面向芯片封装的划片机的机械结构设计.docx

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1、本科毕业设计(论文)题目：面向芯片封装的划片机机械结构设计院 （系）： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及自动化 班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 201年 0月本科毕业设计(论文)题目：面向芯片封装的划片机机械结构设计院 （系）： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及自动化 班 级： 班 学 生： 学 号： 指导教师： 201年 0月面向芯片封装划片机机械结构设计摘 要 芯片封装是三大半导体行业之一。 包装工艺包括：划线，粘膜，超声波焊接，包装，测试，包装。 划片机就是芯片封装生产线上一个器件，不过这可是第一个关键器件，它的功能是将生产的晶圆加以切割，做成单元器件，并为下一个单

2、元晶片的接合做准备。 然而，因为和国外技术的差距比较大，所以中国划片机基本上都是从外国购买的。为了让中国拥有自己研发制作的划片机，详细设计了划片机机的整体规划和其中的关键部件。 在阐明划线.工艺要求的基础上，我们先确定了.划片机的主要功能，设计了划片机各部分的原理。 然后，列出了四种不同的.结构方案，分别分析它们的优缺点，仔细比较后选择.其中的最优方案。 最终完成了.划片机整体规划。 在下一步中，每个零件结构的初步设计都按照划线过程的要求进行，包括各轴的传输方案和相关的结构参数。 然后，根据主体的要求，对划片机的四个轴进行精心设计。 通过计算，完成.X，Y，Z轴的.螺母机构的选.择类型、导轨选

3、择。 最后，完成.划片机.X，Y，Z轴的装配图。关键字：划片机；总体规划；结构设计；滚珠丝杠；步进电机；滚动直线导轨IMechanical structure design of dicing saw for chippackagingAbstractChip packaging is one of the three major semiconductor industries. Packaging processes include: scribing, mucosal, ultrasonic welding, packaging, testing, packaging. The dici

4、ng machine. is a device on the chip packaging line, but this is the first key device, its function is to produce the wafer to be cut, made of unit devices, and for the next unit chip to do the preparation. However, because the gap between foreign technology and relatively large, so the Chinese dicin

5、g machine is basically purchased from foreign countries. In order to allow China to have its own R & D production of dicing machine, detailed design of the overall planning of the dicing machine and one of the key components. On the basis of clarifying the requirements of the scribing process, we fi

6、rst determined the main function of the dicing machine and designed the principle of each part of the dicing machine. Then, four different structural schemes are listed, and their advantages and disadvantages are analyzed respectively. After careful comparison, the optimal scheme is selected. Eventu

7、ally completed the overall planning of the dicing machine. In the next step, the preliminary design of each part structure is carried out according to the requirements of the scribing process, including the transmission scheme of each axis and the related structural parameters. Then, according to th

8、e requirements of the main body, the four axes of the dicing machine are carefully designed. Through the calculation, the selection of the nut mechanism of the X, , Y, and Z axes is completed, and the guide rail selection is completed. Finally, complete the dicing machine X, , Y, Z axis assembly dia

9、gram.Key words: dicing saw ；Overall planning ； Structure design ； Ball screw；Stepper motor ；Rolling linear guide rail 3 目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1课题背景及研究意义11.2 国内外相关研究情况11.3划片机的发展过程21.4划片机的工作原理31.5本课题的主要内容42 划片机的总体方案设计52.1划片机的原理方案设计52.1.1划片机X、Y、Z轴的原理方案设计52.1.2划片机轴的原理方案设计52.2划片机的结构方案设计1062.3方案可行性分析83 划

10、片机结构参数的初步设计及相关计算93.1划片机主轴的参数的初步设计1293.2原动机参数的初步的设计93.3 划片机X轴参数的初步设计103.4划片机轴参数的初步设计103.5划片机Y轴的初步设计103.6划片机Z轴的初步设计104 划片机X、Y、Z轴机械结构具体设计114.1X轴机械结构的设计及计算114.1.1X轴伺服电机的选型114.1.2X轴滚珠丝杠的选型114.1.3X轴直线导轨的选型134.2轴机械结构的设计及计算144.2.1蜗杆蜗轮副的主要参数选择144.2.2步进电机的选型164.2.3轴方向的晶片工作台幅面尺寸174.2.4 X轴方向移动滑台幅面尺寸174.3 Z轴机械结构

