全自动引线键合机XY工作台装配工艺 41 张世民.doc

邢台职业技术学院

全自动引线键合机XY工作台装配工艺

摘 要

本文综述了键合机中XY工作台的相关知识和装配工艺，阐述了XY工作台的工作原理、应用范围、装备技巧及实际意义，通过XY工作台的简单介绍和过程分析，研究了XY的工作过程、封装方法及装配精度保证方法。
利用相关机械知识推导出了XY工作台的实现和对数控、机电一体化的实际意义，通过收集相关资料、查阅有关文献得到了XY工作台的蓝图。讨论了XY工作台装配中的难点、重点以及要点。
总之，通过对键合机的了解和在实习期间对XY工作台的亲身装配，认识到XY工作台在键合机乃至数控、机电一体化的领域的重要作用。

关键词高精度，高速度，高稳定性

目录
第一章 XY工作台简介·················································1
第一节 XY运动平台控制系统介绍···············································1
第二节 XY工作台的性能要求···················································1
第三节 XY工作台的组成·······················································1
第二章 XY工作台零部件的选用···································3
第一节 导轨的选用·························································3
第二节 直线电机的选用···················································3
第三节 导轨油的选用······················································5
第三章 XY工作台的组装············································8
第一节 XY工作台····························································8
第二节 装配环境要求······················································8
第三节 测量仪器与工具准备···············································8
第四节 装配前的准备工作·················································8
第五节 XY工作台装配························································9
结论·······································································14
参考文献 ································································14
附录······································································15

3

第一章 XY工作台的简介

一、XY运动平台控制系统介绍
XY运动平台是许多数控加工设备和电子加工设备目前最为典型的机电一体化系统的基本部件。如：数控车床的纵横进刀装置、数控铣床和数控钻床的XY工作台、激光加工设备。如图1.1所示为XY运动平台机械本体，它是由两个直线运动单元组成。每个直线运动单元包括：工作台面、滚珠丝杠、导轨、轴承座、基座等部分，通过两个直线运动单元的组合，可以使工作台面产生两个自由度XY轴方向的平面运动。
二、XY工作台的性能要求
由于工作台的使用的情况不同，因而对性能的要求也各异。一般的静态和动态性能要求包括有如下一些内容。
1、在静态性能方面：
（1）工作台的几何精度
它包括XY工作台的导轨在水平面内的直线性、垂直平面内的直线性，X方向与Y方向的垂直度，X-Y方向的反向间隙和反向精度以及工作台面与运动平面间的不平行性。
（2）系统的静刚度
工作台传动系统受重力、摩擦力或其他外力的作用而产生响应的变形，其比值称为静刚度。
（3）工作台的定位精度和重复定位精度。
2、在动态性能方面：
（1）工作台系统的振东特性和固有频率；
（2）速度与加速度特性；
（3）负载特性；
（4）系统稳定性等。
三、XY工作台的组成
XY工作台系统基本上是由工作台底板、直线移动导轨、传动机构、驱动电机、控制装置和位移检测器等组成。
在设计XY工作台时，应该把机械部分与控制部分视为一体进行考虑，以便能够从总体上设计出较为经济地满足使用要求的工作台。其中传动系统的设计尤为重要。因为它对整个XY工作台机设备的性能影响最大。

第二章 XY工作台零部件的选用

一、 导轨的选用
目前，滚动直线导轨副（如THK的LM型滚动导轨）一般是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架组成；其工作原理是通过钢球在导轨与滑块形成的滚道内滚动，来实现滚动直线导轨副的直线运动。其中，滚动交叉直线导轨副（如THK的交叉滚柱导轨VR型）一般是由V形导轨、滑块、滚柱、保持架组成。运动原理是滚柱交叉在两V形导轨的滚道内滚动来实现滚动交叉直线导轨副的直线运动。为避免两滚柱间相互接触，用保持架将其隔开。
全自动引线键合机是以金属引线连接芯片焊盘和封装管脚的半导体生产关键设备，其工作过程的根本特征在于通过引导金属引线在三维空间中作复杂高速的运动以形成各种满足不同封装形式需要的特殊线弧形状。高加速度高定位精度XY工作台是引线键合机的核心模块，决定键合的工作速度和精度。随着高端全自动引线键合机对工作速度和精度的要求越来越高，原来旋转电机加滚珠丝杠驱动形式的工作台逐渐被直线电机驱动的工作台所替代，同时滚动直线导轨副（如THK的LM型滚动导轨）或滚动交叉直线导轨副（如THK的交叉滚柱导轨VR型）都已无法满足XY工作台的高加速度和高定位精度的要求，因此需要一种具有高刚度、低质量、高重复定位精度的交叉滚针导轨来保证全自动键合机XY工作台的高加速度高定位精度运动。

