摘 要IC 封裝是半導體三大產(chǎn)業(yè)之一(器件設計、晶片制作和器件封裝) 。其后封裝工序主要包括: 劃片、粘片、超聲球焊、封裝、檢測、包裝。劃片機是 IC 后封裝線上的第一道關鍵設備，其作用是把制作好的晶片切割成單元器件，為下一步單元晶片粘接做好準備。但由于與國外技術存在差距，目前我國高端劃片機仍然依賴進口。為了促進 IC 封裝設備的國產(chǎn)化，本設計對劃片機進行了總體規(guī)劃并且對關鍵零部件進行了詳細設計在分析劃片工藝要求的基礎上，確定了劃片機的主要功能，進而進行了劃片機的各部分功能的原理方案設計。其次，提出了四種不同的結構方案，并詳細對比了其優(yōu)缺點，然后確定了結構方案設計，完成了劃片機的總體規(guī)劃。接下來，針對劃片工藝要求，進行了各部分結構的初步設計，包括各軸的傳動方案、支承方案以及相關的結構參數(shù)。然后，根據(jù)課題要求，對劃片機的 Y、Z 軸進行了詳細設計，通過計算，分別完成了 Y、Z 軸的絲杠螺母機構的選型、電機的選型、導軌的選型。最后，完成了劃片機 Y、Z 軸的裝配圖。關鍵字：劃片機；總體規(guī)劃；結構設計；滾珠絲杠；步進電機；滾動直線導軌；AbstractIC packaging is one of the semiconductor industry( device design, wafer fabrication, and packaging ) . Subsequently packaging processes include : dicing , die attach , ultrasonic ball bonding , packaging , testing and packaging. Scribing machine is the key equipment after the first line of the IC package , its role is to make a good wafer into single components , ready for the next unit wafer bonding. But because there is a gap with foreign technology , China's high- scribing machine is still dependent on imports. In order to promote the localization of IC packaging equipment , the overall plan and key components＇detail design of a dicing machine are been done in this design.On the basis of analyzing the dicing process, dicing machine main function is been defined. Then the design of principal program, of each part's function, is been done. Secondly, four different structural schemes are proposed, and a detailed comparison of their advantages and disadvantages is showed in the article, and then the structure of the program design is determine, a master plan dicing machine completed.Next, for the dicing process requirements, a preliminary design of each part of the structure is completed, including the drive shaft of the program, support programs and related structural parameters. Then, according to the task requirements, Y, Z axis dicing machine are designed in detail. By calculating, the Y, the selection of screw nut body, the selection of the motor, and rail are Completed. Finally, the assembly drawing of Z-axis Y-axis are completed.Key words:Scribing machine; overall planning; structural design; ball screws; stepper motor; rolling linear guide目錄1 緒論 41.1 引言 41.2 劃片機的發(fā)展過程 41.3 劃片機的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 51.4 設計任務及要求 62 劃片機的總體方案設計 62.1 劃片機的技術要求 62.2 劃片機的原理方案設計 72.2.1 劃片機砂輪驅(qū)動系統(tǒng)的原理方案設計 72.2.2 劃片機 X、Y、Z 軸的原理方案設計 .72.2.3 劃片機 θ 軸的原理方案設計 72.2.4 劃片機晶片固定方案設計 82.2.5 劃片機晶片定位方案設計 82.2.6 劃片機的控制方案 82.2.7 劃片機的冷卻、保護方案設計 82.3 劃片機的結構方案設計 93 劃片機結構參數(shù)的初步設計 103.1 劃片機主軸的參數(shù)的初步設計 103.2 劃片機晶片定位機構參數(shù)的初步設計 113.3 劃片機晶片固定系統(tǒng)參數(shù)的初步設計 113.4 劃片機 X 軸的初步設計 .123.5 劃片機 Y 軸的初步設計 .133.6 劃片機 Z 軸的初步設計 .133.7 劃片機 θ 軸的初步設計 144 劃片機軸 Z 和 Y 軸的詳細設計 144.1 劃片機 Z 軸的詳細設計 .144.1.1 Z 軸滾珠絲杠的設計 144.1.2 Z 軸電機的選型 164.1.3 Z 軸導軌的選型 174.2 劃片機 Y 軸的詳細設計 .184.2.1 Y 軸滾珠絲杠的設計 184.2.2 Y 軸電機的選型 194.2.3 Y 軸導軌的選型 215 結束語 22致謝 221 緒論1.1 引言IC 封裝是半導體三大產(chǎn)業(yè)之一(器件設計、晶片制作和器件封裝) 。