11、的设计及计算184.3.1 Z轴滚珠丝杠的设计184.3.2 Z轴电机的选型214.3.3Z轴导轨的选型234.4 Y轴机械结构的设计和计算244.4.1Y轴滚珠丝杠的设计244.4.2 Y轴电机的选型254.4.3Y轴导轨的选型265划片机其它装置的设计275.1夹紧装置的设计275.2气路系统设计275.3水路系统设计27结论29致谢30参考文献31毕业设计（论文）知识产权声明33毕业设计（论文）独创性声明34附录351 绪论1.1课题背景及研究意义 芯片封装是三大半导体行业之一。随后的包装过程包括：划线，粘膜，超声波焊接，包装，测试，包装。划片机是芯片封装线上一个设施，但是这个设备是第一

12、个.关键.器件，其用途是将制造.好的晶片切割成一个.单元，并准备进.行下一步。切割芯片的尺寸通常是3到6个芯片，单元晶片的外观有两种，也可以说是一种，一是矩形，另一个就是多边形。目前，中国的半导体封装设备都是来自进口的，它们主要来自美国、日本、新加坡引进1。为了让中国尽快的拥有自己的芯片封装设备，研究组从没有放弃对IC封装设备划片机方面的研究。因此，本专业论文题目为“面向芯片封装的划片机械机械结构设计”，拥有很大的学术研究价值，有着重要的意义，未来应用发展也有着很好的前景。1.2 国内外相关研究情况 在国外，七十年代初划片机横空出世，开启了划片机的新纪元，诞生以来，它的发展速度像火箭般飞快，涉

13、及的方面也越来越广泛，各种各样相继出现。一开始，外国只有三个国家制作生产划片机，发达国家美国对这方面很早就有研究，英国同时也没有放弃这方面研究，日本是紧追其后赶着研究，就是在这样时代，在当时最多也就只有五家公司有能力制造划片机，但是现在不同了，俄罗斯也开始生产研究，台湾加入了其中的行列，中国作为发展中的国家也不甘落后，也开始创造划片机，划片机生产厂家已经发展到十几家。这和以前相比较很明显有了前所未有的进步。目前，国外的切割机制造商已经拥有很多，其中最著名得有四家公司，谁也没想到的是日本在这方面的研究成果突出，特别当时的日本DISCO世界闻名，东京精密TSK的这方面研究力度也很大，还要另外两个公

14、司也相当有名那就是以色列ADT和英国流星公司。当第一个生产的划片机.问世，他只能只用于切割半.导体晶圆，而且只能切割硅.片尺寸还很小，大约只有3英寸。现在不同了，它不仅可以.切割硅，还可以切割其他.薄，脆，硬的材料，有了更多越来.越广泛的应用。大约能占世界划片机销量的80都是来自日本的一个公司，那个公司就是DISCO公司，当然销量一定程度也代表了质量，代表了技术，代表了目前划片机一个巅峰的水平。JPsereezAssoeiateS公司也生产了一个划片机，它是紫外激光划片机，而它的切割范围也有一定的限制，目前可用于切割300mm的，它采用355nm或266nm短脉冲UV激光光源，同时也采用高性能

15、，超精准气动控制台，这样就会使得高速划片后，断面的边缘不仅会十分光滑，而且非常平直，切割槽宽仅2.5m2。我国真的开始开发划片机，可能在七十年代。 1982年，中国终于拥有了自35的封装设备，第一台砂轮划片机，这意味着中国在封装道路上迈出了关键性的一步。结束了我国多年对进口的划片机需求，开创了半导体行业上自给自足的历史性转折。到目前国内也已经发展了很多厂商，其中最让人熟知的就是中国电子科技集团公司45研究所和武汉三电设备制造 有限公司3。当然还有一些其他的厂商例如，西安杰盛电子科技有限公司，沉阳仪器科学研究院，上海福安工厂自动化有限公司。在国内，划片机最先进.的技术，还属中国电子科技集团45研

