摘要：点胶技术及其装备快速的发展，逐步取代了许多传统的固接方式，特别是在3C、电子封装等相关产业中起到越来越重要的作用。设计了一台ZD029高速点胶平台，采用ANSYS软件对平台整机进行了动态分析，并对支撑件床身、立柱，以及高速运动部件横梁、溜板和滑板进行拓扑结构优化，优化后的床身、立柱、横梁、溜板和滑板质量分别减少了9%、3.7%、11.5%、4.5%和2.4%，平台整机质量减少了7.5%左右，整机1阶固有频率有所提高。振动激励源分析表明，平台点胶工作频率低于84 Hz时，整机不会出现共振情况，但要满足更高频率点胶技术要求，平台需在结构上进一步优化，提高其抗振性能。为高速点胶平台结构的进一步优化提供了依据。

　　关键词：高速点胶平台；有限元分析；静动态特性；结构优化；激励源分析

　　0引言

　　点胶是将流体胶液以一种受控的方式精确分配到指定位置的过程[1]。流体点胶技术是微电子封装中的一项关键技术，它可以构造形成点、线、面(涂敷)及各种图形，大量应用于芯片固定、封装倒扣和芯片涂敷[2]。随着点胶技术的发展使其逐步取代了许多传统的固接方式，在3C产品制造、微电子封装等行业中都发挥着越来越重要的作用。目前，点胶技术也逐渐由接触式点胶向无接触式点胶转变，使流体材料分配速度、喷射频率高，胶点均匀和一致性好[3]。典型的无接触式喷射点胶方式可分为机械式与压电式两种，一般胶液的黏度范围为1~100 Pa·s，最小胶滴直径为0.30 mm，最大点胶速度可达50 000点/h。最新的压电驱动器喷射阀的点胶速率最高可达500 Hz[4-6]。

　　针对点胶速度的不断增加、新型胶液与点胶方式不断涌现、点胶技术面向的行业不断增加以及用户不同的要求，本文设计了ZD029高速精密点胶试验平台，主要面向客户要求进行产品打样、量产最优点胶工艺参数实验，以及公司点胶机产品结构和配置的选优确定。为此，本文采用有限元方法对ZD029-1型点胶机整机进行静、动态特性分析以及拓扑结构优化，并对关键部件立柱、床身横梁等进行拓扑优化设计，在保证整机的动态特性的基础上，实现关键件的轻量化设计，并将改进前后结构进行了比较，为平台的进一步改进提供参考。

　　1 ZD029点胶试验平台设计

　　目前，点胶机本体结构多为龙门式，实现在不同位置进行点胶是靠伺服电机驱动X、Y和Z轴快速移动固定在滑板上的点胶头与工件相对位置来实现，其运动方式有两种方式：(1)点胶分配头沿Z轴上下移动，工作台沿X、Y轴高速移动工件；(2)工件在工作台静止，点胶头安置在横梁上可沿Z轴移动，横梁则沿框型立柱移动来实现。与之类似的龙门结构在封装贴片机、激光切割机和精密雕铣机均有应用[7-8]，本文设计的ZD029点胶平台性能参数如表1所示，三维模型如图1所示。

　　2点胶机整机的有限元分析

　　2.1点胶机静力学分析

　　(1)整机模型简化与材料属性

　　模型简化。为更加清晰地表现机床整体形变，去掉轴承、丝杠，将其刚度等效到导轨与滑块的弹簧接触单元上面，导入实体文件后，定义单元的类型和材料特性参数，简化后点胶平台整机模型如图2所示。

　　网格划分。整机几何模型细节化处理后采用自动网格划分，生成节点数为196 866个，单元数量为102 733个，网格划分几何模型如图3所示。材料属性。平台中的横梁、溜板和关键件材料为HT250，参数如表2所示。

　　接触面处理。平台由床身、立柱、横梁、溜板等构成，是一个较为复杂的装配体系统，各个结构件之间有不同接触面。根据平台整机装配特点，使用Combin14弹簧单元连接可动结合面，螺栓结合面则采用glue操作来进行部件模型装配，弹簧刚度则根据相关数据进行计算得到，阻尼系数采用0.1。边界条件设置。床身底部采用地脚螺钉进行全约束。

