方案，然后联合使用IlMs Test.Lab锤击系统和POLYTEc激光测振仪等工具对键合臂进行模态实验。通过模态参数特征识别和提取，经一致性对比分析，得到键合臂准确的模态参数和刚度分布情况。研究表明，键合臂的一阶固有频率为306H7，远高于外部激振源最高频率，动态特性满足设计要求。研究结果为贴片机键合臂的结构轻量化、结构优化及整机的防振、抑振等提供理论支撑和实验参考。
关键词：模态分析;参数识别;特征提取;贴片机;振动测试
中图分类号：TM934文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）04-0029-06
0引言
贴片机是LED后封装产业的关键设备，主要功能是将晶圆芯片快速的贴装在引线框架或PCB板等载体上。键合臂是LED贴片机摆臂机构中最重要的运动部件之一，在高频高加速的摆动运行中，常因其刚度不足而产生残余振动，实验中通过用高倍CCD相机对贴片机摆臂机构采集运行动态图像发现，在键合臂末端处产生最大位移偏量;在键合臂周边有多部驱动电机，当伺服电机或外部环境工作频率高于键合臂的低阶固有频率时将会产生共振现象，直接影响芯片的键合质量和精度。为获取LED贴片机摆臂机构的力学性能及刚度分布情况，防止因外部激扰而共振，有必要研究键合臂的模态特性。文中采用有限元理论计算与试验测试相结合的方法对国内某企业生产的LED贴片机某键合臂的模态特性进行了研究。通过对结果进行一致性比较，为摆臂机构键合臂的结构优化、防振抑振及故障诊断提供参考依据。
1LED贴片机摆臂系统
LED贴片机摆臂系统主要由步进电机1、偏心轮2、伺服电机3、压轮4、平衡弹簧5、曲柄摇杆机构6、花键轴7、键合臂8和键合头9等组成，如图1所示。键合头的运动由摆臂绕z轴作±90°的转动和键合臂的上下垂直运动合成，可完成芯片的拾取、传送和贴装等往复连续动作。
键合臂是LED贴片机摆臂机构中最关键的运动部件，受空间布局和功能特征限定，键合臂的纵向尺寸大、结构复杂，在高频高加速的往复摆动运行中，常因其结构刚度不足，在惯性力作用下产生较大的弹性变形和残余振动，影响芯片键合精度。因此，在设计中要求键合臂部件应具有良好的力学性能，达到质量轻、刚度高、强度好及低阶固有频率远离外部设备激振频率的综合特性。
2研究方法
模态是机械结构的固有本质属性，模态特性分析是获取结构体的低阶固有频率、振型特征、结构阻尼比等模态参数和性能的重要方法和途径。在模态分析中，通常可采用理论计算或实验测试的方法进行。为提高准确性，文中建立了键合臂的模态特性综合对比分析模型，如图2所示。该模型包含了理论计算模块和实验测试模块，理论计算模块对应模拟安装工况的有约束状态，实验测试模块对应安装工况下的状态，通过理论模态和实验模态的对比分析，可以更准确地揭示被测对象的模态特性、刚度分布情况和结构特性。
本文运用有限元软件ANSYS进行仿真数值计算得到前m阶固有频率和振型特征，然后根据仿真计算的振型特征得到每一阶次节点（不振动的点）分布情况，再综合考虑以仿真振型特征为参考指导模态实验，进而确定激振点的位置。本研究联合使用锤击系统和激光传感器获取简化安装工况下的键合臂实验模态数据，并对实验和仿真结果作一致性对比分析，从而提高模态结果的可信度和准确性。
3计算模态分析
3.1键合臂有限元建模
根据键合臂的实际结构，先运用Solidworks工具建立其三维模型，然后直接导入ANSYS中进行网络划分，建立有限元模型。由于键合臂属于三维对称不规则实体结构，在划分网格时应充分考虑网格数量及类型对计算结果精度的影响，保证计算效率和收敛性，采用Tetrahedrons划分为10结点的四面体单元（sOLIDl87）。划分网格后的有限元模型如图3所示，有限元网格数据如表1所示。图中显示了包含键合臂的整个摆臂机构，由于本研究中经CCD相机多次影像监测发现，在摆臂机构中，键合臂的振动量最大，因此本文着重考察键合臂的模态特性，因而未对键合臂以外的结构进行网格划分。