16、究所，它采用了当时最新的技术，对芯片的质量提高了很多。它是如何提高芯片质量呢？主要从芯片的抗弯强度，同时也让晶圆的正负轮减少了。这个技术当时叫做恒转矩变频技术。在这样的技术爆发的时代，国内专家夜以继日的研究，最终在在2004年时，研发一台精密自动切割机，并命名它的型号是HP801。这个划片机不仅在硅片的直径做了突破，同时也在硅片上的芯片数量做出了突破，芯片的输出效率也得到提高，并达到了实用，定位精度10m。同时其他国内厂商并没有放弃研究，其中最突出的还属沉阳仪器科学研究院，他们当时切割晶圆的行程和国际水平仅仅只是差了50.8mm，（当时国际水平是203.2mm）精度达到了5m/ 35Omm,但

17、是在切割速度上就需要有待继续钻研了，和国际水平相差甚远。虽然还有很大的差距，但是不能否认国内在划片机设备上的努力钻研的成果。在2010年1月3日，苏州天宏激光有限公司在激光划片有了突破性研究，值得引人注目的是他把槽宽度降低到了3m，这在当时国内是相当艰难的，这个技术的成熟也让他们推出了国内首款晶片激光切割机，并取名为TH-321激光划片机。从国内外现状.来看,尽管国内.产商努力研究，但是国内划片.机的划片尺寸、切割速度及.定位精度还是达不到国际.先进水平,划片槽的宽度也一直再紧追国际水准，虽然还有着很大的差距,但我国仍一直在划片机研究方面努力钻研。1.3划片机的发展过程 划片机发展可以分为三个

18、阶段，金刚石划片、激光划片和砂轮划片是划片机根据其划片方法的发展过程分类的3。（1）金刚石划片这是最早的划线方法，也是现在使用最少的方法，机会可以说被淘汰了。使用尖锐的金.刚石尖端加以.切割，以约50克的固.定载荷切割出小.片的分割线，加上弯曲力.矩将其分成小块的。金刚石切割线也有一定的范围，通常它的宽度为6-8m，深度为5m。如果划线芯片时，打破薄.膜可能.会破裂，小片边缘不整齐，碎片不能.顺利进行。划片的成品产量在很大程度上由两个因素决定，一是取决于金刚石尖端的加工精度，二是它的锋利度。（2）激光划片第二代划片是.激光划线。激光划线是激.光脉冲在硅表面照射，这些被照射的部分硅.就会因为被.

19、照射温度升高，这个温度大概有.10000高温，并在瞬间气化或熔化，然后这样就会让硅片留下沟槽，再沿着这些沟槽分开。当激光划片时，在硅晶片的表面上.会粘附一.些硅粉，因此必须对硅晶.片进行一定的处理，它上面的灰尘如果不处理的话就会影响精度。激光划线的方法高于金刚石切割，因此在一段时间内取代了金刚石切割。 (3)砂轮划片第三代划片机.是砂轮划片机。砂轮切片机采用了.最新的研究成果，它是采用高速.运行的静液.压主轴驱动刀片，通过控制光栅.和导轨系统，刀片定位在材料的加工中，最终形成.深度和宽度的切口。刀片的工作效率是由划线速度决定的，并且如果连续地提高切割速度，就会产生一定的影响，则切割过程中就会产

20、生不稳定的刀具速度。切割速.度和待加.工材料的硬度.有着很大的关系，如硅片表面材料的硬度很大的话，这就会直接影响切割速度。切割深度过大时切割超硬材料会对刀片产生很大影响，对刀片的正常使用十分不利，最终影响刀片寿命4。 三种划线技术的比较如表1.1所示。 从表1.1可以看出，砂轮划线不论从哪个指标里相比较，相对于其他两种加工技术具有突出优势，可以说是目前所达到的最高水准，因此砂轮划片是目前的主流加工技术5。表1.1 加工工艺比较指标 分类金刚石划片激光划片砂轮划片加工速度46mm/s150mm/s300mm/s加工深度310m100m100m加工宽度310m2025m刀片厚度+10m划片效果裂纹