　　(2)点胶机静态特性分析

　　高精密点胶实验平台在只受静应力状态下其不同零部件的位置会有所不同，溜板沿横梁的导轨在Y向左右运动，主轴可沿溜板导轨Z向上下运动，横梁可沿立柱X向前后运动，所以这些部件的相对位置会出现很多种情况，本文只研究各个部件的极限位置，即横梁处于立柱中部，溜板处于横梁中部，Z向进给及点胶阀处于溜板最下部。在静态特性下只受到重力以及滑板能承受的最大负载力的作用，对整机进行重力加载以及对滑板施加静力载荷40 N，所得点胶平台整机应力和变形云图如图4所示。由图4(a)可知，当点胶平台整机处于点胶工况时，在整机的各部件的重力作用下，X轴连接横梁连接板的部位以及溜板与横梁的结合部位都产生了应力，其中最大应力产生在横梁连接板与滑块作用的部位，最大应力达到4.80 MPa；由图4(b)可知，实际点胶的工况模拟中，横梁、溜板、滑板等都发生了变形，最大变形处在滑板的下端，达到0.037 mm。

　　2.2点胶机模态分析

　　(1)结构模态分析算法原理[7-8]。多自由度系统以某一固有频率振动时所呈现的振动形态称为模态，此时系统各点位移存在一定的比例关系，称为固有振型。不论何种阻尼情况，机械结构对外力的响应都可表示成由固有频率、阻尼比和振型等模态参数组成的各阶振型模态叠加。系统运动微分方程为：

　　(2)整机模态分析。整机模态分析的有限元模型和施加的约束方式与上面静力学分析相同。仿真分析结果如图5所示，从图中可以看到在前处理工作完成后，进行的态分析结果所获得的前6阶的固有频率、振型以及变形大小，结果如表3所示。

　　分析图5及表3可知，整机的固有频率最大值为256.79 Hz，其振型主要体现在溜板沿着X向进行弯曲变形，其最大的变形量达到28.59 mm。整机的固有频率最小值为82.871 Hz，其振型主要体现在横梁、立柱和床身沿着Y向进行弯曲变形，最大的变形达到2.29 mm。整机前6阶振型主要为横梁沿着Z向弯曲变形以及立柱沿着Y和Z向变形，同时结合横梁和立柱在自由模态下的主要振型为沿着Z向进行弯曲，因此可得横梁和立柱为整机的主要薄弱环节，并且其薄弱振型方向为Z向。

　　(3)振动激励源分析。模态分析主要目的是求出整机固有频率，尽可能避免或减少平台点胶时产生共振。无接触式喷射点胶大致可分以下3种模式：单点单滴点胶，即在某一确定位置点胶分配头只喷射点一滴胶；单点多滴点胶，即在某一确定位置连续喷射2个以上的胶滴；连续滴胶，是喷胶头沿某一轨迹运动，同时不间断连续喷胶。

　　单点单滴胶的一次工作循环：伺服电机快速启动→快速停止(完成定位、点胶)→快速启动，寻找下一个点胶位置(完成一次点胶工作循环)。在此阶段，电机启动、停止各一次，产生2次激励。导致平台振动的主要激励源为伺服电机驱动点胶头以g加速度沿X、Y轴高速频繁启、停，对系统所产生的冲击。合理的速度、加速度规划，是保证进给运动的平稳性、柔顺性和定位精度[9-10]的减少冲击激励的一个方面。另一方面是要提高平台的抗振性能。典型点胶方式的最大点胶速度[2]如表4所示，无接触式喷射点胶为50 000点/h以上，点胶频率为13.89 Hz，对整机的激励频率为27.78 Hz，低于本文研究的点胶整机1阶固有频率，不会导致平台出现共振。

