基于ABAQUS的贴片机横梁结构静力学分析

徐萌

（金山职业技术学院，江苏 扬中 212200）

0 引言

随着技术层面的越发成熟，半导体和电子制造行业迎来了发展的春天，持续推动着经济走向新的发展道路，电子产品也成为人手必备的产品，对人们的生活带来了深刻的影响。随着半导体技术的越发精进，电子行业越发重视芯片，致力于对芯片的加工上，使其逐步达到微米级这样的程度，并伴随着电子芯片行业向着更为集成化的道路发展，对电子封装行业来说也在无形之中被迫实现更高的水准。正是整个行业的持续发展推动着新技术的应用，急切需要改变当前对芯片进行手工贴装的方式，从而不断克服传统的模式，在此基础上发展出SMT技术，通过这一技术的持续运用，从而使得片式器件可以直接贴装在印制板的铜箔之上，并且通过其较高的电磁兼容性表现，使其更多地被使用在了电路组装制造业之中[1-2]。

对于主流电子装配生产设备而言，其中技术要求最高、最为关键的设备当属贴片机了。它是封装生产线上最关键的部分，主要通过机械元件的定位方法来贴装片式化电阻、电容等元件，并逐渐取代了镊子夹持或真空吸笔的手工贴装方式。从当前的发展实际来看，国外市场上有多个主流的贴片机厂商，本文研究对象为TS-320M-02高速全自动贴片机。

相对而言，贴片机的机械部分则是整机的核心所在，而其机器的品质情况则主要基于机械系统总体的结构方案等信息，呈现出相对复杂的总体结构。从本次课题的实现来看，其主要研究的贴片机主要涉及的是过顶拱架型的结构，进一步在结合其运动特点的基础上，我们可以对其进一步进行分解。相对而言，横梁模块是这个结构之中的根基之所在，是其中的基础环节，是最为关键的部件之一。而静力学分析是后续研究的基础，很多后续研究的开展正是在静力学的基础上逐步实现的，因此本研究基于静力学、材料力学相关理论计算，应用ABAQUS软件的优化设计模块对横梁结构进行建模和静力学分析，以保证所采用的横梁结构能够满足使用要求。

1 贴片机横梁三维模型建立

在对有限元进行分析之前，我们最为重要的步骤就是建模了，由于结合本次研究的特点，本次主要选择了实体建模来具体进行，即先在三维建模软件PROE中建立实体模型，再导入ABAQUS中。

本研究贴片机是采用过顶拱架型系统的设计，这样的结构往往刚度相对较大，在综合承载力表现来看相对较好，在稳定性表现上表现较好。从设计要求出发，需要总体的结构呈现出高强度的特征表现，从而更加便于加工的实现，并且便于在满足工作行程的前提下越发变得紧凑，在驱动方面可以布置为对称的驱动，在驱动系统的选择上可以有两种主流系统来供选择。从以上条件出发，我们可以初步设计横梁及周边结构，结构模型如图1所示。

图1 横梁及周边结构模型

从结构的选择来看，这一结构主要是双边对称的，从而在马达提供动力的基础上，展开定向运动，这样一来，通过这样的传动方式，可以进一步使得运动实现的过程中阻力小、布局紧凑，从而使得每个涉及到的元件都能够具备较好的位置精度表现，通过直线导轨的设立从而使得两个轴能够保持正交运动，从而使得综合的故障率能够保持在较低的水平。从结构的优点来看，可以直接进行直线运动的输出，从而使得传动过程中的惯量进一步减少，持续在传动系统的性能方面加以提高，持续在定位精度方面实现了较大程度的增强。由于在运动过程中没有机械的接触，而且也没有所谓的摩擦和噪声影响，因此零部件的损坏几乎是不存在的，而且机械的损耗也大大得到了降低，可以通过多种方式的改变，从而使得在速度和电磁推力方面的表现更佳，进而能够在更大范围内得到广泛的使用[3]。

2 贴片机横梁力学分析计算

从高精密设备来看，其横梁的刚性情况决定了整机所能达到的贴装准确度状况。而相对而言，高精度设备往往横梁的结构相对较为复杂，因此需对它的静止工况进行验算，从而保证结构良好的静刚度。本研究将对横梁进行理论验算，分析该结构的横梁是否能满足使用要求。

横梁结构如图1所示，应用材料力学知识可将横梁当成简支梁处理，简化后的模型如图2所示。

图2 横梁简化后模型

对横梁受力情况进行分析，发现变形主要是由于弯曲和扭转两种组合产生的，一般采用第三强度理论进行校核，校核公式如下：

式中，M为弯曲力矩，T为扭转力矩。

根据材料力学相关理论进行计算，可以求得该结构在弯曲和扭转两种组合变形下的危险应力和许用应力[σ]，根据数据可以判断结构符合使用需求。

3 贴片机横梁静力学分析

基于上述建立的三维立体模型，对模型进行必要的局部修改和简化，将其导入ABAQUS中。导入的时候需要注意如下几点注意事项：基于贴片机的受力实际情况，我们进一步发现，温度对横梁产生的影响相对较小，也正是因此，在具体展开分析的过程中不需要过于考虑温度因素的影响，这样一来，整个分析的过程不至于变得非常繁琐而沉重。而为了使得总体的结果更具精确性，在模型的导入过程中，要做好格式的调换，并且在分析的过程中要对数据进行相应的简化处理，这样一来，便于后续展开集中分析。

横梁主体使用的材料是ZL205A高强度铸造铝合金，其弹性模量E为7.1×104MPa，泊松比取0.34，密度为2.78×103kg/m3。单元类型为C3D8I，在关键区域将网格细化处理，横梁的有限元模型如图3所示。

图3 横梁的有限元模型

定义横梁的载荷和边界条件是静力学分析的基础，本研究将两端定义X、Y、Z三个方向的固定约束，在Z向对整体施加重力Gravity，另外对横梁与支撑板，横梁与电机定子，支撑板与滑轨采用绑定约束。

对各个部件设置材料属性；接着将每一个部分都划分网格操作；添加边界约束和载荷参数后，提交任务，经过软件联立运算，得到了应力变化和位移变化如图4所示。

图4 静力学分析结果

从图4（a）所示的细化的分析我们可以明确地看出，贴装头作用的基础上，整个横梁发生了较大的位移，由此我们可以看出，这种结构是相对较为稳定的，是可以经得起各种折腾的。而与此同时，贴装头则安装在横梁的另外一面，使得头部重力会在横梁部位向下呈现出一定的扭转力，事实上，这一力度对横梁带来的总体作用力不大，基本上可以达到忽略的结果表现，可以使得贴片机工作时的位移要求能够充分满足。通过相应的计算，我们可以充分认识到，这一结构是可以满足我们总体的设计期待的[4]。

4 结论与展望

本文以高速高精度贴片机为研究对象，根据设计要求，初步对贴片机的横梁及周边结构进行了总体设计。结合静力学、材料力学相关理论计算，应用ABAQUS软件的优化设计模块对横梁结构进行建模和静力学分析。结果表明，该结构符合设计要求[5-6]。

在本研究的基础上，后续可以对贴片机横梁的瞬态动力学进行分析，从而实现横梁分析的完整性；在对横梁完成静力学、动力学分析的基础上，可对贴片机横梁进行持续的结构优化，从而使得横梁结构能够在多方面同时达到设计的要求，并且最大限度地减轻结构的质量，使其更为轻盈。