其后封裝工序主要包括: 劃片、粘片、超聲球焊、封裝、檢測、包裝。劃片機是 IC 后封裝線上的第一道關鍵設備，其作用是把制作好的晶片切割成單元器件，為下一步單元晶片粘接做好準備。劃片機切割晶片的規(guī)格一般為 3-6 英寸晶片，單元晶片的外型一般為矩形或多邊形。目前，我國的半導體封裝設備(如劃片機、粘片機、金絲球焊機等 )還主要從美國、日本、新加坡引進。為了促進 IC 封裝設備的國產(chǎn)化，本課題組開展了 IC 封裝設備劃片機的研制工作。因此，對劃片機進行總體規(guī)劃并且對關鍵零部件進行設計，不僅有較大的學術價值，而且有廣闊的應用前景。1.2 劃片機的發(fā)展過程劃片技術是集成電路后封裝的一道工序，劃片機的劃片方法根據(jù)其發(fā)展過程可以分為三種: 金剛石劃片、激光劃片和砂輪劃片。（1）金剛石劃片這是最早出現(xiàn)的劃片方法，是目前用得最少的方法，與劃玻璃的原理相同。使用鋒利的金剛石尖端，以 50 克左右的固定載荷劃出小片的分割線，再加上彎曲力矩使之分成小片。一般來說，金剛石劃片時線條寬度為 6-8μm、深度為 5μm，硅表面發(fā)生塑性變形，線條周圍有微裂紋等。如果劃片時出現(xiàn)切屑，掰片時就可能裂開，小片的邊緣又不整齊，分片就不能順利進行。金剛石尖有圓錐形(l 點式)、四方錐形(4 點式 )等。圓錐形的金剛石尖是采用其十二面體晶格上的(111)軸，并將尖端加工成半徑 2-5μm 的球面。劃片的成品率在很大程度上取決于金剛石尖端的加工精度及其鋒利性的保持情況。（2）激光劃片第二代劃片的方法是激光劃片。激光劃片就是將激光呈脈沖狀照射在硅片表面上，被光照的那一部分硅就會因吸收激光而被加熱到 10000℃的高溫，并在一瞬間即氣化或熔化了，使硅片留下溝槽，然后再沿溝槽進行分開的方法。激光劃片時，硅粉會粘在硅片表面上，所以還必須對硅片上的灰塵進行必要的處理。該方法劃硅片比金剛石劃片的成品率高，所以曾經(jīng)在一個時期內(nèi)替代了金剛石劃片。但激光劃片對工藝條件十分敏感。激光功率、劃片速度、焦點位置、氣流壓力等參數(shù)的波動或變化都會影響劃片質(zhì)量，致使劃片深度尺寸不均勻，導致分片時容易碎片，降低成品率，增加了成本。同時激光劃片時，高溫對熱組織區(qū)內(nèi)的材料也有很大的影響，從而影響到芯片的性能。但激光劃片相對于其他的劃片技術來說，結構簡單，在切割中和切割后芯片碎裂率少，無論單晶硅片薄厚，切口寬度均小于 3μm，切口邊緣平直、精準、光滑，能夠在每片晶圓上制作并切割出更多數(shù)量的芯片。(3)砂輪劃片第三代劃片機是砂輪劃片機。砂輪劃片機是利用高速運轉(zhuǎn)的空氣靜壓主軸帶動刀片，通過光柵尺和導軌系統(tǒng)的控制，將刀刃定位在加工材料上，最終形成具有一定深度和寬度的切口 [1]。砂輪劃片工藝質(zhì)量與主軸轉(zhuǎn)速、切割速度、刀片厚度等都有一定的關系。相對合理的主軸轉(zhuǎn)速能有效地控制刀片在隨主軸轉(zhuǎn)動時的相對震動、有利于刀片在切割時的徑向穩(wěn)定性，從而提高切割質(zhì)量。刀片的切割速度決定工作效率，如果切割速度不斷變大，在切割的過程中沿溝槽的刀具的速度也會變得不好控制。切割速度會受制于待加工材料的硬度，如硅晶圓表面材料的硬度直接決定切割速度。如果切割超硬材料時切割深度過大都不利于刀片的正常使用，并最終影響到刀片的壽命。三種劃片技術的比較如表 1-1 所示。由表 1-1 可以看出，砂輪劃片的加工速度、加工深度、加工寬度、加工效果等相對其他兩種加工技術具有突出的優(yōu)點，因此砂輪劃片是目前的主流加工技術。表 1-1 加工工藝比較指標 分類 金剛石劃片 激光劃片 砂輪劃片加工速度 46mm/s 150mm/s 300mm/s加工深度 3～10μm ～100μm ～100μm加工寬度 3～10μm 20～25μm ?刀片厚度+10μm劃片效果 裂紋大 有熱損耗 只有微小裂紋成品率 60～70% 70～80% 98%噪音 小 大 較小其他 硅片厚度為小片尺寸的 1/4 以下有黏著灰塵的問題 需要切削液、壓縮空氣1.3 劃片機的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 [2]在國外，劃片機自七十年代初問世以來，發(fā)展非常迅速，應用領域也越來越廣，品種也在不斷增加。剛開始時，只有日本、英國、美國三個國家的四、五個公司制造劃片機，而如今俄羅斯、臺灣、中國大陸也都制造出了劃片機，劃片機制造廠家己經(jīng)發(fā)展到十多個公司。目前，國外生產(chǎn)劃片機的廠商主要有：日本 DISCO、東京精密 TSK，以色列ADT，以及英國流星 Load point 公司 [3]。最初生產(chǎn)的劃片機只是用來切割晶體管半導體硅片，只能切割最大為 3 英寸的硅片。而如今，它不僅可以切割硅片，還可以切割其它的薄、脆、硬材料，應用領域越來越廣泛。日本 DISCO 公司生產(chǎn)的劃片機占世界劃片機銷量的80%，代表著當今劃片機的較高水平。該公司在 2002 年 12 月推出了 DFD636O 型劃片機，該機最大劃片尺寸達 300mm(12 英寸) ，劃片槽寬度達到 20μm。切割速度高達 600mm/s，定位精度最高達 0.003mm。J P Sercel Associates 公司生產(chǎn)紫外(UV)激光劃片機，可用于切割 300mm 直徑的單晶硅圓片，采用 355nm 或 266nm 的短脈沖 UV 激光光源，采用了高性能、超精確的氣動操作臺，獲得了較高的速度和加速度，斷面邊緣光滑平直，而且劃片槽僅有 2.5μm 寬。我國真正研制劃片機的時間較晚，基本上是從七十年代開始的。1982 年我國研制出第一臺國產(chǎn)化的砂輪劃片機，結束了當時我國劃片機完全依賴進口的局面。國產(chǎn)劃片機設備制造商主要有：中國電子科技集團公司第 45 研究所、沈陽儀表科學研究院、西安捷盛電子技術有限責任公司、上海富安工廠自動化有限公司、武漢三工光電設備制造有限公司。我國的劃片機主要以中國電子科技集團第 45 研究所為代表，該研究所從 1994 年開始先后生產(chǎn)了 HP602 型(150mm)精密自動劃片機，該款劃片機采用恒力矩變頻分相調(diào)速技術，可以減少圓片正反面的崩角情況并能夠提高芯片的抗折強度，從而提高了芯片的質(zhì)量，工作臺采用滾動導軌；在此基礎上于 2004 年研制了 HP801 型(200mm)精密自動劃片機，在增大晶圓的直徑的同時，也增加了晶圓上芯片的數(shù)量，提高了芯片產(chǎn)出的效率，并達到了實用化，定位精度為±10μm；而后又研制了 KS780 等型號的劃片機 [4]。