21、大有热损耗只有微小裂纹成品率6070%7080%98%噪音小大较小其他硅片厚度为小片尺寸的1/4以下有黏着灰尘的问题需要切削液、压缩空气1.4划片机的工作原理1.4.1金刚石划片机的工作原理 金刚石切割机是.切割基板的，它是通过高速旋.转的金刚石刀片，而传统.的激光划片和金刚石划片.就有很大的不同，它使用的是脉冲激光，在陶瓷中沿直线打一系列盲孔，但是盲孔的深度有一点要求，大概是陶瓷厚度为1/3至1/4，因为应力集中，沿线的陶瓷材料可以折断。 因此，金刚石切割工艺的优点有两方面比较突出，一是高精度切割，二是基板边缘整齐。1.4.2激光划片机的工作原理 激光划线机由八大部分组成。其中的控制面板有着

22、一些按钮或者旋钮，工作表面上覆盖有气孔，气孔和真空泵连接，在电池片吸附在控制台上的时候，就是因为打开了真空泵，使划片过程中的芯片保持平稳而难以移动。激光是不用接触就可以的加工的，这样就有一个好处就是他没有机械冲压力，工件不容易变形。它通过光能迫使物质的化学键断裂，然后划出痕迹。主要用于太阳能电池板的切割，热影响是非常小的，划片精度相当之高。1.4.3砂轮划片机的工作原理 精密切割设备我们.通常选择砂轮。切割工件通常有.两种形状，一个是切割前尺寸大小最小直径为.50圆形，另一个是最大边为方形.200的平方的方形。 切割后的小颗粒的.形状也有三种，它们分别为方形，矩形和六边形。 它的切割刀具主要采

23、用超薄金刚石刀片，主轴驱动.高速旋转刀具，通过强力磨削.对集成电路.基片进行高精度开槽，或者对各种硬.脆材料进行高精度分割。1.5本课题的主要内容 结合前期的.工作及本课.题的实际情况，本文的主.要研究内容如下:(1)通过调查相关资料，然后参考分析，了解IC封装，最后对划片机的工作原理也做了相关理解； (2)做好原理方.案设计，然后在做好结构方.案设计，最后确定最终.实施方案； (3)对划片机进行了最初设计，确定一些最初结构参数，并完成相关计算； (4)对划片机的机械结构X、Y和Z轴四个轴分别进行详细设计；（其中Y 250mm ， Z轴 100mm, Y、Z定位精度小于4m。X 400mm,划

24、片机的速度0-300mm/s；转角120）； (5)完成装配图和零件图。2 划片机的总体方案设计2 划片机的总体方案设计2.1划片机的原理方案设计2.1.1划片机X、Y、Z轴的原理方案设计划片机X和Y轴主要完成平行切割，Z则主要完成切割深度。他们都主要的是完成往复直线运动。可以做往复直线运动的机构很多，比如曲柄滑.块机构，凸轮机构.，齿条机构.，螺杆驱动机构.，气缸，液压缸等.多种。但是由.于需要精确定位，其中有三种机构.就不能满足要求，他们分别是曲柄滑块机构，凸轮机构和齿条机构。又考虑经济情况，气缸，液压缸需要建立独立的泵站，不仅增加了成本 ，还要控制系统改变复杂7。因此就只剩下滚珠丝杠考虑

25、， 滚珠丝杠传动广泛应用于送料系统，不仅传动比大，而且它的精度也很高，结构也相对简单，传动平稳。所以选择电机作为原动机，通过滚珠丝杠传动，已达到需求。2.1.2划片机轴的原理方案设计划片机的轴，它是切割两个以上方向，顺时针运动或者逆时针运动，并且执行轴的旋转以驱动工作台，切割特定方向的芯片。 因此，轴要实现往复运动，而且还可以达到自锁的目的。 这就必须要有一个准确的索引，可以实现小分辨率，可以进行微调等8。 很高传动比才能达到要求，因此选择了具有较大传动比的涡轮蜗杆传动。综上所述，画出了总传动系统示意图，如图2.1所示。其中1承片台2砂轮刀片3 Z向丝杠4 Y步进电机5 Y滚珠丝杠6 Z向步进