二、 直线电机的选用
全自动引线键合机是以金属引线连接芯片焊盘和封装管脚的半导体生产关键设备。键合机工作过程的根本特征在于通过引导金属引线在三维空间中作复杂高速的运动以形成各种满足不同封装形式需要的特殊线弧形状。高加速度高定位精度工作台是引线键合机的核心部件，决定键合的工作速度和质量。直线电机凭借其卓越性能代替旋转电机，广泛应用到引线键合机工作台上，代替了旋转电机加滚珠丝杠驱动形式的工作台，而要满足XY工作台的高加速度和高定位精度，就要保证直线电机的稳定高效工作，而电机的高速高频运动导致电机动子局部温度较高，因此需要为三相直线电机设计合理的降温系统来保证直线电机的稳定工作，提高工作质量。
直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需任何中间转换机构的传动装置。直线电机的结构可以根据需要制成扁平型、圆筒型或盘型等各种型式，它可以采用交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作。

直线电机图2—1

1、直线电机的特点
（1）直线电机可广泛地应用于工业、民用、军事及其他各种直线运动的场合，采用直线电机驱动的装置和其他非直线电机驱动的装置相比，具有下列优点：
1）结构简单；
2）散热条件比较好；
3）适应性比较强；
4）速度和推力比较容易控制。

（2）直线电机也存在着一些不足之处，主要表现在以下两个方面：
1）与同容量旋转电机相比，直线电机的效率和功率因数较低，尤其在低速时比较明显。但由于采用直线电机后可省去中间传动装置，因此系统的效率有时还是比采用旋转电机的高。
2）直线电机特别是直线感应电机的起动推力受电源电压的影响较大，故需采取有关措施保证电源的稳定或改变电机的有关特性来减少或消除这种影响。
在所有直线运动的装置或系统中，是否采用直线电机驱动，还需要进行综合考虑。直线电机在一些合适的直线运动装置或系统中，能够发挥很大的作用。

