量為193GPa，泊松比為0.29，密度7930kg/m3。

通過有限元仿真分析得到龍門的最大應力為1.93MPa，最大位移為0.001mm。 不難發現龍門最大應力遠遠小于材料的許用應力，龍門最大變形發生在龍門中部偏左且變形較小，有較大的剛度冗余。

靜力分析結果分布云圖如圖2 所示。

安裝于主梁上用于移動吸片的直線模組為THK 的GLM10，其基本參數如下：模組最大行程約為800mm，直線模組最大運行為速度4m/s，最大加速度為6G。實際工作時， 直線模組的最短運動距離約為80mm，估算得到直線模組運動周期為0.05s ～0.2s， 運 動 頻 率 為5 ～20Hz 左右。

通過表1 的分析結果可知，龍門的固有頻率遠大于設備運行激振頻率，在后續設計中可以適度降低頻率優化比重。

表1 模態分析結果

3 龍門架的拓撲優化

在進行拓撲優化時僅僅期望某一種性能取得較好的結果，常常不能滿足設計需要[3]：

（1）僅以應變能最小為優化目標，會使得材料的去除率較低，優化效果不明顯。

（2）僅考慮一階固有頻率最大，會使得模型的減重過于大，喪失龍門基礎結構，嚴重脫離實際，無法滿足其基礎功能的實現。

綜合考慮上述兩個目標，既要保證龍門的靜態剛度，同時也要降低龍門的低階固有頻率與外部振動發生共振的機會，對二者附加權重，在不增大質量或質量有所減小的前提下，得到拓撲優化結果，如圖3 所示[4]。

通過觀察龍門的優化結果可以發現：

（1） 左右支撐立柱變化相對平整， 支撐立柱內部中空， 立柱外側開有長孔， 連接支耳處有少許材料去除， 內側去除一塊三角形材料，但由于立柱底部需要與定位鍵相連用于定位，暫不去除。

（2）橫梁外部傳力路徑較為復雜，內部多為中空，考慮到實際其他部件的安裝位置，不能完全將材料去除，需要根據材料去除路徑對其添置筋板已達到減重目的，暫定壁厚10mm。

圖3 加權拓撲優化結果

4 龍門架的尺寸優化

4.1 龍門結構設計

前文已經得到龍門加權拓撲優化結果， 兩側支撐立柱根據材料分布進行設計，保證功能的同時，盡量減少材料的使用。為簡化計算，左側和右側立柱采用相同的結構及尺寸參數控制，如圖4 所示。

最終得到立柱的結構及尺寸控制參數， 關鍵尺寸定義的變量名稱、原始尺寸及變化范圍如表2 所示。

主梁經過拓撲后，形狀變得相對復雜，盲目依據拓撲結果進行材料去除， 不僅使得主梁加工工藝難以實現，同時， 與之配套的視覺系統和吸片系統也無法穩固的安置在主梁之上，所以， 決定保留原有主梁的外觀， 參照優化仿真的材料分布結果， 對其進行筋板布局的設計，如圖5 所示。

圖4 支撐立柱

表2 設計變量及變化范圍

圖5 主梁

最終得到主梁尺寸控制參數，關鍵尺寸定義的變量名稱、原始尺寸及變化范圍如表3 所示。

表3 設計變量及變化范圍

4.2 龍門尺寸優化

經過拓撲優化后的龍門與原始結構相比變得更加復雜，涉及的尺寸參數變多，若優化每一個參數，將增大計算量，降低效率。 因此，需要首先進行龍門各個尺寸參數的靈敏度分析，用以判斷各個參數對龍門總質量m、靜剛度k（變形）和一階固有頻率f1影響程度的大小。 為得到對龍門性能影響較大的參數、減少計算工作，選取三項相關度絕對值之和大于0.6 的參數作為尺寸參數設計變量，如表4 所示。

表4 重要尺寸與優化目標相關度

以質量最小，剛度最大，一階固有頻率最大為優化目標，利用ANSYS 仿真軟件計算得到龍門主要優化尺寸的最佳值：T2：692mm，T10：93mm，S6：181mm，S7/S8：7mm。

5 龍門架性能分析

將經過優化取整得到的數值作為各個設計點的新值，并進行靜動態分析，得到優化前后立柱的性能參數，見表5。

表5 優化前后立柱性能參

結果表明，經過多次優化后的龍門，在靜剛度和1 階固有頻率基本保持不變的前提下， 質量減小了219.9kg，也說明了拓撲優化和尺寸優化的綜合運用能夠使機構在實現輕量化的同時，避免靜動態性能的降低。

6 結論

以12 吋分揀機主梁龍門為研究對象， 通過拓撲優化、尺寸優化對龍門進行優化設計，觀察優化結果可知：經優化產生的龍門，在體積、尺寸比例等要素與原結構基本相同的前提下， 質量減少40.9%、1 階固有頻率提高6%，而最大變形僅為0.005mm，優化效果較為顯著，對龍門的優化設計具有一定的借鑒意義，同時，本文的研究思路也為分揀機的其他部件的優化設計提高了有益的參考。