沈陽儀表科學研究院研制了 ZSH5 型自動砂輪劃片機，精度達到了±5μm/350mm，切割晶圓的行程為152.4mm，與當時國際上 203.2mm 有很大的差距，切割速度為 150mm/s，與當時的國外先進的劃片速度 300mm/s 還相差很大。目前，國產(chǎn)新型的雙軸 200mm(8 英寸) 精密自動劃片機，也已進入了實用化階段，劃片槽寬度達到 30-40μm。2010 年 1 月 3 日，蘇州天弘激光股份有限公司推出了其第一款晶圓激光劃片機 TH-321 型激光劃片機，采用高精度的兩維直線電機工作臺及直驅(qū)旋轉(zhuǎn)平臺，劃片槽寬度降低到 3μm。武漢三工光電設備制造有限公司生產(chǎn)的晶圓激光劃片機，采用數(shù)控的工作方式，最大線切害速度為 140ｍｍ/s，定位精度為±10μm。從國內(nèi)外現(xiàn)狀來看，國內(nèi)劃片機的劃片尺寸、切割速度及定位精度還沒有達到國際先進的水平，劃片槽的寬度也與國外相差很大，所以對劃片機進行總體規(guī)劃并且對其 Y、Z軸進行設計具有重要的意義。1.4 設計任務及要求本設計的要求如下：（1） 對劃片機進行總體規(guī)劃，完成原理方案和結構方案設計，確定實施方案；（2） 對劃片機進行結構參數(shù)的初步設計，并完成相關的計算；（3） 對劃片機進行結構參數(shù)的初步設計，并完成相關的計算；（4） 完成劃片機的機械結構，對 Y、Z 軸進行具體設計（Y 軸: 有效行程大于160mm，最小位移分辨率小于 2μm，步進精度小于 4μm，全程累積誤差小于5μm/160mm； Z 軸：最大行程 30mm，重復定位精度小于 2μm。 ） ；（5） 完成裝配圖和零件圖。2 劃片機的總體方案設計2.1 劃片機的技術要求劃片機是精密切割專用設備，是 IC 后封裝線上的第一道關鍵設備，其作用是把制作好的晶片切割成單元器件，為下一步單元晶片粘接做好準備。劃片機切割晶片的規(guī)格一般為3-6 英寸晶片，單元晶片的外形一般為矩形或多邊形，如圖 2-1 所示 [5]。圖 2-1 單元晶片圖形示意圖由前述可知，隨著劃片技術的發(fā)展，砂輪劃片機因其優(yōu)異的性能已經(jīng)成為當今劃片工序中的主流加工設備。因此，本文以砂輪劃片機作為設計對象。從劃片的要求出發(fā)，砂輪劃片機應具備以下一些功能和裝置 [6]。（1）砂輪刀片應能做高精度的高速旋轉(zhuǎn)運動，以便完成對晶片的劃切。（2）具有能進行精確平行線切割的機構，所以砂輪刀片或承載工件的承片臺應能作X-Y 向運動。（3）為了切割不同深度的工件和讓刀的需要，應具有能進行高度調(diào)整的機構，所以砂輪刀片或承片臺應能作 Z 向運動。（4）為了進行兩個以上方向的切割，應具有能進行轉(zhuǎn)向的機構，所以砂輪刀片或承片臺應能作 θ 向運動。（5）為了固定薄脆工件，應具有合適的夾緊裝置。（6）精確的對準裝置。（7）滿足生產(chǎn)率和精度要求的計算機控制系統(tǒng)、相應的硬件以及控制軟件。（8）其他輔助裝置，如冷卻、保護裝置等。通過上述分析，基本明確了劃片機應該具有的功能，其中圖 2-2 為砂輪劃片機的功能結構圖。晶片分割輔助功能平行線切割高度調(diào)整多個方向切割工件對準工件固定精確控制冷卻保護等X - Y運動Z 向運動θ 向運動晶片切割方向的對準晶片位置確定且能保持控制系統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)砂輪高速主軸圖 2-2 劃片機功能結構圖此外，本課題中對 Y 軸和 Z 軸的設計有具體的技術要求，其中，Y 軸：有效行程大于160mm，最小位移分辨率小于 2μm，步進精度小于 4μm，全程累積誤差小于5μm/160mm； Z 軸：最大行程 30mm，重復定位精度小于 2μm。2.2 劃片機的原理方案設計2.2.1 劃片機砂輪驅(qū)動系統(tǒng)的原理方案設計劃片機是以強力磨削為劃切原理，在劃片時砂輪以每分鐘 3 萬到 6 萬的轉(zhuǎn)速劃切晶圓的劃切區(qū)域，因此，砂輪需要高速主軸來驅(qū)動 [7]。如果用普通主軸來實現(xiàn)，則需要使用變速機構，不僅結構復雜，而且由于摩擦的存在，增加了電機的功率損耗。而電主軸是最近幾年在數(shù)控機床領域出現(xiàn)的將機床主軸與主軸電機融為一體的新技術。高速數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)取消了帶輪傳動和齒輪傳動。機床主軸由內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機床的“零傳動”。這種主軸電動機與機床主軸“合二為一”的傳動結構形式，使主軸部件從機床的傳動系統(tǒng)和整體結構中相對獨立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“ 電主軸”(Electric Spindle, Motor Spindle)。電主軸具有結構緊湊、重量輕、慣性小、振動小、噪聲低、響應快等優(yōu)點，而且轉(zhuǎn)速高、功率大，簡化機床設計，易于實現(xiàn)主軸定位，是高速主軸單元中的一種理想結構。因此，選擇電主軸來直接驅(qū)動砂輪刀片，可以滿足本設計的使用要求。2.2.2 劃片機 X、Y、Z 軸的原理方案設計劃片機的 X、Y、Z 三個軸主要完成劃片時的平行線切割和切割不同深度的工件以及讓刀等功能，因此它們主要完成往復直線運動。能夠?qū)崿F(xiàn)往復直線運動的機構有多種，如曲柄滑塊機構，凸輪機構，齒輪齒條機構，螺旋傳動機構，氣缸，液壓缸等。由于劃片時需要精確定位，而曲柄滑塊機構、凸輪機構和齒輪齒條機構的傳動精度達不到使用要求，氣缸、液壓缸還要單獨設置泵站，不僅增加了成本，而且使控制系統(tǒng)變的復雜。而螺旋傳動大量使用在機床的進給系統(tǒng)上，具有傳動比大、精度較高、結構簡單、傳動平穩(wěn)等優(yōu)點。因此，選用電動機作為原動機，通過螺旋傳動將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為工作臺的往復直線運動，可以滿足 X、Y、Z 三個軸的傳動要求。圖 2-3 螺旋傳動示意圖2.2.3 劃片機 θ 軸的原理方案設計劃片機 θ 軸的作用是為了進行兩個以上方向的切割，通過 θ 軸的旋轉(zhuǎn)，帶動砂輪刀片或承片臺旋轉(zhuǎn)相對應的角度，從而完成特定方向上的切割。因此，θ 軸要實現(xiàn)往復旋轉(zhuǎn)運動，且能夠自鎖。此外，要有準確的分度，可以實現(xiàn)小分辨率，能進行微調(diào)等。這需要很高的傳動比，因此選擇具有較大傳動比的蝸桿傳動。