2、直线电机应用
直线电动机按工作原理可分为直线感应电动机、直线同步电动机和直线步进电动机等。由于直线电动机具有很大的驱动力，通过对驱动电源的调节，其控制性能、位置精度更好，所以其在高精度直线运动中获得了广泛的应用。各种类型的直线同步电动机成为直线驱动的主要选择。
近年来，在半导体设备行业中随着对设备生产率的要求越来越高，直线电动机也得到了广泛的应用，其中比较有代表性的设备是全自动引线键合机。
全自动引线键合机是以金属引线连接芯片焊盘和封装管脚的半导体生产关键设备，其工作过程的根本特征在于通过引导金属引线在三维空间中作复杂高速的运动以形成各种满足不同封装形式需要的特殊线弧形状。高加速度高定位精度XY工作台是引线键合机的核心模块，决定键合的工作速度和精度。随着高端全自动引线键合机对工作速度和精度的要求越来越高，原来旋转电机加滚珠丝杠驱动形式的工作台逐渐被直线电机驱动的工作台所替代。以直线电机驱动的全自动引线键合机XY向加速度能达到14g以上，具有代表性的是国际封装设备公司的全自动引线键合机，其主要应用是永磁直线同步电动机。
永磁直线同步电动机是指动子或定子是由永磁材料制成的磁极，磁极磁场由永磁体提供，动子无须外加电源励磁。这样使得电动机的结构得到简化，整体效率提高。
三、导轨油的选用
WD-40从字面上看是“Water Displacement, 40th attempt”，WD-40的W代表水，D代表消除，40代表第40次尝试。
WD-40的名称是直接取自1953年研发WD-40的化学工作人员研究笔记中所用的名词。当时，化学家Norm Larsen(1923-1970) 试图调制一种可以通过去除水分、湿气的作用，防止腐蚀的配方。Norm在完成第40次尝试之后，凭着毅力努力不懈，终于得到饱尝，完成发明。
WD-40不含矽、煤油、水、腊、石墨、氟氯碳化物（CFC），或任何已知致癌媒介。
WD-40的六大功能及应用：
（1）清 洁：WD-40具有极强的渗透性和金属表面亲和力，能够彻底清除粘附在金属表面的油渍、污垢、灰尘等附着物。虽然WD-40渗透性极强，但对于金属表面的油漆、纤维、塑料尼龙等材质绝无损害。
适用范围：WD-40可用于清洁各种金属器件，可轻松除去机械各摩擦副内的油泥和难除物质，如：在车削后膛内粘结的残渣，可喷涂或浸泡WD-40后再用干净布擦试，便绝对不会产生麻膛。车辆火花塞接点有杂质发动不良时，可喷涂WD-40而不需要擦试，启动特别容易。还可用WD-40轻松除去粘在车表的柏油、胶粘物、地毯上干化的口糖等。
（2）除 湿：WD-40的渗透性极强（比水更强），而且与金属表面有极佳的亲和力，从而能够渗透到金属毛细孔内部，形成一层仅0.0028-0.0076毫米的致密保护膜，有效地排除金属表面及毛细孔内部的水份和湿气。
适用范围：WD-40能够有效解决许多器件因受潮而产生的短路问题，如：汽车、舰船工业设备的电路系统、引擎点火系统、火花塞、电瓶接头部位、开关、发电机、变压器、电线线圈、马达绕线圈、配电盘、电磁开关、继电器、按钮等。并且是各种全天候器械、输变电线路及设备、舰船设备、农用机械、园林设备的最有效的降湿保养剂。
（3）渗透除锈：WD-40的渗透性极强，能够渗透到金属表面及毛细孔内部，而且对于铁锈粒子等腐蚀沉淀物具有极好的溶解性，能够打破其粒子之间的粘结，使铁锈等沉淀物轻易脱落。
*适用范围：WD-40降解锈性优秀，能够将各种因生锈而黏死的螺钉、螺帽的锈垢轻松除去，并起到长期防锈作用，被称为“不会生锈的松锈剂”。
（4）润 滑：WD-40能够均匀分布在金属件表面，渗透到紧密的金属摩擦副内，消除金属链接件之间的噪音，保持其灵活运转。引以为豪的是，WD-40润滑不粘灰，从而能够附着在金属表面保持长久润滑。
*适用范围：WD-40可以不粘灰地润滑各种精密金属器件，如：钟表、炮台滚子、马达转换器轴承、自动武器、传动链条、节流控制阀、连杆索线、马达带动槽轮、马达轴、泵轴、回转罗盘、控制依表板、气压及自动控制仪表、门窗滑件、门锁、门铰链等。特别是电子插件、电机转换器用WD-40处理后，使产品润滑周期大大提高，增加了产品竞争力，增加碳刷的使用寿命。
（5）防 锈：WD-40与金属表面有极强的亲和力，而且渗透性极强（比水更强），能够渗透到金属毛细孔内部，将湿气和水分排除，形成一层仅0.0025-0.0076毫米的致密保护膜，以隔绝湿气和空气，达到长期防锈效果。
*适用范围：WD-40适用于铸铁、铸钢、粉末冶金件的长期防锈，特别适用于船运金属件的防锈，还适用于电子精密仪器、雷达及齿轮、自动武器、炮台滚子、控制面板、精密配件、五金工具、机械配件、工作母机、电器接触点、炸弹投射系统、合金喷射涡轮机浆钢铁零件，并可以防止高灵敏组件腐蚀及氧化。
（6）电 导：WD-40本身是一种高度绝缘体，但它能够消除电气设备接点上因氧化而引起的皮膜或杂质，促使电流顺畅、电压稳定。
*适用范围：WD-40可使许多电气设备运转顺畅，如：般船、汽车、摩托车的电路系统、引擎点火系统、火花塞、化学电瓶接头部件、电脑及电器插件、微动开关等。
注意事项：
* WD-40有毒，应放置远离儿童的地方
* WD-40易燃，严禁敲击并远离火源
* WD-40对个别塑料件有轻微腐蚀作用
* 尽量不要接触皮肤
* 储存场所应通风、干燥、阴凉、严禁太阳直射或暴露于室外

第三章 XY工作台的装配
一、XY工作台

图3—1 XY工作台
XY工作台主要包括XY电机、运动机构、XY光栅尺组件、散热风扇等。
二、装配环境要求
室 温: 20℃～25℃
相对湿度: < 70%
电 源: 220V 50Hz
压缩空气: 0.3～0.5M Pa
现场环境无影响装配工作的振动，无腐蚀性气体，无磁辐射。
三、测量仪器与工具准备
测量仪器：高斯计、光电自准直仪、克力计、电子秤、光栅尺调整套件、方方尺、千分表、万用表等。
工具：卡尺、划线尺、角尺、扭矩扳手、六角扳手、镊子、低强度螺纹胶（222）、中强度螺纹胶（243）、AB胶水、导轨润滑油（WD-40）、导轨润滑脂（BEM-34）、2082C胶水、工业擦拭纸、花岗岩平台等。
四、装配前的准备工作
进入装配的零件及部件（包括外购件、外协件）均必须具有检验部门的合格证方能进行装配。
1）零件装配前进行彻底除油清洗干净，不得有毛刺、飞边、氧化皮、锈蚀、切屑、油污、着色剂和灰尘等。
2)装配前应对零部件的主要配合尺寸、关键零件的形位公差及关键尺寸进行复检，并做详细检测记录，检查配合精度是否符合设计要求。
3）装配过程中零件不允许磕、碰、划伤和锈蚀。
4)各零件装配前进行预装，对产生相互干涉的部位进行修配，并作详细记录，修配零件重新进行表面处理。
5)组装前严格检查并清除零件加工时残留的锐角毛刺和异物，保证密封件装入时不被擦伤。
五、XY工作台装配