26、电机7 向步进电机 8滑动平台 9 X轴伺服电机 10 滚珠丝杠 11 直线导轨12 蜗轮蜗杆 图2.1总传动系统示意2.2划片机的结构方案设计10方案的原理.已经确定，实现方案的原理有各.种方案，每个方案都有.自己的优.点和缺点。 其中，划片机主轴，芯片固定方式，定位模式，控制方式，冷却保护方案已经确定，因此其结构已经确定11。 划片机机的X，Y，Z和轴具有不同的布局模式。四种方案如表2.1所示。表2.1 结构方案比较表序号承片台的运动结构复杂程度砂轮刀片的运动防水性能总体布局1X+Y+Z+复杂自转好不好2X+Y+较复杂自转+Z好不好3X+Y较简单自转+Z+不好不好4X +较简单自转+Y+Z

27、好好第一种方案的.原理图如图.2.1所示。 除了XY交.叉运动外，托架还有Z方向上下，向.旋转运动，四结构，复.杂结构，机器自.身重量大，定位精.度的影响，不应该采用。第二种方案的原理图如图2.2所示。 除了XY交叉运动之外，托架也沿方向旋转。 该结构比第一个稍微简单一些，但运动惯性也很大，影响定位精度的缺点，不应该使用。图2.1 方案一示意图 图2.2 方案二示意图第三种方案的原理图如图2.3所示。 工作室只是X-Y交叉运动，结构比较简单。但轮叶除了旋转外，还可以为Z上下摆动，向旋转运动，结构比较复杂，因此，不应该使用。第四种方案的原理图如图2.4所示。 承载台只有X进给和旋转，结构简单。

28、虽然磨轮刀片除了旋转外，还要做Y和Z的上下运动，但结构比较简单，所以最终决定这个结构方案。图2.3 方案三示意图 图2.4 方案四示意图2.3方案可行性分析 方案的确定是在某一个背景下，驱使人们去研究，去赶追世界潮流。在这个科技强国的时代背景下，我国一直努力钻研。我们都知道人思考是需要大脑，那么机器用的是什么呢？当然是cpu，cpu的性能直接影响整体性能。我们最了解还属电脑和手机，这两个机器让我们深刻的知道一个好的cpu相当于奔腾的宝马，可以肆意的奔跑。玩游戏的时候极其卡顿，黑屏，蓝屏整个程序直接崩溃，是一件让人疯狂的事；当然不止游戏，从事画图工作的人，电脑没有一定的cpu是跑不起来的。 而c

29、pu制造工艺的最后一步也是最关键的一步就是cpu的封装技术。好的封装技术当然离不开好的芯片，所以研究芯片的封装是十分必要的，芯片的封装的第一个关键性设备，也就是划片机，十分值得我们研究。 前面已经做了了解，国内芯片封装技术和国外差距十分大。就西安来说，最开始的三星半导，再到后来的立成半导，最后的华天科技，只有三家公司从事芯片封装，一个韩国的，一个台湾的，为什么只有这么三家，我们本土的就只有一家，说到底还是我们没有那方面的技术。芯片封装涉及极广，就第一道产线的划片机都是外国的，尽管我国一直努力研究但是还是有着很大的差距。用着别人的永远超越不了别人，要想进一步发展就要独立自主的生产制造划片，紧追国

30、际水平，日本一个小小岛国，而我大中华这么多人，总有一天我们会赶追国际水平。因此划片机研究是十分必要的，同时方案也是必要的。 上面浅谈了方案的建设背景和研究的必要性，下面从划片机的方案的可行性进行分析。 先从原理上分析，把运动合理分配，承载台只有X进给和旋转，而刀片做Y和Z的上下运动，上面所选的结果结构简单，当然也能完成设计的要求，经分析这个原理上是合理的。下来就是选择每个方向运动的动力源，传动装置，经一番查阅分别选择了合适的。因此，技术方面是可行的。综合以上考虑经济和环保方面也是可行的。 3划片机结构参数的初步设计及相关计算3 划片机结构参数的初步设计及相关计算3.1划片机主轴的参数的初步设计