圖 2-4 蝸輪蝸桿傳動示意圖2.2.4 劃片機晶片固定方案設計由于被切割的晶片是平面度極高的薄脆片，普通的機械裝夾方式極易造成硅片的損傷，所以夾緊采用負壓方式將硅片吸附于工作臺上。負壓夾緊就是通過將硅片與承片臺接觸面間的空氣抽出，形成真空，在大氣的作用下將工件夾緊在承片臺上。該種裝夾方式不僅裝夾方便，而且效率高、清潔、不損傷硅片。2.2.5 劃片機晶片定位方案設計為了在晶片的特定位置上切出溝槽，被切晶片在承片臺上的定位必須準確，幾乎不允許定位誤差的存在，這就要求硅片的定位操作一定要在具有一定放大倍數(shù)和高分辨率的監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)視下來進行。為此，選擇光學定位監(jiān)視系統(tǒng)作為圖形對準裝置。劃片機的定位系統(tǒng)構成如圖 2-5 所示。其中，光學系統(tǒng)采用內(nèi)、外置光源可轉(zhuǎn)換的分離視場顯微鏡+CCD 方式。該系統(tǒng)具有獨立的微調(diào)機構，與主軸同步運動。分離視場顯微鏡是根據(jù)兩點確定一條直線的原理，從硅片上相距一定距離的兩點分別取像再合成，然后CCD 相機獲得合成圖像。圖像采集卡將 CCD 相機獲得的合成圖像采集后傳遞給圖像處理軟件，圖像處理軟件將處理結果反饋給計算機控制系統(tǒng)，最后計算機控制系統(tǒng)控制劃切工作臺的移動，使硅片切割線與 X 軸移動軌跡相平行，將復雜的圖像對準工作變得簡單而方便。圖 2-5 劃片機定位系統(tǒng)構成2.2.6 劃片機的控制方案 [8]劃片機的控制任務主要是控制 X、Y 、Z、θ 軸的精確進給，從而使晶片按要求完成劃切。此外，還要完成晶片的裝卸及自動夾緊，冷卻液的供給，還應該有必要的保護程序。因此，可以采用工控機作為上位機，運動控制卡作為下位機，實現(xiàn)對劃片機的控制。2.2.7 劃片機的冷卻、保護方案設計為了冷卻主軸和砂輪刀片、沖洗砂輪刀片和工件上的硅粉，應具有上下水裝置。采用電磁閥來控制上水的通斷，以保證切割時冷卻水的供給，不工作時水路關斷。為保證工作時有充足的水流，應具有水電聯(lián)鎖裝置，當未供水或水壓不符合要求時，系統(tǒng)應不能進行切割操作，在運轉(zhuǎn)中的系統(tǒng)應從工作狀態(tài)退出，并且將故障狀態(tài)反饋給上位機，在控制頁面給出相應故障提示。此外，對于承片臺，如果氣路發(fā)生故障，則應該停止工作，防止晶片在高速旋轉(zhuǎn)的砂輪作用下飛出，并且在控制頁面上給出的相應的故障提示。2.3 劃片機的結構方案設計 [9]砂輪劃片機的原理方案已經(jīng)確定，而實現(xiàn)原理方案的結構方案有多種，每種方案又各有其優(yōu)缺點。其中，劃片機的主軸、晶片固定方式、定位方式、控制方式、冷卻保護方案已經(jīng)確定，所以它們的結構形式已經(jīng)確定。而劃片機的 X、Y 、Z、θ 軸卻有不同的布局方式 [10]，典型的四種方案如表 2-1 所示。表 2-1 結構方案比較表序號 承片臺的運動 結構復雜程度 砂輪刀片的運動 防水性能 總體布局1 X+Y+Z+θ 復雜 自轉(zhuǎn) 好 不好2 X+Y+θ 較復雜 自轉(zhuǎn)+Z 好 不好3 X+Y 較簡單 自轉(zhuǎn) +Z+θ 不好 不好4 X +θ 較簡單 自轉(zhuǎn)+Y+Z 好 好第一種方案的示意圖如圖 2-6 所示，承片臺除了作 X-Y 十字運動外，還要作 Z 向上下、θ 向旋轉(zhuǎn)運動，四重結構，結構復雜，機器的自重大，運動慣性大，影響定位精度，所以不宜采用。第二種方案的示意圖如圖 2-7 所示，承片臺除了作 X-Y 十字運動外，還要作 θ 向旋轉(zhuǎn)運動，結構比第一種稍簡單，但同樣存在運動慣性大，影響定位精度的缺點，不宜采用。 主 軸 承 片 臺 θ 電 機Z電 機X電 機 Y電 機砂 輪 刀 片 Z電 機 θ 電 機主 軸 承 片 臺X電 機 Y電 機砂 輪 刀 片圖 2-6 方案一示意圖 圖 2-7 方案二示意圖第三種方案的示意圖如圖 2-8 所示，承片臺只作 X-Y 十字運動，結構相對簡單。但砂輪刀片除自轉(zhuǎn)外，還要作 Z 向上下、θ 向旋轉(zhuǎn)運動，結構相對復雜，而且冷卻液的出口與砂輪刀片的相對位置是固定的，隨著砂輪刀片的旋轉(zhuǎn)，冷卻液出口也在旋轉(zhuǎn)，這就增加了防水的難度。而防止水的泄露，對劃片機來說是非常重要的環(huán)節(jié)，因為水的泄露會導致精密零部件的腐蝕，最后導致整臺設備很快喪失精度，無法使用。因此，這種方案不宜采用。第四種方案的示意圖如圖 2-9 所示，承片臺只作 X 向進給運動和 θ 向旋轉(zhuǎn)運動，結構較簡單。砂輪刀片雖然除了要作自轉(zhuǎn)外，還要做 Y 向進給以及 Z 向上下運動，但結構也較簡單，而且砂輪刀片的運動范圍比較小，防止水的泄露要容易的多，所以最終決定采用這種結構方案。X電 機 主 軸 承 片 臺θ 電 機 Z電 機 Y電 機砂 輪 刀 片 主 軸 承 片 臺θ 電 機Z電 機 Y電 機砂 輪 刀 片X電 機圖 2-8 方案三示意圖 圖 2-9 方案四示意圖3 劃片機結構參數(shù)的初步設計3.1 劃片機主軸的參數(shù)的初步設計 [11]要確定砂輪劃片機的主軸參數(shù)，首先要確定砂輪劃片機的砂輪刀片形式。砂輪劃片機用刀的外緣(外徑)來實現(xiàn)劃切，按形式分：硬刀和軟刀。硬刀是將刀片與法蘭做成一體，軟刀需用法蘭盤夾緊。按結合形式分：鎳基刀、燒結刀、樹脂刀。劃片機一般選用的刀片外徑為 φ50-φ100 mm 的鎳基刀和樹脂刀 [12]。對于 IC 封裝中的硅片劃切，一般使用鎳基硬刀 [13]。其中，鎳基刀是將金剛砂通過鎳基結合劑鍍制而成，其外徑一般取 50mm13。而且，其具有壽命長、刀邊緣幾何形狀保持好、高精度和高質(zhì)量切割、能制造出 0.015 mm薄刀等優(yōu)點。鎳基刀的厚度一般為 0.015-0.1 mm，這里選擇 0.020mm。對 φ50 mm 的鎳基刀，主軸速度建議 3 萬-3.5 萬 r/min，最大 4 萬 r/min。因此，可取劃片機的主軸速度為 4 萬 r/min。在原理方案中，已經(jīng)確定選擇電主軸來驅(qū)動砂輪刀片。而電主軸大致可以分為 3 大類：磨削、銑削、雕銑等。由于劃片是強力磨削加工，屬于磨削，因此應從磨削大類中選擇電主軸。由于電主軸的轉(zhuǎn)速較高，若采用普通機械支承，將會產(chǎn)生嚴重的摩擦熱，導致精度、壽命受損等嚴重問題。因此，支承采用流體摩擦支承中的氣體靜壓支承，主軸采用國內(nèi)最先進的中頻空氣靜壓電主軸。氣體靜壓支承幾乎無摩擦、無磨損、不發(fā)熱，對使用環(huán)境和使用部位沒有任何污染。