图3-2
5.1运动机构的装配

图3-3

5.1.1装配X滑块

图3-4

（1） 如图3-5所示，将一根以擦拭好导轨油并安装好齿条的X导轨放在XY底座的固定位置。将螺纹孔对齐，以便安装螺钉（导轨专用钉）。将导轨放置好后用专用夹具将导轨顶住。夹具另一侧以紧定螺钉加预载荷，用扭矩扳手进行加载，扭矩值分别是：0,4，0.8，1.2,1.6（单位kgf.cm）拧紧定螺钉时应该从中间向两边依次对称进行。预载荷加完后，将导轨用螺钉固定在XY底座上，安装螺钉前要先在螺钉的螺纹上涂加适当的低强度螺纹胶（222），拧螺钉时应先用普通扳手拧紧，然后再用扭矩扳手拧紧M3螺钉，由于怕伤到螺纹孔的螺纹应该分两次施加载荷分别为6，12（单位kgf.cm）.拧紧螺钉的次序与紧定螺钉的次序相同。螺钉拧紧后将紧定螺钉松开，并将夹具取下放好。
加预载荷
放置专用夹具顶住导轨

图5

图3-5

1） 装配X滑块下导轨

图3-6
2）如图3-6所示，将两根X导轨放置在X滑块上后，将导轨专用螺钉按照次序依次放入螺钉孔，但不要拧紧。再放入螺钉前要在螺钉的螺纹上涂抹适量的低强度螺纹胶（222）。然后用专用夹具将两根导轨夹住，夹具一侧以紧定螺钉施加预载荷，预载扭矩值分别为0.4,0.8，1.2（单位kgf.cm）。先将螺钉用普通扳手拧紧，然后再用扭矩扳手拧紧力矩为6，12（单位kgf.cm）螺钉的拧紧次序与安装X导轨时一样。将其装完后再将齿条安装上。

3）在XY底座上装配X滑块
将各导轨及保持架上加导轨润滑脂后，将保持架置于X滑块上的两根导轨上，注意装上后的保持架要处于导轨中间位置，保持架两端距导轨两端面距离相等。如图4所示，将导轨放于XY底座上后，先将未固定的X导轨以扭矩0.4kgf.cm将紧定螺钉顶住，再相应加一螺钉固定，滑动滑块，看运动是否顺畅，若无问题，依次对导轨加预载0.4，0.8，1.2（单位kgf.cm），注意加预载时，非中间位置的紧定螺钉，要将X滑块相对滑移，最后用M4螺钉将X导轨固定，拧螺钉时先用普通扳手拧紧，再用扭矩扳手拧紧M4螺钉。
5.1.2 摩擦力测量
用克力计推动X滑块使其正向返向匀速运动，记录下所用的力值，若X滑块运动时，测力计指针无过大波动（即指针波动范围不超出30），证明摩擦力无异常。
5.1.3装配Y滑块
装配Y滑块的方法与装配X滑块的方法相同，装相应的导轨有相配套的夹具。只是所加预载扭矩从0.4，0.8到1.2（单位kgf.cm），最后用扭矩扳手拧紧外侧Y导轨上M4螺钉，完成Y滑块的装配。如图3所示，为运动机构装配图。
Y滑块装配完成后，也要进行摩擦力和直线度测量，方法及要求同上。
5.1.4 XY导轨正交性测量

