基于ABAQUS的貼片機橫梁結構靜力學分析

徐萌

（金山職業技術學院，江蘇 揚中 212200）

0 引言

隨著技術層面的越發成熟，半導體和電子制造行業迎來了發展的春天，持續推動著經濟走向新的發展道路，電子產品也成為人手必備的產品，對人們的生活帶來了深刻的影響。隨著半導體技術的越發精進，電子行業越發重視芯片，致力于對芯片的加工上，使其逐步達到微米級這樣的程度，并伴隨著電子芯片行業向著更為集成化的道路發展，對電子封裝行業來說也在無形之中被迫實現更高的水準。正是整個行業的持續發展推動著新技術的應用，急切需要改變當前對芯片進行手工貼裝的方式，從而不斷克服傳統的模式，在此基礎上發展出SMT技術，通過這一技術的持續運用，從而使得片式器件可以直接貼裝在印制板的銅箔之上，并且通過其較高的電磁兼容性表現，使其更多地被使用在了電路組裝制造業之中[1-2]。

對于主流電子裝配生產設備而言，其中技術要求最高、最為關鍵的設備當屬貼片機了。它是封裝生產線上最關鍵的部分，主要通過機械元件的定位方法來貼裝片式化電阻、電容等元件，并逐漸取代了鑷子夾持或真空吸筆的手工貼裝方式。從當前的發展實際來看，國外市場上有多個主流的貼片機廠商，本文研究對象為TS-320M-02高速全自動貼片機。

相對而言，貼片機的機械部分則是整機的核心所在，而其機器的品質情況則主要基于機械系統總體的結構方案等信息，呈現出相對復雜的總體結構。從本次課題的實現來看，其主要研究的貼片機主要涉及的是過頂拱架型的結構，進一步在結合其運動特點的基礎上，我們可以對其進一步進行分解。相對而言，橫梁模塊是這個結構之中的根基之所在，是其中的基礎環節，是最為關鍵的部件之一。而靜力學分析是后續研究的基礎，很多后續研究的開展正是在靜力學的基礎上逐步實現的，因此本研究基于靜力學、材料力學相關理論計算，應用ABAQUS軟件的優化設計模塊對橫梁結構進行建模和靜力學分析，以保證所采用的橫梁結構能夠滿足使用要求。

1 貼片機橫梁三維模型建立

在對有限元進行分析之前，我們最為重要的步驟就是建模了，由于結合本次研究的特點，本次主要選擇了實體建模來具體進行，即先在三維建模軟件PROE中建立實體模型，再導入ABAQUS中。

本研究貼片機是采用過頂拱架型系統的設計，這樣的結構往往剛度相對較大，在綜合承載力表現來看相對較好，在穩定性表現上表現較好。從設計要求出發，需要總體的結構呈現出高強度的特征表現，從而更加便于加工的實現，并且便于在滿足工作行程的前提下越發變得緊湊，在驅動方面可以布置為對稱的驅動，在驅動系統的選擇上可以有兩種主流系統來供選擇。從以上條件出發，我們可以初步設計橫梁及周邊結構，結構模型如圖1所示。

圖1 橫梁及周邊結構模型

從結構的選擇來看，這一結構主要是雙邊對稱的，從而在馬達提供動力的基礎上，展開定向運動，這樣一來，通過這樣的傳動方式，可以進一步使得運動實現的過程中阻力小、布局緊湊，從而使得每個涉及到的元件都能夠具備較好的位置精度表現，通過直線導軌的設立從而使得兩個軸能夠保持正交運動，從而使得綜合的故障率能夠保持在較低的水平。從結構的優點來看，可以直接進行直線運動的輸出，從而使得傳動過程中的慣量進一步減少，持續在傳動系統的性能方面加以提高，持續在定位精度方面實現了較大程度的增強。由于在運動過程中沒有機械的接觸，而且也沒有所謂的摩擦和噪聲影響，因此零部件的損壞幾乎是不存在的，而且機械的損耗也大大得到了降低，可以通過多種方式的改變，從而使得在速度和電磁推力方面的表現更佳，進而能夠在更大范圍內得到廣泛的使用[3]。