3.2计算模态结果与分析
通过ANSYS有限元数值计算，得到了键合臂在安装工况下的模态特性。仿真计算中，摆臂机构除键合臂和连接钢片外，其余部件不参与计算。在ANSYS中应用Frequency Finder模态求解器对键合臂模拟安装工况下的约束模态进行求解。有限元求解过程实质上是将键合臂结构体进行离散化，得到有限个单元和节点，在模态分析中通常考查无阻尼自由振动，其动力学方程可表示为。
在ANSYS仿真计算中，其边界条件参数设置与模态实验相一致。仿真计算后可以得到n阶次模态数据，理论上可以有无数个阶次，实际上阶次数与离散后有限元网格的节点数有关。在工程上最为关心低阶次模态频率和振型特征，本研究提取了键合臂在约束工况下的前6阶模态数据，表2给出了前6阶固有频率值和相应的振型特征描述，图4给出了前4阶振型图。
键合臂前两阶和第5阶振型均为上下方向的摆动和弯曲变形，这与键合臂的内腔结构有很大关系，建议增加键合臂内腔的加固肋板数量;1阶振型键合臂呈上下一次摆动，主要因素在于键合臂与支座之间由薄钢片连接，此处为摆臂机构中刚度最为薄弱的环节，工作时极易因刚度不足导致芯片键合中产生“点头”现象，建议增加钢片厚度或此处改为一体式结构。3阶和4阶振型表现为键合臂左右方向的变形，可通过改变几何尺寸来提高刚度。由于键合臂l阶固有频率为319.6Hz，而驱动摆臂机构的电机转速范围为0-3000r/min，对应的激扰频率0-50Hz，两者频带相离较远，产生共振的风险较小，因此键合臂动态特性良好。
4试验模态分析
4.1模态测试方法
键合臂属轻质量结构件，经多次试验研究发现，传统的在键合臂上贴装加速度传感器会因其附加质量导致所测试件的固有频率存在一定的偏差量。为避免传感器附加质量对测试结果产生影响，本模态实验采用了非接触式激光测振仪作为拾振手段，联合运用最先进的比利时LMS公司和德国POLYTEC公司的测试系统及其他器具配合进行，实验器材如图5所示，主要测试设备包括：LMSTest.Lab锤击测试系统、POLYTEC激光测振仪、带力传感器的力锤等，并按图6搭建测试平台。
本试验采用单点激励单点采集（SISO）的方法对键合臂某标准样件进行了模态实验。测试时采用力锤作为激振工具，考虑到贴装加速度传感器会给键合臂带人较大的附加质量影响，因此采用激光测振仪作为非接触式拾振工具;由于键合臂结构较为薄弱，考虑到锤击键合臂前端时会经常产生信号过载影响测试结果，因此本试验根据实际情况采用了固定激振点移步拾振点进行测试，并以仿真结果作为参考选定激振点和拾振点。根据仿真计算的前6阶振型可以看出，键合臂中部振型较为活跃，较少的存在节点，结合多次重复性试验和预测试，最后本试验中选定的激振点位置为Pomtl2，拾振点位置为Pointl-32，以上激振点和拾振点分别从上下和前后两个方向锤击和拾振;在LMS Test.Lab-ImpactTesting界面上定义各测点位置，制作了键合臂框线图如图7所示。
本实验拟测取键合臂在安装工况下的模态特性，着重考察键合臂的模态特性，由于键合臂在实际工作中与电机轴之间通过连接接头装配在一起，而连接接头相对坚固可靠，因此本实验拆除了键合臂上的附加配件，仅保留了键合臂必要的连接件，并将拆装后的摆臂机构的后支座用夹具紧固在试验架上进行测试。采样频率的设置参考了ANSYS计算结果，根据香农定理，取前6阶最高固有频率的2倍，即2600x2=5200Hz;为仿真信号衰减，添加适当的窗函数，对锤击力信号添加Force-Exponential窗，对拾振信号添加指数窗，测试中采用5次平均处理。