XY方向导轨装配完成后，还要对XY导轨的正交性进行测量测量方法如下：
首先用磁铁将Y导轨固定住，将方方尺置于Y滑块上，用千分表打方方尺与X导轨平行度，直到调节为仪器表针示数近似不动为止，此时认为方方尺的一面与X导轨平行，然后用磁铁将X导轨固定住（但要特别注意固定X导轨时不要让方方尺有任何移动，为防止方方尺的移动，可将相应大小的钢板压于其上），用千分表打Y导轨与方方尺另一侧面的平行度，即为XY导轨正交值。
5.1.5光栅尺组件装配
如图2所示，将XY向光栅尺组件装配上，XY光栅尺及读数头安装好后，必须使读数头的信号调整到最强，因此需要做一些微调动作。用专用的测量工具测试信号是否满足使用要求。
调节方法如下：
移动运动部件（X滑块或Y滑块或键合头上下运动），移动速度≤1.3mm/s，应用海德汉PWT18测量读数头输出信号，通过调整读数头和光栅尺的旋转角度，可以观察到海德汉PWT18的显示数值有所变化，信号达到如图7所示要求即可，即要求上框中间点在11±2范围内，黑色信号条不能超出方框范围，超出表示安装有问题。下信号条上中间点在零位左右微动。运动部件移动时，海德汉PWT18右下角上都会出现RI标记，表示信号质量良好。调整好后，将读数头固定好。
若移动运动部件时，下黑色信号条的左端超出左侧方框的右边线或右端超出右侧方框的左边线时，表明信号超出范围，造成无法检测到Index信号需要重新调节信号。
上框中间点在11±2范围，表示信号质量的黑色长条不能超出方框范围
右侧方框
零位
左侧方框

图3-7

图3-8

5.3 装配XY电机组件
1） 将以装好线路的X动子和Y动子分别装在X滑块和Y滑块上。
2）装配X电机
如图1所示，安装上X电机，安装时使X电机端面靠住定位销。用标准塑料塞尺测量X动子与上下两层磁铁的间隙，检验X动子移动时与上下两层磁铁是否摩擦，如果有摩擦就用橡胶锤进行调试。调配好间隙后，拧紧固定X电机的螺钉。装上散热风扇，气路组件。
3）用克力计测量X向摩擦力，此时的摩擦力数值应与未装X电机时相同。
4）装配Y电机
如图1所示，将Y电机靠紧弹性圆柱销后，用螺钉安装在XY底座上。用克力计测量Y线圈板处于Y电机不同位置时的摩擦力值，不同位置的值若相同，且无大的波动，说明Y动子与Y电机磁铁无摩擦产生。
5）用克力计测量X向摩擦力，此时的摩擦力数值应与未装XY电机时相同。
6）如图1所示，将X动子出线、Y动子出线和Y气管用线夹固定在Y电机上，移动XY滑块，将线弧适当调整。

按照以上步骤就已将键合机的XY工作台圆满的装配完成了，接下来就是将它放进仓库备用，等机架组装完成就将其安装在机体上。

结论
在装配之初我根据任务查阅了很多关于工作台的知识，对其工作原理，总体结构特点有了一定的了解，同时也通过网络了解了一些国外在这方面的研究情况，之后就完成了开题报告，随后我进行的是：总体方案确定、传动系统确立及尺寸综合。内容有：滚珠丝杠副，驱动电机，滚动导轨副，轴承及联轴器等的装配。并对工作台的尺寸进行了初步设计。
我系统地的对传动系统进行了分析，对主要的零部件滚珠丝杠副，驱动电机，滚动导轨副型号进行了系统地学习。并进行了必要的亲身装配。在此过程中我查阅了相当多相关资料，经常在图书馆，有时候为了找到相关的参考数据在图书馆经常呆上两三个小时，有时我还经常到图书馆和电脑上网查阅资料。现在回想起来这些论文准备过程，我才觉得机械发展的辛苦，同时也很让自己振奋。经过最近这段时间的努力，毕业设计完成了。这次毕业设计让我知道作为一名工程人员和装配人员的艰辛是难以想象的，数据资料更可以说成是工程人员的生命。同时毕业设计的经历对我的大学三年的学习画上了圆满的句号，在这里，我将以前的所学用于实际；在这里，我用自己思路付诸实践；在这里，我用双手把想象变成实际。毕业设计的完成让我明白我自己还有很长的路要走，这才是一个起点，期待着未来。
通过这次对XY工作台的改装和装备分析，使我了解到普通机床和数控机床的差异。也是我们更加深刻的认识到，数控系统改造机床是提高产品质量，提高生产效率，提高旧设备利用率，推广机电一体化技术的重要手段。
同时，我进一步熟悉了数控技术的应用和设计原理，让我们深刻的把电和机结合起来，达到自动化控制的要求，也深刻体会到设计和装配的严谨性，数据的处理技巧，以及各种参数的取舍，对我们的学习和工作有很大帮助。

15

参考文献
《JB/T 7311-2008厌氧胶、硅橡胶及预涂干膜胶应用技术规范》
《中电科XY工作台装配指导书 》
附录

导轨图 1

滚针 1

保持架 1