同時，氣體軸承具有回轉(zhuǎn)精度高和耐低溫、高溫及輻射等優(yōu)良特性。因此，空氣靜壓電主軸轉(zhuǎn)速高（轉(zhuǎn)速最高可達 400000-500000r/min） ，精度高，振動小，無磨損，運轉(zhuǎn)性能可靠，可獲得平穩(wěn)高速的線速度，并可長期保持高精度狀態(tài)，能滿足所設計的砂輪劃片機的使用要求。電主軸冷卻方式一般有自冷，風冷，水冷和油冷幾種方式。其中水冷用的最多，可以根據(jù)電主軸的發(fā)熱量配相應的功率的冷卻水系統(tǒng)。空氣靜壓電主軸的結構簡圖如圖 3-1 所示。圖 3-1 劃片機空氣靜壓電主軸結構簡圖電主軸的潤滑方式一般有油脂潤滑，油霧潤滑，油氣潤滑。油脂潤滑轉(zhuǎn)速相應要低；油霧，油氣潤滑轉(zhuǎn)速高，但要配相應潤滑系統(tǒng)。根據(jù)砂輪劃片機的主軸轉(zhuǎn)速，選擇油氣潤滑。針對以上選定參數(shù)，可以選擇洛陽軸研科技專門為劃片機生產(chǎn)的高速電主軸，型號為92GD40Q。其中，轉(zhuǎn)速為 40000r/min，功率 0.75kw，電壓為 220v，為硅片切割機用高速電主軸。其中，劃片機的結構尺寸如圖 3-2 所示，D=92mm，d=70mm，B=23mm，L1=210mm，L2=362mm 。圖 3-2 劃片機電主軸的結構尺寸3.2 劃片機晶片定位機構參數(shù)的初步設計劃片機的定位系統(tǒng)使用的光學系統(tǒng)為分離視場顯微鏡，其原理為，相距 X 的兩物鏡分別拾取硅片上相距 X 的兩個半圓形影像，經(jīng)一系列的光學合成，在目鏡中給出一個合成的圓形影像，這個圓形影像的左右兩個半圓形影像分別是硅片上相距 X 距離的兩個半圓形影像的放大。根據(jù)兩點確定一條直線的原理，調(diào)整硅片位置，使兩影像中相應的位置對正，硅片就在轉(zhuǎn)臺上準確定位了 [14]。由此可見，顯微鏡的物鏡間距 X 與硅片的定位誤差成反比，既 X 越大，硅片定位誤差越小 [15]。但由于在集成電路生產(chǎn)中硅片的生產(chǎn)是在一定的尺寸范圍內(nèi)進行的，所以說隨意地加大 X，將使顯微鏡正常使用的范圍縮小。根據(jù)既保證硅片在定位時，具有足夠高的定位精度，又保證定位監(jiān)視系統(tǒng)在很大的生產(chǎn)范圍內(nèi)正常使用的原則，通過調(diào)查和實際操作試驗選定該系統(tǒng)顯微鏡的物鏡間距為 40mm[16]。采用 Y、Z 雙向細牙螺桿對顯微鏡進行焦距和位置微調(diào)，如圖 3-3 所示。調(diào)整好的顯微鏡一字線正好與硅片切割線重合 [17]。圖 3-3 顯微鏡安裝調(diào)整示意圖3.3 劃片機晶片固定系統(tǒng)參數(shù)的初步設計 [18]晶片固定是采用真空吸附來進行固定的。真空吸附是利用了噴嘴高速噴射壓縮空氣，卷吸噴嘴出口周圍的空氣，從而形成負壓、產(chǎn)生吸力的原理。真空吸附的工作原理如圖 3-4 所示。圖 3-4 真空發(fā)生原理圖由于目前砂輪劃片機劃切的晶片的直徑主流是 200mm，所以本設計以 200mm 晶片為加工對象。因此，真空吸盤的直徑可初步定為 210mm。3.4 劃片機 X 軸的初步設計X 軸的原理方案和結構方案已經(jīng)確定，接下來要對電機、絲杠、導軌三個部分進行設計。（1）電機選擇 [19]常見的控制電機有步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機。它們各有其優(yōu)缺點以及相對應的應用場合。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移信號的執(zhí)行元件，每接收一個電脈沖信號，步進電機轉(zhuǎn)過一個步距角。步進電機轉(zhuǎn)子的角位移與輸入脈沖的個數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率成正比，轉(zhuǎn)向取決于繞組的通電相序。因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。步進電機的優(yōu)缺點如下：①電機旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；②電機停轉(zhuǎn)的時候具有最大的轉(zhuǎn)矩（當繞組激磁時）③由于每步的精度在 3%-5%，而且不會將一步的誤差積累到下一步，因而有較好的位置精度和運動的重復性；④優(yōu)秀的啟停和反轉(zhuǎn)響應；⑤由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命；⑥電機的響應僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控制，這使得電機的結構可以比較簡單而且控制成本較低；⑦僅僅將負載直接連接到電機的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)；⑧由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。缺點：①如果控制不當容易產(chǎn)生共振；②難以運轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速。伺服電機按驅(qū)動電源的不同可以分為兩種，即直流伺服電動機和交流伺服電動機。直流伺服電動機是一種靠直流供電，其輸出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩能夠受輸入電壓或電流信號控制，并快速響應的電機。它具有良好的啟動特性，驅(qū)動力矩大，調(diào)速范圍寬，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與控制電壓成正比，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加而近似線性下降，當控制電壓為零時能立即停轉(zhuǎn)。因此，在對調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)設備中經(jīng)常采用。而交流伺服電機是用交流信號控制的執(zhí)行電機。其主要優(yōu)點是運行平穩(wěn)、脈動小、低速無振動、調(diào)速范圍寬、可短時過載、力矩特性好、控制精度高，但是控制方法復雜、價格貴。在同樣體積下，交流伺服電機輸出功率可比直流伺服電機提高 10%-70%。表 3-1 步進電機和伺服電機的比較由于 X 軸的作用是帶動晶片做往復運動，以完成單元晶片的切割。對 X 軸的要求是運行平穩(wěn)，往返速度要快，對精度要求不高。