31、12要确定砂轮切割机的主轴参数，必须首先确定砂轮切割机刀片形式。砂轮划线机使用刀刃的外边缘（外径）实现切割，根据点的形式：硬刀和软刀。硬刀由刀片和法兰制成，软刀需要使用法兰夹紧。根据组合.点：镍.基刀，烧.刀，树.脂刀。切片.机一般选择刀.片直.径50-100mm镍基刀和树脂刀。对于晶圆在IC封装中切割，一般采用镍基硬刀。其中，镍基刀是其直径一般为50mm的镍基粘合剂电镀金刚砂13。此外，它具有寿命长，刀刃几何保持良好，精度高，切割质量高，可生产0.015毫米薄刀等。镍基刀的厚度通常为0.015-0.1mm，其中选择0.020mm。对于50mm镍基刀，主轴转速通常建议为3万3.5万r / mi

32、n，当然也有一个最高转速，最高4万 r / min。因此，划片机的主轴转速最后选了最高的。已经决定选择砂轮刀片用电主轴来驱动，电主轴可以分为三大类，我们主要是利用它强大的磨削。因为划片是很强的磨削加工，所以选择电主轴要在磨削种类中选取。选择国内最高水准的空气静压电主轴，它的转速相当之高，最低可以达到40w r / min最高可以达到50w r / min。它的运转速度十分稳定，因此可以得到平稳的线速度。他还可以长时间保持高精度，满足设计的划片机要求。电主轴润.滑方式.有三种，一般常用的是油气.润滑，还要两.种不经常使用，它们是油脂.润滑和油.雾润滑。油脂.润滑速度应较低; 油雾，油气润滑速度高

33、，但具有相应的润滑系统.根据砂轮切割机的主轴转速，选择油气润滑15。对于上述选择的参数，可以选择专门用于生产高速切割机的洛阳轴研.究技术，型号.92GD40Q。 其中，速度40000r / min，功率0.75kw，电压220v，适用于具有高速主.轴的晶圆切割机。 3.2原动机参数的初步的设计原动机是驱动机器完成预.期功能的.电源。因为机器需.要X，Y，Z，四.个方向的不.相关运动，所以需要有四个原.动机，根据局部载荷不大，主要要求的特点是.精密.分度，原动机采用步进电机。步进电机的总位.移精度等于输入指令脉冲.的数量，或平均速度与输入.指令脉冲的频率成正比16。同时，可以在其工作频带的运动状

34、态下从一个运动状态稳定地切换到另一运动状态。在X方向，伺服电机可用于实现精确位移，精确定位，伺服电机选择松下生产交流伺服电机，额定转速3000r / min，额定转速X轨最大位移速度为500mm / s，其它选用步进电机。3.3 划片机X轴参数的初步设计根据X 400mm的要求，X轴有效行程的初始设计为450mm左右，划线速度范围为0300mm / s; 线性导轨选择在银线性导轨上，两个直线导轨间距为140mm，导程为5mm，作为精密传动丝杆，力小，采用类比法，根据以往的设计经验，确定螺杆的公称直径d=20mm。3.4划片机轴参数的初步设计轴驱动系统需要精确的分度，实现小分辨率，微调，这需要高

35、传动比，因此轴驱动被识别为具有较大传动比的蜗轮蜗杆传动17。转台：120，转角的最小分辨率选8。3.5划片机Y轴的初步设计 因为Y轴系统的作.用是驱动高.速主轴做切.割进给运动，也就是说，根据单位尺.寸的尺寸逐.步运动。 在X轴完成往.复运动后，Y轴导轨.驱动高速主轴.运行单位晶圆.尺寸距离，以完成下一个切割线。 Y轴要求结构刚度高，运行平稳，位移分辨率高，整个轨道的累积误差小（4m/ 400mm）。 因此，为了满足使用要求，为了降低成本，Y轴选择步进电机驱动，滚珠丝杠螺母机构为传动机构，螺杆有效行程250mm，最初确定为300mm，引线5mm处。 导轨选择滚动直线导轨，导轨间距最初确定为20

