超声键合装置中劈刀稳态振动的试验建模

超声键合装置中劈刀稳态振动的试验建模 超声键合装置中劈刀稳态振动的试验建模 第29卷第2期焊接Vo1.29No.2 2008年2月TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONFebruary2008 超声键合装置中劈刀稳态振动的试验建模 程宝,韩雷 (中南大学机电 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院,长沙410083) 摘要:利用PSV一400一M2(1.5Mnz)高频型扫描式激光多普勒测振仪,对超声键合 装置中受正弦激励,超声加载作用下的键合工具(劈刀),在不同松紧度下的稳态振动进 行了连续扫描测试.结果表明,当劈刀连接的松紧度发生改变时,其稳态振动表现出不 确定性;同一松紧度下振动形态中出现单节点,但不同松紧度下节点出现的位置不同; 劈刀末端的速度振幅并不是人们期望的那样是最大.此外,基于弹性梁振动的基本理 论对劈刀的稳态振动进行了探讨,得到其振动的近似模型. 关键词:超声键合;激光多普勒测振仪;扫描;松紧度 中图分类号:TB559文献标识码:A文章编号:0253—360X(2008)02—0040—05 0序言 超声振动系统是超声键合中的核心部件,它主 要包括换能器,变幅杆和键合工具.人们对换能器 和变幅杆作了许多研究?卫J,而对键合工具在超声键 合装置中的振动特性研究较少.文献[3,4]曾利用 激光多普勒测振仪(1aserdopplevibrometer,简称 LDV),对键合工具的振动模态作过测试分析,提供 了一种获取模态振型的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 .当其它条件不变,仅 改变键合工具(楔形劈刀)与变幅杆连接的松紧度, 会对超声换能系统的非线性动力学行为,电学特性, 超声键合压力等产生影响L5-7J.因此,对超声键合 装置中劈刀的稳态振动进行试验研究,将为优化设 计超声振动系统,提高超声能量的利用率提供参考. 1试验方法 1.1劈刀振动模态的测试分析 试验的对象是深圳微迅公司生产的U3000型粗 铝丝引线键合机,采用单一简谐信号驱动超声换能 系统,在超声加载作用下,使用激光多普勒测振仪对 劈刀不同连接松紧度时的稳态振动进行连续扫描测 试.劈刀与变幅连接示意图见图1.其中,劈刀安 装长度Z是指劈刀处于换能杆下面部分的长度;连 接松紧度是指劈刀与变幅杆连接螺栓的拧紧程度, 程宝 通过对施加在拧紧工具上的砝码重量G进行调节, 见图2,螺栓孑L直径D,:1.5lnnl,变幅杆末端直径 D2:8.2lnnl. 图1劈刀与变幅杆连接示意图 Fig.1Couplingsystemofbondingtoolandhom 图2预紧力施加示意图 Fig.2Pre-tightrmssstrengthdiagram 收稿B期:2007—05—09 基金项目:嘉篙(2项003CB7o5716202302)国家重点根据弹性梁振T一上--),II:r,J 基本假设,将超声振动系统基础研究发展计划资助项目恨曜砰1r土罗锨墨冲1双 吸,忖虺尸佩驯水L 第2期程宝,等:超声键合装置中劈刀稳态振动的试验建模41 中倒装连接的劈刀结构视为伯努力一欧拉梁,当仅 考虑其横向弯曲振动,可得到劈刀的固有振动为 (y,f)=?(y){Amcos(?f)+ Bsin(?f)+1J . 1 Q(r)sin[?(,一r) (1) 超声键合装置中劈刀的振动结构不是简单的悬 臂梁,简支梁结构,试验中劈刀作强迫振动的边界条 件,外部载荷很难确定,无法寻求其精确的解析模 型.但在此理论分析的基础上,对其稳态振动模型 可作一些改进,期望能对劈刀的弯曲振动作进一步 分析研究.激光多普勒测振仪对劈刀进行扫描测 振,获取稳态振型的试验装置如图3所示. 一—__1酾 乜/Ilkl蘩|董$罄l篱警蠹臻嚣鬻蘸??蘩0鬻|嚣蘩_l|琵? I电压电流信号速度信号 同步触发信号? I''' 瞬擎?-早佣卜—暖囊 图3扫描测振试验装置示意图 Fig.3ScanningmeasurementplatformofLDV 在单一简谐激励(电压信号作为激励信号)作用 下,0,200kHz频率范围内,对稳态振动的劈刀进 行连续扫描测试,可得到劈刀上测点的速度响应信 号,其测试程序如图4所示. 时 信 图4测试程序框图 Fig.4Testingprocedurediagram 激光多普勒测振仪同时采集的激励信号(电压 信号)和速度响应信号,通过快速傅立叶变换(FFT) 即可得到各测点的频响函数(FRF)包括频率,频响 函数幅值实部和频响函数幅值虚部.对于所得到的 频响函数,不同测点同阶模态参数(阻尼,固有频率, 固有振型等)理论上都是相同的.