4.2试验模态测试结果
对键合臂进行锤击模态实验后，经参数辨识、模态截断和提取，最終得到了键合臂的前6阶固有频率和相应主振型。图8为本模态实验经集权平均后获得的模态识别状态图，图中红色曲线为总的频率响应函数曲线，模态识别状态图中的字母s表示极点稳定;o表示极点不稳定，从中提取较稳定的频率波峰。
本模态实验提取的键合臂的前6阶模态数据如表3所示，给出了各阶固有频率值及对应的阻尼比，可以看出一阶固频为306.37Hz，与仿真结果较为接近，且测试所得到的各阶固有频率所对应的阻尼比均在1.2%以下，与实际较为吻合。图9给出了前4阶实验模态振型图，可以看出各阶次振型特征和趋势明显，具有规律性，并且实验振型与仿真振型两者相似性很高，低阶次振型变动趋势基本吻合，由振型特征可以看出，本次模态实验效果良好，并且获取了仿真中无法得到的阻尼参数。
4.3理论与实验结果对比分析
本研究采用ANSYS有限元模态仿真计算与模态实验相结合的方法获取了键合臂在简化安装工况状态下的模态特性，分别得到了键合臂的前6阶固有频率、阻尼比和振型。本次试验经过较多的重复测试，较好的激起了键合臂的各阶模态，表4给出了有限元计算的前6阶固有频率值与实验测得的频率值数据。
根据本文所给出的模态特性综合对比分析模型及研究方法，采用以仿真结果指导实验，再以实验结果来反向验证仿真有限元模型的正确性，并计算仿真值与实验值的误差量式中：δi-计算值相对于实测值的误差率;
ωic—计算固有频率值，Hz;
ωit-测试固有频率值，Hz。
经仿真与实验数据对比后可看出，两者所得到的前6阶固有频率比较接近，最大误差量在8.5%以内，尤其是1阶固有频率误差仅为4.31%，且测试所得到的各阶固有频率所对应的阻尼比均在1.2%以下，与实际较为吻合，因此可以认为本研究所得到的前6阶固有频率是可信的。对比图4和图9可以看出，两者振型特征相似度很高，尤其前4阶振型变动趋势基本一致。以上结果充分表明有限元仿真模型精度较好，其网格划分方法及边界条件处理基本正确，能较真实地逼近键合臂的实际动态特性，可为后续的键合臂结构改进、防振、抑振以及故障诊断等提供参考。
5结束语
为获取某LED贴片机键合臂的模态特性及其影响因素，给出了模态特性综合对比分析模型，采用了ANSYS有限元理论计算与模态实验测试相结合的研究方法，得到了键合臂在简化安装工况下的模态数据，通过对键合臂进行有限元建模、仿真、试验、模态提取与辨识，得到的主要结论有：
1）通过对比仿真与实验结果得出，本研究的前6阶固有频率值比较接近，最大偏差量小于8.5%，一阶固有频率误差仅为4.3%，前6阶实测阻尼比在1.2%以内;前4阶振型特征和变动趋势基本吻合，表明本研究的有限元仿真模型精度较好，其网格划分方法及边界条件处理基本正确，能较真实地逼近键合臂的实际动态特性，可为后续的键合臂结构改进、拓扑优化提供参考，而不需再重复做振动试验，缩短了产品研发周期。
2）从固有频率方面看，键合臂的一阶固有频率小于320Hz，而驱动摆臂机构的电机转速范围为0-3000r/min，对应的激扰频率0-50Hz，两者频带相离较远，说明键合臂与周边激扰产生共振的风险较小。
3）从振型云图和刚度分布方面看，键合臂的内腔体的结构较为薄弱，应当考虑增加键合臂内腔侧加固肋板的数量和壁厚;其次键合臂与支座的连接方式建议将薄钢片连接改进为直连一体式结构，以增强结构刚度;工程中建议尽量减小键合臂最前端的附加质量，防止带来较大的转动惯量和惯性载荷。本研究结果为贴片机键合臂的防振、抑振以及故障诊断等提供了理论支撑和实验参考，研究方法具有普适性，可为同行解决类似问题提供参考。
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