　　刘华勇[3]开发的机械式无接触喷射点胶气缸式喷射点胶系统，最小胶点直径0.7 mm，点胶频率30 Hz。德国EFD公司Picdot系列点胶阀，其喷射频率最高可达200 Hz[4]。VERMES公司推出的MDS3200A压电喷射点胶系统，连续工作频率可达500 Hz，实现了不同胶体的高频微量喷射[4]。如果点胶工艺要求为定位一次，点胶一滴，则X、Y轴电机高速频繁启动、停止，那么，点胶平台则需在结构上进一步优化，提高其抗振性能。

　　3整机及关键部件拓扑结构优化

　　3.1拓扑优化

　　拓扑优化是一种数学方法，拓扑结构优化方法是在给定的空间结构中寻找最优材料分布，即寻找到最合理的材料运用以及形状方案，在保证对关键件进行材料质量减小时，使整机的结构性能，如静、动态特性得到提高，实现结构的功能最佳、成本最低。进行拓扑结构优化时，系统要求设置结构的材料属性、载荷和约束，以及保留材料的百分比[11-14]。

　　(1)床身拓扑结构优化。将床身模型导入ANSYS中进行优化区域划分，设定床身与立柱连接处为非优化区域，其余为优化区域，并对床身进行网格划分，床身优化区域设置如图6所示。

　　边界条件。主要包括了约束条件和载荷条件。根据床身的实际情况，设置其底部为固定约束。床身承载着包括横梁、溜板等部件，因此对其施加承载部件的重量和滑板上所能承受的最大负载。

　　床身优化参数设定。床身材料保留区域达到75%，以此降低床身质量，同时保证床身静动态性能处于最佳。分析结果如图7所示。由图可知，床身中灰颜色区域相应的密度接近于1，需保留。相反床身当中深颜色即在图中被略隐的区域，其密度远远小于1的标准，可根据实际情况进行切除，改进后床身的重构如图8所示。

　　(2)立柱结构优化。立柱作为承载横梁等运动部件的结构，影响到点胶机工作运行时的精确性。

　　通过拓扑变密法运算分析，得出立柱拓扑优化密度云图如图9(a)所示，由立柱模态分析可知立柱振型主要为整体沿Z向弯曲变形，同时其在整机的模态分析结果中也体现为沿着Y及Z向弯曲，为增强其抵抗沿着Y及Z向弯曲变形能力，需在立柱的上、下梁之间增加加强筋板，以实现增强立柱整体静动态刚度。立柱改进前、后结构如图9(b)、图9(c)所示。优化前后立柱的1阶振型如图10所示。

　　(3)关键运动件的拓扑结构优化。点胶机关键运动件主要有溜板、滑板和横梁。点胶时，运动部件最大加速度可达到g，因此需在尽量不改变其运动部件性能前提下，减少运动部件的质量、惯量，使之在快速、频繁的启停过程中减少对整机系统的冲击。对溜板、滑板和横梁设定优化参数、计算分析后得溜板、滑板的拓扑优化密度云图(图11~12)。

　　横梁结构优化。通过前面对点胶机的动态分析得出横梁为点胶机的薄弱部件，并对其进行结构优化，提高横梁结构刚度，以避免在点胶机工作运动过程中产生共振而影响点胶机的工作精度。

　　分析得横梁拓扑优化密度云图如图13所示，其原始结构如图13(a)所示，在单独进行模态分析时，其主要的振型体现在整体沿着Z向进行弯曲变形，同时结合其相应的振型也体现在整机模态分析振型中，因此需要对其加强抵抗Z向即上下弯曲变形的刚度。通过以上分析，对横梁中部增加加强筋板，以提高其静动态刚度。横梁改进结构如图13(c)所示。

　　(4)结构优化前后的质量对比。通过对横梁、溜板和滑板等高速运动部件进行拓扑轻量化，减小其运动惯量，使之适应高速点胶运动。同时对立柱、床身进行拓扑结构优化，优化后的质量对比如表5所示。