由每个测试点而 得到的频响函数都会出现一个频率共振峰(对应频 率相同);同时这个共振峰将在频响函数测量周期中 的同一时刻出现.在共振峰出现的时刻,同步触发 系统对此共振频率进行捕捉,同时产生触发信号,开 始进行数据采集,提取测点振动信息.测得的多普 勒信号被采集设备放大,数字化处理后,于是测点的 振动信息以数据块的形式存储在分析记忆库中.扫 描完成后,当测得的是速度响应信号时,对频响函数 的实部峰值(共振峰值)进行曲线拟合L9(图5),即 可得到劈刀弯曲振动的形态. 图5频响函数实部峰值的拟合 F.5RealpartcuringfittingofFRF 设垂直于劈刀表面的稳态振动速度响应信号l4J (Y,t)=(y)COS(?dt)+(y)sin(?dt)(2) 式中:(Y),(y)分别为复模态的实部振型和虚部 振型;?为谐激励频率;当采用LDV进行扫描测试 时,Y表示沿扫描路径方向点的位置,它是时间的函 数即 Y=Y(t)(3) 将式(3)代人式(2),得到 (f)=(y,f)1…【f)=[y(,)]cOS(?df)+ Y(t)]sin(?dt)(4) 由希尔伯特变换 )]_)=』:dr(5) 故由式(4)和式(5)有 (t)=(Y(t))sin(?dt)一Y(t)]sin(?dt)(6) 解式(4)和式(6)得 CEY()]=一arctan]1 y(f)]:sin[一arctan]J (7) 42焊接第29卷 号(t)的瞬时相位(t):arctan[v一(t)/(t)].则【白y'J? 式(7)可改写为所有计算由Matlab程序完成. y(t)]:E(t)i[一(t)+:t]j(8)2试验结果及讨论 OJ . d 篓苎在上述四个不同松紧度下,由IJabvi同步获得曼系篓,态模态的输电可得到 ;否则,为多模 . 型线性叠力Io利用LDV对的人电压 ,电输二^=:.… 图6劈刀振动的模态振型(2D) 开g.62Dvibrationmodelofbondingtool 1.2试验数据处理 超声键合装置中劈刀与变幅杆倒装连接的松紧 度,由拧紧力矩数值大小来表示即T=GXL.其 中,砝码重量G为600,800,900,1000g;拧紧工具长 度L=5.5em;同时,用数字"14"来表示劈刀与变 幅杆连接越来越紧,代表四个不同的松紧度.利用 LDV测量劈刀在每一松紧度时的稳态振动200次, 于是劈刀振动的全部信息以文本文件的形式保存下 来.超声换能系统的输入电压和电流由虚拟仪器专 用软件Labview同步获得,输入电压,电流及外部输 入功率的有效值由式(9)计算得到' : 去奎 ,=去塞?塞m P:去室 (9) 式中:n为信号序列的长度;h为采集样点的个数. 由LDV得到的响应速度信号用(y,t)来表 示,t由速度信号瞬时相位角来反应,.=1—18即 ;= 0.170.从0.开始每10~取一角度值(每10~劈刀 振动形态变动很小). 则速度振幅有效值可表示为 表1电压和电流及功率的有效值 Table1RMSofvoltage,currentandpower 图7表示了输入功率的有效值随松紧度的变化 关系,从中可以看到,输入功率随松紧度先减小后增 大,出现波动. 拧紧劈刀所用力矩T/(Nm) 图7输入功率有效值与拧紧力矩关系 F_畸.7Relationbetweenp^『erandthlness 在上述四个不同松紧度下,对记录的典型振动 数据按公式(10)计算劈刀上各点的速度振幅,结果 发现:劈刀的振动中出现了这样的点,虽然这个点的 振幅并不为零,但其振幅有效值很小(最小振幅 0.0007rids,其它点相对这个点的振幅大得多)即与 零振幅很接近,可近似地把它看作是振动中的节点. 计算得到在不同松紧度下,出现节点的位置均值百 及标准差S,如表2所示. 在上述四个不同松紧度下,分别测量劈刀稳态 振动200次后,计算得到节点位置分布的频数直方 图,如图8所示;节点位置均值随松紧度的变化关 第2期程宝,等:超声键合装置中劈刀稳态振动的试验建模43 系,如图9所示.由图8,图9发现,当改变劈刀与变 幅杆连接的松紧度时,节点出现的位置发生了变化. 表2不同松紧度下节点出现的位置 Table2Single-nodepositionindifferentt.目hlne:ss :l曲信?684mmJI艋狮盲青图I .,............................. a ....................... 奏匮西工 鋈耋0匮至盈《寝一 嚣囊罨匮夏至盈 图8节点位置分布的频数直方图 Fig.8Nodepositiondistributionoffrequencyhistogram 不同松紧度 图9节点位置随松紧度的变化关系 F.目.9Distributionmapofsingle-nodeposition 由试验所测得的振动数据,对劈刀在连接松紧 度1下的稳态振动进行模拟,把不同时刻振动曲线 显示出来即得到劈刀在不同时刻的振动效果图,如 图10中虚线所示. 