36、0mm，长度600mm。3.6划片机Z轴的初步设计Z轴系统是在划线过程中驱动高速主轴提升刀刀运动的过程中的作用。 X轴驱动台往复运动一次，Z轴驱动剪刀也上下升降，完成单元切片段切割。 Z轴的要求是重复定位精度，以确保晶片切割深度的一致性18。 因此，为了满足精度要求，为了降低开发成本，Z轴选择步进电机驱动，滚珠丝杠螺母机构作为进给机构，螺杆的有效行程为100mm，初步确定为150，先导初步 2mm。 导轨初步选择滚动直线导轨，轨道宽度初始确定为220mm，长度300mm。4 划片机X、Y、Z轴机械结构具体设计4 划片机X、Y、Z轴机械结构具体设计4.1X轴机械结构的设计及计算4.1.1X轴伺服

37、电机的选型输送机的总质量W=15 kg，实际摩擦系数=0.12，机械效率= 0.9。 螺距BP=5 mm，减速比GL=1/1，X轴方向无外力F。则 （4.1） （4.2）在容量.选择的时.侯.必.须满足下面.条件:其中是电机额定惯性矩；10是进行高频定位时的系数；是电机额.定转矩；0.7是安全因子；TL是电机.轴换算的负.载转矩。计算得： 因此选择的伺服电机需要满足上面范围，查询选.型样本，发现松.下的伺服电机.MSMD042G1的参数为JM=2.610-5kgm2,很明显.满足要求。它的最大扭矩TAC = 3.8Nm，额.定转速为3000 r/min，最大转.速为5000 r/min。所以X

38、轴的动力源.选择是松下的.伺服电机MSMD042G1。4.1.2X轴滚珠丝杠的选型1.参数与结构的选定(1) 确定滚珠丝杠的导程松下的伺服电型号是MSMD042G1,它的参数如下n额定=3000rmin , nmax=3000rmin，Vmax=300mmsX轴方向的最大运动速度为,故丝杠导程为 （4.3）其中Vmax是X轴方向的最大运动速度,i=1因此选择滚珠丝杠的导程为Ph=5mm 。（2）确定滚珠丝杠的额定载荷当滚动导轨承受载荷的时候，滑动摩擦系数=0.12，一般情况看静摩擦系数和动摩擦系数是相等的，所以静摩擦系数也和滑动摩擦系数取一样，则导轨静摩擦力为： （4.4）f是导轨滑块的密封阻

39、力，有4个滑块，所以按4个计算，而一个滑块的密封阻力是5N,那么四个滑块的密封阻力就是45划片阻力很小，基本可以忽略不计，因此滚珠丝杠的当量载荷为 （4.5）滚珠丝杠螺母副的平均转速为；其中 （4.6）按滚珠.丝杠.副预期.工作时间计.算额定动.载荷为 （4.7）Lh 为预期.工作时间；fw为负荷系数，平稳无冲击时取1；fa 为精度系数；fc 为可靠性系数，一般选取1；（3）滚珠丝杠.副的两个固.定支承之.间的距离 （4.8）其中l为X轴有效行程，l=450mm；经计算取L=556mm ，滚珠丝杠采用的是两轴承座支承，这两个轴承座它们之间的距离为556mm。(4)滚珠丝杠最小螺纹底径 （4.9