　　3.2整机结构优化前后静态特性对比分析

　　对高精密点胶平台整机进行结构优化后的静力学特性分析，采用实际的工况条件进行添加设定，得到其静态特性结果如图14所示。由图可知，整机结构优化后，其最大变形量为0.017 mm，最大应力为2.18 MPa。其优化前后的静态特性对比如表6所示。从表中可知，在静态特性分析中，通过对床身进行挖槽轻量化处理以及对横梁和立柱进行加强筋结构优化处理达到了对整机最大变形和最大应力降低的效果。对比优化前，优化后整机的最大变形下降了51.4%，最大应力下降了37.3%，因此证明了该优化结果能够对结构优化的需求。

　　3.3改进后的整机动态特性

　　通过分析得点胶平台整机结构优化后固有频率以及振型变化如图15所示，高精密点胶平台整机在优化前后固有频率对比如表7所示。从表可知，对床身、高速运动部件溜板和滑板进行拓扑结构优化，优化后的床身、立柱、横梁、溜板和滑板质量分别减少了9%、3.7%、11.5%、4.5%和2.4%，整机质量减少了7.5%左右，同时其相应的静动态特性变化不大；结合立柱与横梁的主要振型和其在整机中的振型特点，对立柱与横梁的薄弱方向环节设计加强筋板结构优化，优化后两者的前6阶固有频率均有显著提高，同时点胶平台整机的结构刚度也得到加强，其1阶、4阶和6阶得到了提高，这表明，通过对高精密点胶机关键件进行拓扑结构优化，在一定程度上提高了其整机的抗振性能。

　　4结束语

　　(1)设计了ZD029高速点胶试验平台，建立了试验平台的有限元模型，得到其前6阶固有频率和模态振型，其中1阶固有频率为82.871 Hz。

　　(2)对点胶试验平台的关键件进行了拓扑结构优化，优化后带动点胶分配头的关键运动件横梁、溜板和滑板质量减少2.466 kg，整机质量减少了7.5%，整机最大变形减少了51.4%，最大应力下降了37.3%，1阶固有频率为84.009 Hz，比优化前1阶固有频率提高了1.3%。

　　(3)激励源分析表明，导致面向无接触式喷射点胶方式的试验平台振动的主要激励源是伺服电机驱动点胶分配头以g加速度沿X、Y轴快速启停所产生的激励力，如该激励频率低于整机1阶固有频率84 Hz，不会导致平台出现共振。但高于84 Hz的点胶频率，则有可能使平台产生共振，导致点胶定位精度下降等，解决该问题除合理的规划速度、加速度，保证快速启停和进给运动的平稳性、柔顺性和定位精度外，还需考虑：①在结构上做进一步优化，提高整机刚度；②在点胶平台加装/设计阻尼装置，或采用其他抑振措施。

　　有频率均有显著提高，同时点胶平台整机的结构刚度也得到加强，其1阶、4阶和6阶得到了提高，这表明，通过对高精密点胶机关键件进行拓扑结构优化，在一定程度上提高了其整机的抗振性能。

　　4结束语

　　(1)设计了ZD029高速点胶试验平台，建立了试验平台的有限元模型，得到其前6阶固有频率和模态振型，其中1阶固有频率为82.871 Hz。

　　(2)对点胶试验平台的关键件进行了拓扑结构优化，优化后带动点胶分配头的关键运动件横梁、溜板和滑板质量减少2.466 kg，整机质量减少了7.5%，整机最大变形减少了51.4%，最大应力下降了37.3%，1阶固有频率为84.009 Hz，比优化前1阶固有频率提高了1.3%。

　　(3)激励源分析表明，导致面向无接触式喷射点胶方式的试验平台振动的主要激励源是伺服电机驱动点胶分配头以g加速度沿X、Y轴快速启停所产生的激励力，如该激励频率低于整机1阶固有频率84 Hz，不会导致平台出现共振。但高于84 Hz的点胶频率，则有可能使平台产生共振，导致点胶定位精度下降等，解决该问题除合理的规划速度、加速度，保证快速启停和进给运动的平稳性、柔顺性和定位精度外，还需考虑：①在结构上做进一步优化，提高整机刚度；②在点胶平台加装/设计阻尼装置，或采用其他抑振措施。

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