在上述松紧度下,通过所测得劈刀的稳态振动 数据,分析实测振动形态,基于弹性梁振动响应的基 本理论],考虑按下的式(11)对实测稳态振动进行 模拟,得到不同时刻的模拟演示效果,如图l0中实 线所示. z(y,t)=[Cicos()+C2sin()+C3cosh(ay)+ C4sinh(ay)]×[Ac~w(Dy—t)+Bsinto(一t)] (11) 一0.2 旦0.1 馨0 蜷 餐州 - 4).2 01.93.85.77.69.5 劈刀上对应点的位置B,mm 图10劈刀的实测振动与模拟振动 F.目.10Testingandsimulatingvibrationofbondingtool 上述模拟振动与实测振动存在一定误差,但也 证实了用式(11)来考虑超声键合装置中劈刀的稳态 振动是合理的,不过与理论振动方程式(1)在形式上 有所不同;此外,从图10发现,不同时刻的振动曲线 在同一位置存在交叉的现象,对其解释还有待作进 一 步的研究.振动模拟由Matlab程序实现,得到在 不同松紧度下式(11)中各常数如表3所示. 表3振动方程中各系数 Table3Coefficientofvibrationequation 令振动中出现最大振幅时刻(t时刻)的实测数 据为{(Y,),i=0,1,2,…,r},r为采样点数.基公 式(9)中于式(11)所给定的模型,对劈刀在t时刻的 振动曲线进行拟合.为求变量Y和:之间的函数关 系:=:(Y,A),使它逼近最佳实测数据,需选择待定 参数A使得拟合模型:(Y,A)与实测数据在各点的 厂了—?————————一 误差?=,,/?(:(Yi)一)最小.表达式中各系Y,-f=0 数见表3,计算误差?见表4;拟合效果见图ll. 焊接第29卷 振动点的位置Blmm 振动点的位置Blmm 振动点的位置Blmm 振动点的位置Blmm 图11最大振幅对应时刻振动曲线的拟合效果 F.11Curvefittingforma)(imumamplitudemoment 表4最大振幅出现的时刻t及计算误差? Table4Tin'~anden'orformsxhT~uman1pIitude参考文献: 可以看到,在误差允许的范围内,上述振动模型 与实测数据基本吻合. 3结论 (I)当其它条件不变而仅改变劈刀与变幅杆连 接的不同松紧度时,超声换能系统的输入功率随松 紧度不同而呈现出波动性. (2)在超声加载作用下,劈刀的稳态振动也表 现出不确定性;同一连接松紧度下,稳态振动中出现 单节点,但在不同松紧度时振动节点出现的位置各 不相同. (3)劈刀末端的速度振幅并不一定是最大. (4)在劈刀的稳态振动中,不同时刻的振动曲 线在同一位置存在交叉的现象. 对劈刀的稳态振动模型还有待作更深入的试验 研究,希望能建立其振动较精确的数学模型,为超声 设备的开发提供若干参考. [1]林仲茂.超声变幅杆的原理和设计[M].北京:科学出版社, 1987. [2]鲍善惠.压电换能器的动态匹配[J].应用声学,1998,17(2): 16—2o. [3]StanbridgeA,EwinsD.ModaltestingusingascanninglaserDoppler vibrometer[J].MechanicalSystemsandsis~aProeessing,1999,13 (2):255—270. [4]KangM,StanbndgeA,ChangT,eta/.Measuringmodeshapeswith acontinuouslyscanninglaserdopplervibrometer-hilbertnnd.omap? proach[J].MechanicalSystemsandsi8lProcessing,2OO2,16(2— 3):201—210. [5]韩雷,钟掘.热超声倒装键合过程中的非线性动力学行 为[J].半导体,20O6,27(11):2056—2063. [6]周宏权.热超声键合机功放与换能系统电学特性的实验研究 [D].湖南:中南大学,2006. [7]高荣芝.小波分析用于超声键合机理研究和工艺过程监控 [D].湖南:中南大学,2OO7. [8]中川宪治(日).工程振动学[M].夏生荣,译.上海:上海科学 技术出版社,1981. [9]BrianJ.Schwarz,MarkH.Richardson.Introductiontooperatingde? flectionsllapes[J].CSIReliabilityWeek,1999(10):121—126. 作者简介:程宝,男,1980年出生,硕士研究生.主要研究方向 信息器件制造技术与装备.发表论文2篇. Email:d嘲咖.esu@163.c叫I 一邑,^馨骣越锻一s.旦,^馨骣越锻 一旦,^馨骣越锻一旦,^馨骣越锻