而步進電機的性價比高，結構簡單，維修成本較低。因此，對比以上三種電機，采用步進電機驅(qū)動可以更好的滿足使用要求。（2）絲杠螺母機構選擇絲杠螺母機構按照摩擦性質(zhì)可以分為滑動絲杠螺母機構和滾動絲杠螺母機構?；瑒咏z杠螺母機構結構簡單、加工方便、制造成本低、具有自鎖功能，但其摩擦阻力矩大、傳動效率低(30 ％-40％) 。滾珠絲杠螺母機構雖然結構復雜、制造成本高，無自鎖功能，但其最大優(yōu)點是摩擦阻力矩小、傳動效率高(92％-98 ％)，而且運動平穩(wěn)、傳動精度高，因此在機電一體化系統(tǒng)中得到廣泛應用。由于劃片機 X 軸要求運行平穩(wěn)，往返速度要快，因此選擇滾珠絲杠螺母副。由于要求X 軸的有效行程大于 180mm，因此可以初步選擇 X 軸絲杠的長度為 470mm。絲杠導程初步確定為 10mm。（3）導軌選擇導軌按摩擦性質(zhì)可以分為滑動導軌、滾動導軌、氣（液）體導軌。其中，滾動直線導軌副是在滑塊和導軌之間放入適當?shù)匿撉颍够瑝K與導軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，大大降低了兩者之間的運動摩擦阻力。其可以實現(xiàn)無間隙運動，從而提高了機械系統(tǒng)的運動剛度，簡化了機械結構的設計和制造。因此，X 軸選用滾動直線導軌，初步選定兩導軌間距 200mm，導軌長度 400mm。3.5 劃片機 Y 軸的初步設計 [20]因為 Y 軸系統(tǒng)的作用是帶動高速主軸做切割進給運動，即按單元晶片的規(guī)格尺寸分步運動。X 軸完成一個往復運動后， Y 軸導軌帶動高速主軸運行一個單元晶片尺寸距離，以便完成下一行的切割。對 Y 軸的要求是結構剛度高，運行平穩(wěn)，位移分辨率要高(2μm) ，導軌全程累積誤差要小(5μm/160mm) 。因此，在滿足使用要求的情況下，為了降低成本，Y 軸選擇步進電機來驅(qū)動，滾珠絲杠螺母機構為傳動機構，絲杠有效行程 160mm，初步確定為 320mm，導程為 5mm。導軌選擇滾動直線導軌，導軌間距初步確定為 200mm，長度為 380mm。3.6 劃片機 Z 軸的初步設計 [21]Z 軸系統(tǒng)的作用是在劃片過程中帶動高速主軸做抬刀落刀運動。X 軸帶動工作臺往復運動一次，Z 軸帶動劃片刀也上下抬落一次，完成對單元晶片的分段切割。對 Z 軸的要求是重復定位精度要高，以保證對晶片切割深度的一致性。因此，在滿足精度要求的情況下，為了降低開發(fā)成本，Z 軸選擇步進電機進行驅(qū)動，滾珠絲杠螺母機構作為進給機構，絲杠有效行程為 30mm，初步確定為 150，導程初步確定為 2mm。導軌初步選擇滾動直線導軌，導軌寬度初步確定為 220mm，長度為 120mm。3.7 劃片機 θ 軸的初步設計 [22]θ 軸主要帶動承片臺做旋轉(zhuǎn)運動，對其的要求是轉(zhuǎn)角±100°，轉(zhuǎn)角最小分辨率小于8 角秒。因此 θ 軸的驅(qū)動電機初步選擇為步進電機，進給機構采用蝸輪蝸桿機構。由于轉(zhuǎn)角最小分辨率小于 8 角秒，所以宜采用大傳動比，類比同類傳動機構，初步確定傳動比為200。4 劃片機軸 Z 和 Y 軸的詳細設計4.1 劃片機 Z 軸的詳細設計4.1.1 Z 軸滾珠絲杠的設計滾珠絲杠的主要參數(shù)的計算如下。（1）確定滾珠絲杠的導程 0L本機要求 Z 軸的重復定位精度小于 2μm，而分辨率= ，所采用的步進036/步 進 角導 程 ?電機的步進角為 ，所以絲杠的導程為：036.= = =2mm0L步 進 角分 辨 率 /?036./02.?（2）滾珠絲杠當量載荷 與當量轉(zhuǎn)速 的計算mFmnZ 軸主要抬刀和落刀的運動，因此絲杠的工作時間很小。由于 Z 軸最大行程 30mm，抬落刀速度 100mm/s，X 軸的有效行程大于 180mm，劃片速度為 300mm/s，所以在一個工作行程內(nèi)，絲杠的工作時間為 0.6s，靜止時間為 1.2s。其中絲杠工作轉(zhuǎn)速 =3000r/min，1n靜止轉(zhuǎn)速 =0r/min；由于絲杠只有一種工作轉(zhuǎn)速，所以工作轉(zhuǎn)速 的工作時間所占工作總2n時間的百分比為 =100%，所以可計算 Z 軸的當量轉(zhuǎn)速如下：%1qmin/30rnm?Z 軸在抬刀落刀過程中，滾珠絲杠的軸向載荷為 ，其主要包含主軸電機的重力 、1F1GZ 向溜板的重力 以及溜板和導軌的摩擦力 ，其中 ， ，2G1fNG0?502?， 為每個滑塊的密封阻力，一共四個)(3.20540.)51(4)(11ff ???????? 2f滑塊，每個滑塊的密封阻力約為 5N，所以= + + =170.3（N ）F2f為了提高 Z 軸的承載能力，將 取為 180N。因為 Z 軸絲桿只有一種工作轉(zhuǎn)速，所以1F其軸向最大載荷 和最小載荷 相等maxminaNFm18032ina???（3）確定預期的額定動載荷確定預期額定動載荷的方法有三種，分別是按滾珠絲杠副預期工作時間計算、根據(jù)滾珠絲杠螺母副的預期運行距離計算、根據(jù)最大軸向載荷計算?，F(xiàn)根據(jù)滾珠絲杠螺母副的預期工作時間進行計算。（N）4.275910823061063am ??????cnWmhfFLC為預期工作時間；h為載荷性質(zhì)系數(shù)，平穩(wěn)無沖擊時取 1；wf為精度系數(shù)，1、2、3 級精度時為 1；nf為可靠性系數(shù)，一般選取 1；cf（4）確定允許的最小螺紋底徑滾珠絲杠螺母副的允許軸向變形量 必須滿足下式：max?）重 復 定 位 精 度 （ ??)2/1~3(max?由于 Z 軸的重復定位精度要求低于 2 ，所以 。m??7.0ax?由于絲杠的支撐方式為兩端支承，所以螺紋底徑的估算公式如下： )(49.27.0139.039.10maxmax2 LFELd ?????????其中：E 為彈性模量（ ） ，一般滾珠絲杠取 E= ；MPaMP510.為估算的滾珠絲杠螺母副允許的最大軸向變形量；ax?為導軌的靜摩擦力（N） ， ，其中為靜摩擦系數(shù)，W 為移動部件的總重量0FF0??（N） ；L 為滾珠絲杠螺母副的兩個支承之間的距離（mm） ，L=有效行程+安全行程+2 余程+螺?母長度+支承長度 。03~25)4.1~2( L）（有 效 行 程 ??（5）選擇滾珠循環(huán)方式表 4-1 中對滾珠的不同循環(huán)方式進行了比較，由于 Z 軸對重復定位精度要求較高，且主軸在切割時為了保證切割深度的一致，對 Z 軸的剛度要求也較高，因此，綜合比較，選擇滾珠循環(huán)方式為固定式內(nèi)循環(huán)。