40、）(5)确定滚珠丝杠螺纹长度LSLS应该满足下面的行程要求：LS=l+2Le+He （4.10）其中Le为满足设备行程要求后留出来的余量，一般它的取值在5mm到10mm之间。H是螺母的高度这里取值51mm经计算LS=521mm综合考虑后最终取值为550mm。公称直径.d作为精.密传动.丝杠，它的受.力较小，按照以前.设计的.经验，最终决定丝.杠的公.称直径为d=20mm 。经查滚珠丝杠有一个的型号十分满足要求，它的型号就是SFU02005-4，它的导程是5mm,公称直径是20mm。滚珠丝杆的零件图如图5.1 图4.1滚珠丝杆4.1.3X轴直线导轨的选型根据上面的计算，滚珠丝杠的公称直径是20m

41、m,有个上银的直线导轨符合要求，它的型号是上银HGW 20CA型号的直线导轨。银直线导轨的零件图如图5.2图4.2银直线导轨4.2轴机械结构的设计及计算轴方向的传动系.统是由所选的步.进电机通过.蜗轮蜗杆的传.动，使之.带.动承片台顺时针.运动与逆时针运动，它的旋转.范围是-120。120。涡轮蜗杆.是轴传动.的关键部件，下面就对他.们进行详细选择。4.2.1蜗杆蜗轮副的主要参数选择 蜗轮蜗杆需要求.的主要参.数有四个，它们分别是.的.m，q，蜗杆.头数Zl和蜗杆齿.数Z2等。 在蜗杆传动.装置的设计中，首先选.择蜗.杆头Z1的数.量，然后选择蜗杆.齿Z2的数量，它们选择都是.根据传动目的.和

42、传动比。其次，再确定模数m，随之确定特征系数q，然而这两个参数的选择是根据传动扭矩的大小和状况来。上面的四.个参数确定后，就需要确.定其他.尺寸了，其他几何尺寸的.涡轮蜗杆，我们可.以根据其相应的公式计算得出。（1）蜗杆头数Z1和蜗轮齿数Z2转角分辨率为8，我们选择的步进电机，它的步进角为1.5，所以传动比:i1.56060/8675，实际设计取i = 680.即: 蜗杆头数Z1=1蜗轮齿数Z2=iZ1=680（2）模数m和蜗杆特性系数q在中间.平面上，蜗杆与蜗轮.啮合时，蜗杆的轴.向模数和蜗.轮端面的模数，有着很大关系，它们是相.等的，即ma1=mt2，蜗轮.的端模数.定义我们都知道，也就是

43、我们.常说的标准模数 ，查标准手册.用类比法，最终确定模.数为0.2，即：m=0.2，为了减少滚.刀的数量，这样做有利于滚.刀的标准化，而且还提供了一定模数的蜗.杆分度.圆直径，这样也就对蜗杆的特性.系数加了限制，蜗杆特性.系数就是d1/m（dl蜗杆分度圆直径），这个比值.就是蜗杆特.征系数q，q=d1/m。 当m=0.2时，确定了蜗杆特.性系数是24，它是根据手册选择的，即：q=62.5。 （3）蜗杆蜗轮副主要几何尺寸计算表4.1列出了蜗杆蜗轮.副主.要几何尺寸计算。名称符号计算公式得数蜗杆分度圆直径d112.5mm蜗杆分度圆上升角55蜗杆齿顶圆直径da112.9mm蜗杆轴面顶隙系数C蜗杆齿

44、根圆直径dn12mm蜗杆螺纹部分长度L15蜗轮分度圆直径d2136mm蜗轮齿顶圆直径da2136.4mm蜗轮齿根圆直径df2135.5mm蜗轮外圆直径dw2136.8mm蜗轮螺旋角255蜗轮宽度b9.5mm蜗轮轮齿包角270中心距a74.25mm（4）蜗杆蜗轮副设计 首先确定蜗杆螺纹部分的长度： 查手册知：普通圆柱蜗杆：Z 1=1，2时，b(12+0.1Z2)m ； Z 1=3，4时，b(13+0.1Z2)m ；ZC1蜗杆：b2.5mZC3蜗杆：当x21，Z1=1，2时，b(12.5+0.1Z2)m； 当x21，Z1=1，2时，b(13+0.1Z2)m； 当x21，Z1=3，4时，b(13.5+0.1Z2)m； 当x21，Z1=3，4时，b(14+0.1Z2)m；