2 貼片機橫梁力學分析計算

從高精密設備來看，其橫梁的剛性情況決定了整機所能達到的貼裝準確度狀況。而相對而言，高精度設備往往橫梁的結構相對較為復雜，因此需對它的靜止工況進行驗算，從而保證結構良好的靜剛度。本研究將對橫梁進行理論驗算，分析該結構的橫梁是否能滿足使用要求。

橫梁結構如圖1所示，應用材料力學知識可將橫梁當成簡支梁處理，簡化后的模型如圖2所示。

圖2 橫梁簡化后模型

對橫梁受力情況進行分析，發現變形主要是由于彎曲和扭轉兩種組合產生的，一般采用第三強度理論進行校核，校核公式如下：

式中，M為彎曲力矩，T為扭轉力矩。

根據材料力學相關理論進行計算，可以求得該結構在彎曲和扭轉兩種組合變形下的危險應力和許用應力[σ]，根據數據可以判斷結構符合使用需求。

3 貼片機橫梁靜力學分析

基于上述建立的三維立體模型，對模型進行必要的局部修改和簡化，將其導入ABAQUS中。導入的時候需要注意如下幾點注意事項：基于貼片機的受力實際情況，我們進一步發現，溫度對橫梁產生的影響相對較小，也正是因此，在具體展開分析的過程中不需要過于考慮溫度因素的影響，這樣一來，整個分析的過程不至于變得非常繁瑣而沉重。而為了使得總體的結果更具精確性，在模型的導入過程中，要做好格式的調換，并且在分析的過程中要對數據進行相應的簡化處理，這樣一來，便于后續展開集中分析。

橫梁主體使用的材料是ZL205A高強度鑄造鋁合金，其彈性模量E為7.1×104MPa，泊松比取0.34，密度為2.78×103kg/m3。單元類型為C3D8I，在關鍵區域將網格細化處理，橫梁的有限元模型如圖3所示。

圖3 橫梁的有限元模型

定義橫梁的載荷和邊界條件是靜力學分析的基礎，本研究將兩端定義X、Y、Z三個方向的固定約束，在Z向對整體施加重力Gravity，另外對橫梁與支撐板，橫梁與電機定子，支撐板與滑軌采用綁定約束。

對各個部件設置材料屬性；接著將每一個部分都劃分網格操作；添加邊界約束和載荷參數后，提交任務，經過軟件聯立運算，得到了應力變化和位移變化如圖4所示。

圖4 靜力學分析結果

從圖4（a）所示的細化的分析我們可以明確地看出，貼裝頭作用的基礎上，整個橫梁發生了較大的位移，由此我們可以看出，這種結構是相對較為穩定的，是可以經得起各種折騰的。而與此同時，貼裝頭則安裝在橫梁的另外一面，使得頭部重力會在橫梁部位向下呈現出一定的扭轉力，事實上，這一力度對橫梁帶來的總體作用力不大，基本上可以達到忽略的結果表現，可以使得貼片機工作時的位移要求能夠充分滿足。通過相應的計算，我們可以充分認識到，這一結構是可以滿足我們總體的設計期待的[4]。

4 結論與展望

本文以高速高精度貼片機為研究對象，根據設計要求，初步對貼片機的橫梁及周邊結構進行了總體設計。結合靜力學、材料力學相關理論計算，應用ABAQUS軟件的優化設計模塊對橫梁結構進行建模和靜力學分析。結果表明，該結構符合設計要求[5-6]。

在本研究的基礎上，后續可以對貼片機橫梁的瞬態動力學進行分析，從而實現橫梁分析的完整性；在對橫梁完成靜力學、動力學分析的基礎上，可對貼片機橫梁進行持續的結構優化，從而使得橫梁結構能夠在多方面同時達到設計的要求，并且最大限度地減輕結構的質量，使其更為輕盈。