表 4-1 滾珠絲杠副不同循環(huán)方式的比較內(nèi)循環(huán) 外循環(huán)循環(huán)方式浮動式 固定式 插管式 螺旋槽式代號 F G C L結構特點滾珠循環(huán)鏈最短，反向靈活，結構緊湊，剛性好，使用可靠，工作壽命長，螺母配合外徑較小，扁圓型反向器螺母軸向尺寸最短。滾珠循環(huán)鏈較長，但軸向排列緊湊，軸向尺寸小，螺母配合外徑較大（C 型較?。?，剛性較差，但滾珠流暢性好，靈活、輕便。摩擦力矩 小 小 較小 較大工藝性 較差 差 好 一般制造成本 最高 較高 較低 較低使用場合 各種高靈敏、高精度、高剛度的進給定位系統(tǒng)重型載荷、高速運動及精密定位系統(tǒng)。在大導程、多頭螺紋中顯示其獨特優(yōu)點。適用于一般工程機械，不適宜高剛度、高度運動的傳動。（6）選擇滾珠絲杠副的預緊類型滾珠絲杠副的預緊類型有雙螺母齒差預緊、雙螺母墊片預緊、雙螺母螺紋預緊、單螺母變位導程預緊和單螺母增大鋼球預緊，其中雙螺母墊片預緊結構簡單，預緊可靠，軸向尺寸適中，工藝性好，且適用于高剛度的場合，目前使用廣泛。因此，Z 軸選擇雙螺母墊片預緊方式。（7）滾珠絲杠副型號的確定類比相似機構，選擇絲杠公稱直徑為 16mm，然后根據(jù)上述計算結果，且在保證條件下，查閱相關手冊，選擇型號為 JF1602-4 的滾珠絲杠，公稱直徑為amCd?,216mm，公稱導程為 2 mm，絲杠底徑為 14.6 mm,基本額定動載荷為 3.5KN。（8）滾珠絲杠的精度等級由于 Z 軸需要保證切割深度的一致性，且對重復定位精度要求較高，因此，選擇一級精度。（9）確定滾珠絲杠副的支承支承方式選擇一端固定，一端鉸支，固定端需要承受軸向和徑向載荷，選用角接觸球軸承，軸承型號為 7201AC；鉸支端只需承受徑向載荷，選擇深溝球軸承，軸承型號為6201。（10）滾珠絲杠螺母副工作圖的設計具體設計見圖紙（劃片機 YZ 軸裝配圖） 。4.1.2 Z 軸電機的選型Z 軸選用的是步進電動機，對其選型時，首先計算負載折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，然后分別計算各種工況下所需的等效負載力矩，再根據(jù)步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩和啟動、運行矩頻特性等選擇合適的步進電機，具體步驟如下。（1）等效負載轉(zhuǎn)動慣量和等效負載轉(zhuǎn)矩的計算等效負載轉(zhuǎn)動慣量 按下式計算：eqJ )(0431.16.05.793214.).20(1532)( 24400 KgmdLmJBLeq ??????????其中， 為軸向負載的等效轉(zhuǎn)動慣量；LJ為絲杠的等效轉(zhuǎn)動慣量；B電機驅(qū)動絲杠豎直運動的等效負載轉(zhuǎn)矩 按下式計算：eqT)(064.914.32801 mNiLFTeq ??????其中， 為軸向載荷；1為絲杠導程；0L為傳動比，由于是電機直接驅(qū)動絲杠，所以其值為 1；i為傳動機械效率，取值為 0.9；?（2）快速空載啟動等效轉(zhuǎn)矩 的計算1eqT電機快速空載啟動的等效轉(zhuǎn)矩由三部分構成，其計算公式如下： 0max1TTfeq??其中， 為快速空載啟動時折算到電機軸上的加速轉(zhuǎn)矩（ ） ；mN?為快速空載啟動時折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩（ ） ；0f為其他附加轉(zhuǎn)矩（ ） ，例如滾珠絲杠預緊后折算到電機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。TmN?加速轉(zhuǎn)矩 的計算：max )(034.8.056431.13260ax mNtnJTeqe ?????????其中， 為電機轉(zhuǎn)軸的角加速度（ ） ；2/srad為電機的轉(zhuǎn)速 ；mni/r為電機加速所用時間，一般在 0.3-1s 之間選?。籥t為傳動鏈的總效率，一般取 0.7-0.85。?折算到電機軸上的摩擦力矩 的計算：0fT)(4.18.43220510 mNiGfLTf ??????其中，G 為移動部件的重量；為導軌的當量摩擦系數(shù)，滾動導軌取 0.003-0.005；f為絲杠導程；0L為傳動鏈的總效率；?為傳動比，這里是電機直接驅(qū)動絲杠，所以為 1。i由于通常 的值相對 和 的值較小，因此常可忽略不計，所以0TmaxT0f。)(34.max1Nfeq ????（3）最大工作負載等效轉(zhuǎn)矩 的計算2eq最大工作負載等效轉(zhuǎn)矩 的計算公式為T)(068.4.06.2 mNTfLeq ??????其中， 為最大工作負載時折算到電機軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩 ，因為劃片力相對)(mN?較小，所以 ；eqLT?為最大工作負載時折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩（ ） ，因為劃片力相對較小，所f ?以 ；0fT為其他附加轉(zhuǎn)矩（ ） 。mN?（4）步進電機型號的選擇由于劃片機在劃片最大工作負載等效轉(zhuǎn)矩 大于快速空載啟動等效轉(zhuǎn)矩 ，所以按2eqT1eqT照最大工作負載等效轉(zhuǎn)矩 進行選型。查閱相關手冊，選擇 90BYG550B-SAKRML-03012eqT型步進電機，相數(shù)為 5，步距角為 ，保持轉(zhuǎn)矩 4.0 大于 ，定072./36. mN?)(068.2mNTeq??位轉(zhuǎn)矩 0.2 ，轉(zhuǎn)動慣量為 0.00045 大于 ，因此，滿足使用mN? mKg? )(0431.KgJeq?要求。另外，由于 Z 軸采用滾珠絲杠機構，其無法自鎖，而且 Z 軸豎直布置，因此需要設置自鎖機構，為了簡化機構設計，本機采用電機來實現(xiàn)自鎖。其中，定位轉(zhuǎn)距是指電機各相繞組不通電且處于開路狀態(tài)時，由于混合式電機轉(zhuǎn)子上有永磁材料產(chǎn)生磁場，從而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)距。該步進電機的定位轉(zhuǎn)矩 0.2 大于 ，所以，可以滿足 Z 軸的自鎖mN?)(068.2mNTeq??要求。4.1.3 Z 軸導軌的選型（1）確定導軌的使用條件由于 Z 軸的軸向載荷為 180N，該載荷較小，根據(jù)表 4-2 中導軌承載量與導軌規(guī)格對應的經(jīng)驗關系，且為了使結構緊湊，查閱相關手冊，選擇 THK 公司的四方向等載荷型滾動直線導軌，導軌規(guī)格為 8，型號為 HSR 8RM。表 4-2 導軌承載量與導軌規(guī)格對應的經(jīng)驗關系承載量/KN 0-3 3-5 5-10 10-25 25-50 50-80導軌規(guī)格 30 35 45 55 65 85（2）滑塊載荷的計算滑塊載荷的計算公式如下： tEP??其中， 為合成載荷， 為縱向載荷， 為橫向載荷，由于在橫向 Z 軸關于絲杠對稱EPPtP布置，所以滑塊所受橫向載荷很小，此處將其忽略。每個滑塊的縱向載荷計算如下： )(290.08.165)(21)(21001 NlGlFP ????????其中， 為 Z 軸重心到絲杠的垂直距離；為豎直方向兩滑塊的重心距；0l為 Z 軸部件的重力。F所以， )(290.NPE?（3）導軌額定壽命的計算 )(6435)1290.8(5)(5031 mfCLwEn???其中， 為所選導軌的額定動載荷；n為載荷系數(shù)，無外部沖擊或振動的低速運動，其值為 1-1.5，這里取為 1；f所以，所設計的導軌的壽命為 64345m，而一般滾動導軌的額定壽命為 50km，所以，所設計的導軌滿足使用要求。4.2 劃片機 Y 軸的詳細設計4.2.1 Y 軸滾珠絲杠的設計滾珠絲杠的主要參數(shù)的計算如下。（1）確定滾珠絲杠的導程 0L本機要求 Y 軸的重復定位精度小于 2μm，為了提高進給的精確度，這里取為 1μm，而分辨率= ，所采用的步進電機的步進角為 ，對其進行 10 細分，所以036/步 進 角導 程 ? 072.絲杠的導程為：= = =5mm0L步 進 角分 辨 率 /0 072./361.?（2）滾珠絲杠當量載荷 與當量轉(zhuǎn)速 的計算mFmnY 軸主要劃片的分度運動，因此絲杠的工作時間很小。由于 Y 軸進給速度為100mm/s，X 軸的有效行程大于 180mm，劃片速度為 300mm/s，所以在一個工作行程內(nèi)，絲杠的工作時間為 0.6s，靜止時間為 1.2s。其中絲杠工作轉(zhuǎn)速 =3000r/min，靜止轉(zhuǎn)速1n=0r/min；由于絲杠只有一種工作轉(zhuǎn)速，所以工作轉(zhuǎn)速 的工作時間所占工作總時間的百2n分比為 =100%，所以可計算 Y 軸的當量轉(zhuǎn)速如下：%1qmin/30rnm?Y 軸在進給過程中，滾珠絲杠的軸向載荷為 ，其主要為溜板和導軌的摩擦力 ，2F2f， 為 Z 軸的軸向載荷， 為 Z 軸電)(6.05402.)3(4)(21312 NfGFf ???????? 13G機的重力， 為 Z 軸導軌的重力，其中 ， ，所以4GNG503?104= =20.66（N）2Ff為了提高 Y 軸的驅(qū)動能力，將 取為 30N。因為 Y 軸絲桿只有一種工作轉(zhuǎn)速，所以2F其軸向最大載荷 和最小載荷 相等maxminaNFm302ina???（3）確定預期的額定動載荷確定預期額定動載荷的方法有三種，分別是按滾珠絲杠副預期工作時間計算、根據(jù)滾珠絲杠螺母副的預期運行距離計算、根據(jù)最大軸向載荷計算。現(xiàn)根據(jù)滾珠絲杠螺母副的預期工作時間進行計算。（N）9.4510323061063am ??????cnWmhfFLC為預期工作時間；h為載荷性質(zhì)系數(shù)，平穩(wěn)無沖擊時取 1；wf為精度系數(shù)，1、2、3 級精度時為 1；nf為可靠性系數(shù)，一般選取 1；cf（4）確定允許的最小螺紋底徑滾珠絲杠螺母副的允許軸向變形量 必須滿足下式：max?）重 復 定 位 精 度 （ ??)2/1~3(max?由于 Y 軸的重復定位精度要求低于 2 ，所以 。m??7.0ax?由于絲杠的支撐方式為兩端支承，所以螺紋底徑的估算公式如下： )(5.47.0319.039.10maxmax2 LFELd ?????????其中：E 為彈性模量（ ） ，一般滾珠絲杠取 E= ；MPaMP10.2?為估算的滾珠絲杠螺母副允許的最大軸向變形量；ax?為導軌的靜摩擦力（N） ， ，其中為靜摩擦系數(shù)，W 為移動部件的總重量0FF0??（N） ；L 為滾珠絲杠螺母副的兩個支承之間的距離（mm） ，L=有效行程+安全行程+2 余程+螺?母長度+支承長度 。03~25)4.1~2( L）（有 效 行 程 ??（5）選擇滾珠循環(huán)方式由于 Y 軸對重復定位精度要求較高，且主軸在切割時為了保證切割晶片的一致性，對Y 軸的剛度要求也較高，因此，綜合比較，選擇滾珠循環(huán)方式為固定式內(nèi)循環(huán)。（6）選擇的預緊類型Y 軸滾珠絲杠副選擇雙螺母墊片預緊方式，理由同 Z 軸的選擇。（7）滾珠絲杠副型號的確定類比相似機構，選擇絲杠公稱直徑為 20mm，然后根據(jù)上述計算結果，且在保證條件下，查閱相關手冊，選擇型號為 FSI20-5T3 的滾珠絲杠，公稱直徑為amCd?,220mm，公稱導程為 5 mm，絲杠底徑為 17.324 mm,基本額定動載荷為 8.3KN。（8）滾珠絲杠的精度等級由于 Y 軸需要保證切割深度的一致性，且對重復定位精度要求較高，全程累積誤差要小于 5μm/160mm 因此，選擇 C1 級精度，其在任意 300mm 內(nèi)的導程變動值為 5μm，可以滿足使用要求。（9）確定滾珠絲杠副的支承支承方式選擇一端固定，一端鉸支，固定端需要承受軸向和徑向載荷，選用角接觸球軸承，軸承型號為；鉸支端只需承受徑向載荷，選擇深溝球軸承，軸承型號為。（10）滾珠絲杠螺母副工作圖的設計具體設計見圖紙（劃片機 YZ 軸裝配圖） 。4.2.2 Y 軸電機的選型Y 軸選用的是步進電動機，其選型與 Z 軸的選型類似，具體步驟如下。（1）等效負載轉(zhuǎn)動慣量和等效負載轉(zhuǎn)矩的計算等效負載轉(zhuǎn)動慣量 按下式計算：eqJ )(0521.2.70.93214.).205(32)( 44010 KgmdLmJBLeq ??????????其中， 為軸向負載的等效轉(zhuǎn)動慣量；LJ為絲杠的等效轉(zhuǎn)動慣量；B電機驅(qū)動絲杠豎直運動的等效負載轉(zhuǎn)矩 按下式計算：eqT)(027.914.32501NmiLFTeq?????其中， 為軸向載荷；1為絲杠導程；0L為傳動比，由于是電機直接驅(qū)動絲杠，所以其值為 1；i為傳動機械效率，取值為 0.9；?（2）快速空載啟動等效轉(zhuǎn)矩 的計算1eqT電機快速空載啟動的等效轉(zhuǎn)矩由三部分構成，其計算公式如下： 0max1TTfeq??其中， 為快速空載啟動時折算到電機軸上的加速轉(zhuǎn)矩（ ） ；mN?為快速空載啟動時折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩（ ） ；0f為