跌落式?jīng)_擊試驗臺工作原理分析

1、微電子產(chǎn)品在使用和運輸過程中都可能因為不同形式的沖擊而造成功能失效，因此微電子產(chǎn)品的抗沖擊能力成為電子產(chǎn)品可靠性的一個重要評價指標，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要考慮因素。但是目前常用的沖擊試驗機都是針對結(jié)構(gòu)尺寸較大，質(zhì)量較重的產(chǎn)品，對于微電子產(chǎn)品這種結(jié)構(gòu)小、重量輕的特點，一般的試驗機不能有效地檢測出其沖擊的力學(xué)特性。本論文首先研究了不同試驗機的方案，分析其工作原理，并加以借鑒，從中得到了實現(xiàn)測試微電子產(chǎn)品抗沖擊的理論的啟發(fā)，在理論上設(shè)計出微電子跌落試驗機的基本結(jié)構(gòu)，這對檢測微電子產(chǎn)品的抗沖擊能力有著重要的意義。關(guān)鍵詞：微電子產(chǎn)品；跌落式；試驗機；抗沖擊；工作原理AbstractPortableele

2、ctronicdevicesarewellknowntobesusceptibletodropimpactwhichcancausevariousdamagemodessuchasinterconnectbreakage,batteryseparationincellularphones,possiblecrackingalonginterfaces.Dropimpactperformanceoftheseproductsisoneofimportantconcernsofproductdesign.Becauseofthesmallsizeofthistypeofelectronicprod

3、ucts,itisveryexpensive,time-consuminganddifficulttoconductdropteststodirectlydetectthefailuremechanismsandidentifytheirdropbehaviorsThemaincontentofthispaperliststhedifferentprogramsofthetestingmachineandanalyzetheworktheory,andreferenceit,Whichhasbeeninspiredbythetheoryoftestingmicroelectronicprodu

4、ctsimpact,anddesignthebasicstructureofmicroelectronicsproductsDropTestMachineintheory,Itisimportantfortheanti-wrestlingcapacitydetectionofmicroelectronicproducttodotheresearch.Keyword:microelectronicproduct;Drop;TestMachine;anti-wrestling;worktheory1緒論11.1跌落式試驗機簡介：11.2沖擊試驗的概念11.3沖擊試驗的方法概述21.4沖擊試驗的標準

5、31.5國內(nèi)外沖擊機的發(fā)展現(xiàn)狀和產(chǎn)品41. 5.1沖擊機發(fā)展現(xiàn)狀41.5.2國外沖擊機發(fā)展現(xiàn)狀和主要產(chǎn)品41.5.3國內(nèi)沖擊機發(fā)展狀況和產(chǎn)品62跌落試驗機方案的確定72. 1方案一：多次跌落試驗機72. 1.1多次跌落機的工作原理72. 1.2多次跌落機的意義102. 2方案二：帶有緩沖器的跌落式?jīng)_擊臺102 .2.1緩沖器的基本原理103 .2.2沖擊臺原理132. 2.3影響沖擊加速度的因素182. 3方案的確定193重復(fù)性跌落試驗機的工作原理以及結(jié)構(gòu)設(shè)計203. 1試驗機的工作原理203. 2試驗機的設(shè)計223. 2.1試驗機各部分結(jié)構(gòu)的材料以及功能223. 2.2試驗機工作的基本過程2

6、74總結(jié)和展望274. 1總結(jié)275. 2展望286. 文獻297. 301緒論1.1跌落式試驗機簡介：跌落試驗機概念：專用于測試產(chǎn)品包裝受到墜落之受損情況，或評估運輸搬運過程時耐沖擊能力?，F(xiàn)在市面上的跌落式試驗機一般采用雙柱導(dǎo)向、高度跌落次數(shù)可置，工作穩(wěn)定可靠，可實現(xiàn)棱、面、角跌落，滿足GB/T4857.5-92、ISO2248-1972E。一般可采用光電控制，可設(shè)定七檔跌落高度，也可自由選擇跌落高度，跌落釋放采用電磁控制，能使試樣瞬間自由落下，對包裝容器進行之棱、角、平面進行跌落沖擊試驗。跌落試驗機分類：單臂跌落試驗機，雙臂跌落試驗機。圖1-1跌落試驗機試驗機要求：提起試驗樣品至預(yù)定高度，

7、然后使其按預(yù)定狀態(tài)自由落下，與沖擊臺面相撞，并且撞擊反彈后被接住，避免二次撞擊。1.2沖擊試驗的概念各種工業(yè)產(chǎn)品在實際使用和運輸過程中經(jīng)常經(jīng)受沖擊環(huán)境。沖擊試驗是環(huán)境與可靠性試驗的一種，其目的就是要確定產(chǎn)品在使用和運輸過程中的承受非重復(fù)性機械沖擊的適應(yīng)性，其結(jié)構(gòu)的完好性以及該產(chǎn)品耐沖擊載荷作用的置信度。沖擊是指系統(tǒng)在瞬態(tài)激勵下的運動，它的特點是激勵的作用時間遠遠小于系統(tǒng)的運動周期，這意味著是一種突然的、猛烈的運動。沖擊也可以看作是振動環(huán)境的一種特例。沖擊一般分為簡單沖擊和復(fù)雜沖擊，簡單沖擊的幅值隨時間變化的曲線按照國際標準可以近似為簡單的幾何圖形，如半正弦波、梯形波、鋸齒波等；復(fù)雜沖擊的沖擊幅

8、值隨時間變化的曲線呈復(fù)雜的衰減振蕩波形。容易與沖擊試驗概念相混淆的是碰撞試驗的概念，關(guān)于兩者的區(qū)別是：碰撞試驗是為了確定重復(fù)性沖擊所引起的累積損傷對產(chǎn)品的影響，是比沖擊較弱的多次的重復(fù)的能量激勵。而沖擊試驗是產(chǎn)品受到瞬間激勵，其力、位置、加速度、速度發(fā)生突然變化的現(xiàn)象，是不同于累積損傷的破壞，而屬于相對于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度來說是極限應(yīng)力的峰值的破壞。國家標準電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程中這樣規(guī)定的：”沖擊與碰撞均屬于沖擊范疇。兩者的區(qū)別在于沖擊是運輸或使用過程中遇到的非經(jīng)常性的、非重復(fù)性的沖擊力。而碰撞是在運輸或使用過程中多次出現(xiàn)的經(jīng)常重復(fù)的沖擊力”在工程實際問題中，由于沖擊帶來的嚴重破壞性，如強烈

9、的沖擊會引起結(jié)構(gòu)瞬時斷裂、儀器儀表精度降低、元件損壞、甚至失靈。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，對電子器件、儀器儀表及機電產(chǎn)品的質(zhì)量的可靠性和運輸包裝件在運輸過程中耐沖擊強度的評定，提出了更高的要求。1.3沖擊試驗的方法概述對沖擊環(huán)境的模擬方法一般有三種：第一：帶有容差的沖擊脈沖成形法第二：沖擊譜模擬法第三：仿真復(fù)現(xiàn)法。其中第三種方法出現(xiàn)于上世紀70年代，所用到的專用設(shè)備比較復(fù)雜，試驗代價高昂，只有在非常特殊的場合中應(yīng)用。廣泛應(yīng)用的是第一、二種方法。對此兩種方法，我國標準GB2423.5-81、GJB150-85、GJB360-87以及國際IEC-68-2-29等標準都有規(guī)定。隨著環(huán)境模擬理論和計算

10、機技術(shù)的發(fā)展，以及控制系統(tǒng)功能的不斷完善，沖擊試驗技術(shù)發(fā)生了變化，用數(shù)字式控制振動臺系統(tǒng)進行沖擊譜模擬已經(jīng)成為沖擊環(huán)境試驗的趨勢。在研究結(jié)構(gòu)的耐沖擊能力過程中，布洛特(Blot.M.A)于1963年提出沖擊響應(yīng)譜(shockResponsespectrum)的概念，沖擊響應(yīng)譜實驗技術(shù)開始得到發(fā)展和應(yīng)用。沖擊響應(yīng)譜是以系列的不同頻率、具有一定阻尼的線性單自由度系統(tǒng)受到?jīng)_擊力產(chǎn)生的最大響應(yīng)與系統(tǒng)頻率的關(guān)系曲線。國內(nèi)外普遍采用等效損傷原則模擬復(fù)雜振蕩沖擊環(huán)境，即用沖擊響應(yīng)譜作為模擬沖擊環(huán)境標準，如產(chǎn)品在規(guī)定的時間歷程內(nèi)在沖擊模擬裝置產(chǎn)生的沖擊激勵作用下產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)譜與實際沖擊環(huán)境的沖擊響應(yīng)譜相當?shù)?/p>

11、話，就可以認為該產(chǎn)品經(jīng)受得了沖擊環(huán)境的考核。近年來，關(guān)于沖擊響應(yīng)譜試驗的技術(shù)已經(jīng)成為沖擊試驗的研究趨勢，廣泛應(yīng)用于沖擊環(huán)境的模擬試驗中。目前國外針對沖擊響應(yīng)譜試驗技術(shù)的研究日益成熟和完善，并已經(jīng)研制出沖擊譜試驗的電動式實時控制系統(tǒng)，具有非常好的試驗效果。但國內(nèi)關(guān)于沖擊響應(yīng)譜試驗的研究集中在理論層次面上的較多，能夠?qū)嶋H應(yīng)用的成果也很少。就目前的沖擊試驗水平看，國內(nèi)外主要采用的還是第一種方法。沖擊脈沖成形法試驗多以理想脈沖試驗為主，主要是以簡單脈沖產(chǎn)生的沖擊效果來模擬實際的沖擊環(huán)境。利用跌落沖擊機和擺式小型沖擊機按照GJB150、MIL-810等各項標準進行的沖擊環(huán)境試驗。規(guī)定的典型沖擊波形有：梯

12、形波、后峰鋸齒波、半正弦波等，對于沖擊波形法模擬沖擊試驗時，都會涉及到?jīng)_擊加速度的峰值、沖擊持續(xù)時間等方面的要求。沖擊加速的峰值時指加速度的最大值a。；沖擊加速度增長時間是指加速度從零值增長到最大值所經(jīng)歷的時間t;沖擊加速度持續(xù)時問(脈寬)是指加速度從零值升到最大值，然后有從最大值降到零值所經(jīng)歷的時間T0O如圖1-2所示，我國GB2423.5-81規(guī)定的三種波形的容差要求。圖中A為脈沖加速度峰值，D為脈寬。圖1-2沖擊波形容差(a)半正弦波(b)梯形波(c)后峰鋸齒波當然在實際中沖擊波形法不可能模擬實際的復(fù)雜沖擊環(huán)境，由于實際環(huán)境產(chǎn)生的沖擊是一種復(fù)雜的瞬態(tài)振動或是變化的持續(xù)時間的復(fù)雜沖擊。這也

13、是沖擊波形法的不足之處，不過在目前來說，此方法還是應(yīng)用比較廣泛。1 .4沖擊試驗的標準在沖擊試驗的過程中，一般參考的沖擊環(huán)境試驗的標準有：沖擊臺試驗標準：GB2423-1995;碰撞臺試驗標準：JJG497.2000國家軍事標準：GJB150、GJB360;美國軍事標準：MILSTD-810:國際標準：IEC-68-2.29;1. 5國內(nèi)外沖擊機的發(fā)展現(xiàn)狀和產(chǎn)品2. 5.1沖擊機發(fā)展現(xiàn)狀在機械、電子等制造行業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)、運輸?shù)冗^程中，存在各種沖擊，因而產(chǎn)品的抗沖擊性能成為反映其質(zhì)量和可靠性的重要指標，隨著人們對產(chǎn)品精度、可靠性要求的提高，以及航空航天等行業(yè)發(fā)展的需要，產(chǎn)品的抗沖擊性能將越來越受

14、到重視。與之相應(yīng)的沖擊試驗機也在不斷發(fā)展，以力脈沖發(fā)生器的發(fā)展為標志，沖擊試驗機的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段：第一階段是早期以橡膠、氈墊、彈簧等作為波形發(fā)生器的機械式?jīng)_擊機。這類沖擊試驗機的自動化程度往往較低，只能產(chǎn)生單一波形類型。第二階段則是以自動控制理論的發(fā)展，自動化設(shè)備的興起，新材料的發(fā)展為基礎(chǔ)，以使用特制材料與液壓或氣動控制結(jié)合為特征的波形發(fā)生器作為緩沖器，不同的脈沖發(fā)生器對應(yīng)不同波形，這種波形發(fā)生器精確度比較高，性能也比較穩(wěn)定。第三階段是上個世紀八十年代末以來，隨著計算機應(yīng)用與集成電子技術(shù)的快速發(fā)展，以能在一臺緩沖器上產(chǎn)生多種波形的智能化波形發(fā)生器為特征，并輔以高度自動化的控制以及數(shù)據(jù)分

15、析設(shè)備的新型沖擊試驗機。這種沖擊試驗機現(xiàn)在正逐步替代第二代沖擊臺，并廣泛流行。1.5.2國外沖擊機發(fā)展現(xiàn)狀和主要產(chǎn)品這些產(chǎn)品主要有，美國L.A.B公司生產(chǎn)的跌落式?jīng)_擊試驗臺、美國MTS公司生產(chǎn)的886系列沖擊試驗機、美國AVCO公司生產(chǎn)的SM系列沖擊試驗機、日本吉田精機株式會社生產(chǎn)的ASQ系列沖擊試驗機、Lansmont公司機械式跌落式?jīng)_擊臺、美國TEAM公司的振動沖擊臺等都屬于第三代產(chǎn)品。以美國L-A.B公司生產(chǎn)的跌落式?jīng)_擊試驗機一Autoshock-II系列為例。Autoshock-II系列沖擊試驗機是全自動型沖擊試驗機，可以模擬實際的沖擊脈沖和沖擊能量?？蓭椭牧现圃焐踢M行系統(tǒng)測試并對產(chǎn)

16、品進行更加合理的設(shè)計。該試驗機采用計算機控制，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析。其控制界面圖如圖1-3所示，其技術(shù)參數(shù)見表1-1表1-1技術(shù)參數(shù)表_型號AS-IL24ASTL36ASTL48AS-IL6O岔面尺寸nra610X810910X6101220X12201520X1520振腳重量kg1700230058008200標準重量390140270400最大載重。1&00600900900機臺重量kg230032005800|8400機臺尺寸M1220X860X275O1630XI070X27501930X1630X28002300X1630X儂0腦寬時間忘_L0-6520653,0-65_L0-65口由下

17、落大速度H等13777加速下落最大速度皿總2，1L6IL6JL3最大加速度K600600600600電源及其要求魏相或三相電源:0.55-0.69MpMSOTOOMi)氣壓工15,2MPa(220psi)制氣AufoSIiockIIRcrncyControl圖1-3Autoshock-II系統(tǒng)沖擊試驗機控制界面1. 5.3國內(nèi)沖擊機發(fā)展狀況和產(chǎn)品我國于1987年實施GJB150_86軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法，1988年實施GJB36087電子及電氣元件試驗方法的項國軍標。上述標準中的沖擊試驗規(guī)范規(guī)定了沖擊運動及容差要求。從國內(nèi)近幾年引進美國MTS公司和美國AVCO公司的同類設(shè)備的情況看，引進的設(shè)備

18、能夠產(chǎn)生滿足以上標準要求的三種波形（半正弦波、后峰鋸齒波和梯形波）。沈陽新樂精密機器公司研究員級高工于治會研究了一種跌落沖擊機的設(shè)計原理（是一種長持續(xù)時間的小型跌落沖擊臺，并對其結(jié)構(gòu)特點，工作原理、沖擊參數(shù)做了研究和改進措施）。隨后又研究了裝有等壓緩沖器跌落沖擊臺，解決了沖擊加速度增長時間（或持續(xù)時間）與沖擊加速度幅值之間的矛盾關(guān)系（幅值大時持續(xù)的時間小，幅值小時持續(xù)的時間長）。但沖擊加速度波形不規(guī)范，在低幅值加速度時，加速度波形接近平正弦波，在高幅值時，其波形變尖。他還研究了凸輪式跌落沖擊機的原理與調(diào)整，凸輪式跌落沖擊機是一種連續(xù)多次的機械沖擊裝置，廣泛用干材料、元器件、產(chǎn)品及其零部件的強度

19、和壽命試驗。西北工業(yè)大學(xué)航天工程學(xué)院吳斌設(shè)計了氣壓驅(qū)動沖擊實驗臺，連續(xù)沖擊速度快，結(jié)構(gòu)簡單控制靈活。為沖擊試驗的速度和操作的方便性和提高效率都起到了重要的作用。西北機械廠仇雪琴同志正在研究一種新穎的沖擊試驗設(shè)備（100KG沖擊試驗機），該產(chǎn)品的研制將會填補國內(nèi)高水平、高性能沖擊試驗系統(tǒng)的空白。上海交通大學(xué)的馮雷、趙剛、朱旭東等就沖擊試驗測控系統(tǒng)做了改進，他們設(shè)計了基于Pc的沖擊試驗全自動測控系統(tǒng)，完全代替了手動控制臺的沖擊試驗自動測控系統(tǒng)可在軟件界面上再現(xiàn)控制臺的控制面板，并實現(xiàn)的數(shù)字化顯示。為沖擊試驗的控制和測量都帶來極大的方便，改善了操作環(huán)境和工作強度。目前，蘇州市蘇南振動儀器有限公司，H

20、AS系列高加速度沖擊試驗臺，主要用于航天、航空、船艦、兵器、電子、汽車等工業(yè)領(lǐng)域的科研、生產(chǎn)考核產(chǎn)品的抗沖擊能力，適用于試驗沖擊加速度較大的器件、部件和整機的沖擊試驗該系列產(chǎn)品采用自動提升，自由沖擊.高度預(yù)置。沖擊能量高，操作簡便、安全、可靠。沖擊加速度、脈沖持續(xù)時間、脈沖速度變化量，通過測量儀控測后，顯示在顯示屏上。如圖1-4所示。圖1-4HAS系列高加速沖擊試驗臺2跌落試驗機方案的確定2. 1方案一：多次跌落試驗機3. 1.1多次跌落機的工作原理該裝置的結(jié)構(gòu)多種多樣，但其基本原理相同，均由機械沖擊臺、驅(qū)動電機、控制系統(tǒng)組成（見圖2-1）。用電機驅(qū)動具有特定曲面的凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪推動帶有試件的

21、工作臺面上升，當凸輪轉(zhuǎn)過最高位置時，工作臺面便自由地跌落在機座砧面上的緩沖墊上，從而產(chǎn)生方向朝上的加速度。假定基座相對工作臺面的質(zhì)量為無窮大，則工作臺面與緩沖墊碰撞時的運動微分方程為：Mx+Cx+kx=，(0二t(t：0,tji(2-1)或者0x102(x-P)=0(2-2)式中C-阻尼系數(shù)B-相對阻尼系數(shù)，C/2Mkk-緩沖墊的彈性剛度*系統(tǒng)的固有圓頻率,匚加速度的持續(xù)時間M-工作臺面的質(zhì)量圖2-1凸輪式跌落沖擊臺結(jié)構(gòu)示意圖因為空氣阻尼很小，可以忽略，故式(2-2)簡化為：X+302(X-/)=0(22解此方程并考慮到初始條件：當t=0時，x=0,X=d2gHi(Hi為工作臺面首次跌落高度)

22、，(見圖2-2),可求得首峰加速度的幅值為：ai0=(g22gHiKM1/2(2-3)而加速度持續(xù)時間為：(2-4)=a嗔黑)后優(yōu)當首峰加速度大于10g時，式(3)、式(4)近似為：2gHiK(2-3)a10,M2-4)7777777圖2-2沖擊臺原理圖首峰加速度結(jié)束后，工作臺面仍有較大的反彈速度，還能連續(xù)進行多次持續(xù)時間相同而加速度幅值遞減的次沖擊過程。由常系數(shù)微分方程的線性原理，同樣可求得次沖擊的加速度幅值為：a10=g22ge2(i口HiK2M(i=2,3,.,n)（2-5）式中e緩沖墊的恢復(fù)系數(shù)各次沖擊的加速度持續(xù)時間為:=2tan4As7丹+MKk（2-6）式（2-6）的首項比第二項

23、小得多，實際證實書變化很小，所以各次沖擊的加速度持續(xù)時間基本相同，可由式（2-4）表示，即V歸丁。從某沖擊起始時刻到相鄰下個次沖擊的起始時刻的時間稱為脈沖時間問隔，其值為：t（i1），=23：生十七（2-7）,g其值從首次沖擊開始時刻到末個次沖擊結(jié)束時刻的時間稱為單次循環(huán)沖擊時間，為:(2-8)2.1.2多次跌落機的意義凸輪式跌落沖擊臺是一種連續(xù)多次的機械沖擊裝置，廣泛地用于各種材料、結(jié)構(gòu)、元器件、傳感器、儀器儀表、機電設(shè)備、家用電器及其零部件的強度和壽命試驗，有時還進行產(chǎn)品工作參數(shù)模擬測試。2.2方案二：帶有緩沖器的跌落式?jīng)_擊臺2.2.1緩沖器的基本原理下落式?jīng)_擊臺的關(guān)鍵部件是等壓緩沖器，具

24、結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。由活塞、活塞筒及多錐度錐形件組成?；钊矁?nèi)充有一定體積的酒精、甘油混合液，此種阻尼液具有粘度容易調(diào)節(jié)和在低溫下不凍絨的優(yōu)點。剩余空腔充有一定予壓的氣體?；钊c活塞筒之間由膠圈密封。在活塞下端有個圓流液孔。圖2-3等壓式緩沖器示意圖1.活塞2.阻尼液3多錐度錐形件4. 活塞筒5.氈墊6.村套當活塞相對活塞筒運動時，活塞承受三種力的作用：空氣壓力、液體阻力以及活塞與活塞筒之間的摩擦力。分述如下：1 .空氣壓力：當緩沖器空腔V。中，予壓為p。的氣體迅速壓縮或擴張時，屬于絕壓過程,力按指數(shù)規(guī)律變化,如圖2-4(a)所示，即：A,V01FB=(2-9)PAp=p0(-)Ap=p0Ap

25、w1-V。式中V=V0-ApS;Ap一活塞面積；S活塞壓縮(或伸展)行程；丫一空氣定壓和定容克分熱容量比值,尸=Cp/Cv1.4o這個力的大小與活塞面積、充氣予壓及空腔體積有關(guān)，但與活塞伸縮的速度關(guān)系不大；該力的方向在整個行程中恒指向活塞。該力(對于沖擊臺)有兩個作用，一是起空氣彈簧作用，對負荷產(chǎn)生阻力，二是將活塞恢復(fù)到起始位置。在壓縮行程中，空氣吸收的能量由圖2-4(a)曲線工下的面積確定，在伸展行程中，由于空氣的彈性恢復(fù)力使活塞伸展，又將這個能量釋放出來，因此在整個行程中空氣不吸收能量。2 .液體阻力：當活塞受外力移動時，多錐度錐形件穿過流液孔，因此流液截面積隨活塞行程而改變，故這種緩沖器

26、有時稱為變截面緩沖器。即當行程開始時，活塞運動速度大，流液面積也較大；當行程較大時，活塞速度減小，流液截面積也隨之減小。根據(jù)流量原理，流過的截面積液體的速度也改變，其流速為：ApV=V1(2-10)C2A0式中C一流量系數(shù)(一般取0.7)U1一活塞速度A0一流液孔截面積由于錐形件為多錐度的園錐金屬件，所以流液孔截面積為流液孔的面積減去錐形件穿過流液那時刻流液孔相對應(yīng)的錐形件截面積，即nA0=D2-d2(1k(s)2(2-11)4式中D一流液孔直徑d一錐形件的最小直徑k(s)一錐形件的錐度，隨行程改變。因此阻尼液產(chǎn)生變化的阻力，該阻力由下式確定：2-12)D1AP3V12P=-2288gC2A。

27、2式中Di一阻尼液比重,g一重力加速度值。流液孔面積由下式確定D1Ap3(V12-2aS)j2288C2M2-13)其中M負荷質(zhì)量a一活塞運動加速度幅值。當用于垂直下落時，考慮負荷下落時的能量，則D1Ap3(V12-2aS)12-14)A0=(：)()288C2Mga由(2-14)式可知液體阻力的大小主要與活塞面積、速度、液體粘度及流液孔面積大小、形狀和錐形件的形狀、尺寸有關(guān)。對于同一緩沖器，流液孔越小阻力越大，當流液孔最小截面積大于8%Ap時，液體阻力為零。在活塞行程的始、終因為V1=0,所以阻力也為零，見圖2-4(b)。液體阻力的方向，在壓縮行程指向活塞,在伸展行程背向活塞，即阻力的方向是

28、與活塞運動的方向相反。阻尼液在整個行程吸收的能量，由圖2-4(b)中曲線II、III所包圍的面積確定,所吸收的能量變?yōu)樽枘嵋旱臒崮芏⑹А? .摩擦力：在活塞伸縮時，整個活塞桿及其密封膠圈與活塞筒之間存在摩擦力fn和fn見圖2-4(c),曲線IV為壓縮行程的摩擦力fIVn。曲線V為伸展行程的摩擦力fVn,o實際上摩擦力約為予壓力的10%-20%,即2-15)fn20%P0Apfn的大小在整個行程中并不恒等，隨氣壓的大小而增減。因為氣壓小時密封膠圈與活塞筒的接觸松，氣壓大時接觸較緊。fn的方向在壓縮行程指向活塞，在伸展行程背向活塞，即fn的方向總是與活塞運動的方向相反。f在壓縮行程吸收的能量由圖

29、2-4(c)中面積C確定，在伸展行程由面積D確定,總的吸收能量為兩面積之和，由f吸收的能量也是變?yōu)闊崮芏⑹??？傊?，在整個行程中緩沖器對負荷的阻力為空氣壓力，液體阻力和摩擦力的總和，即F=pB+F+fn(2-16)在壓縮行程中F=Fb+P+fn；在伸展行程中F=Fb-(p+fn)。在設(shè)計緩沖器時，應(yīng)保證在整個行程中緩沖器總阻力基本不變，所以此種變截面緩沖器稱為等壓式緩沖器。圖2-4緩沖器阻力圖(a)氣體壓力曲線：I為標準壓力曲線；1P為pWp。的壓力曲線(b)液體阻力曲線:II為壓縮行程阻力曲線.III為伸展行程的阻力曲線;A為壓縮行程吸收能量；B為伸展行程吸收能(c)摩擦力曲線：IV為壓縮行

30、程摩擦力曲線;V為伸展行程摩擦力曲線;C為壓縮行程吸收能量；D為伸展行程吸收能量。(d)總阻力曲線：VI為壓縮行程總阻力曲線;VII為伸展行程總阻力曲線；面積KLHGK為緩沖器吸收的總能量。2.2.2沖擊臺原理整機結(jié)構(gòu)如圖2-5所示，由塔架、沖擊臺面、等壓緩沖器、升降機構(gòu)、遙控裝置和自動釋放機構(gòu)等部分組成。當帶試件的沖擊臺面(負荷)升到一定高度H,突然釋放后沿軌道垂直下落并與底部緩沖器的活塞相碰，由于膠墊和緩沖器的制動，負荷速度急劇減小，在壓縮行程產(chǎn)生方向朝上的沖擊加速度。4、Qmr圖2-5下落式?jīng)_擊臺原理圖1.刻度尺2.緩沖器3.沖擊臺面4.自動釋放機構(gòu)5.活塞配重6.減震膠墊7.塔架8.升

31、降機構(gòu)9遙控裝置實際上負荷下落的整個過程分為下落與沖擊兩個過程：1 .下落過程：負荷沿軌道垂直下落時，實際上受到空氣和軌道的摩擦阻力因為速度不大，阻力與速度成比例。適當調(diào)正沖擊臺面與導(dǎo)軌的接觸方式，減小摩擦，阻力可以忽略不計。2.沖擊過程：在此過程按時間先后大體分為碰撞和緩沖兩個階段，但這兩個階段不能絕然分開互相重疊。(1)碰撞階段：負荷下落到底部以速度Vi=藥H與緩沖器活塞相碰撞，根據(jù)碰撞理論碰撞后負荷的速度減小為M-emx/ViMm2-17)式中e一減振墊的彈性恢復(fù)系數(shù)(0e1);m一活塞與配重的質(zhì)量；M負荷質(zhì)由于在時間問隔t內(nèi)負荷速度發(fā)生了變化，即(1e)m，2gHV二Mm因此產(chǎn)生近似半

32、正弦脈沖加速度，其峰值為：(1e)m2gH.、田ap-(半正弦波)Mm(2-18)(2-19)因為沖擊臺面的沖頭是一定壁厚的管子，見圖2-6,相當于減振彈簧，故能減小沖擊強度。若沖擊加速度峰值為ap的半正弦波，根據(jù)等效原理，圖2-7可以求出作用在試件上的加速度峰值為apamaxa2-1(sin2a2-20)因此加速度隔振系數(shù)為：a(a2-1)sin2aa2-12-21)ji式中a二ToTo為脈沖加速度持續(xù)時間Ki，一、入一出=為等效系統(tǒng)的固有圓頻率Ki為沖頭彈簧剛度（其質(zhì)量忽略）M為負載質(zhì)量圖2-6沖擊臺面示意圖1.沖頭2.管子3.臺面圖2-7碰撞過程原理圖根據(jù)碰撞理論，可求出碰撞后負載能量損

33、失為:12Mm2(2-22)T=-(1-e2)Vi22Mm(2)緩沖階段：碰撞開始后，同時進入緩沖階段，因緩沖器阻力制動負荷速度減為零，此時負荷與活塞系統(tǒng)的運動微分方程近似為：(2-23)M0d-yc5ky=G(t)dt2dt式中M0=M+m為負載與活塞系統(tǒng)的質(zhì)量和；C為阻尼系統(tǒng)；K為空氣彈簧剛度系數(shù)，G(t)為外力(包括重力)，G(t)=F+P+fn+(M+m)g；。為活動系統(tǒng)固有圓頻率,o232+P2。解此方程可得位移(x-t)的關(guān)系式，即負載與活塞系統(tǒng)進行偏離起始位置的衰減振動。(x-t)、(a-t)實測曲線如圖2-7所示。在緩沖階段，緩沖器對負荷的平均阻力可按下式估算：M2gHF=(2

34、-24)(Mm)S圖2-8活塞位移曲線與負載加速度曲線圖2-9沖擊過程分解圖（3）綜合分析：在碰撞階段產(chǎn)生窄脈沖加速度a（圖2-9曲線1）;在緩沖階段產(chǎn)生寬脈沖加速度歡：（圖2-9曲線2）,整個過程的加速度為a:與勺矢量合成（圖2-9曲線3）,沖擊加速度波形取決兩階段器速度的波形及其疊加的結(jié)果。2 .2.3影響沖擊加速度的因素1、沖擊條件：計算和試驗均可得到：臺面高度及活塞系統(tǒng)質(zhì)量增加時，加速度幅值隨之增加，而脈寬度相應(yīng)減小，在其他條件不變的情況下減振膠墊加厚時，加速度幅值減小，脈沖寬度相應(yīng)增加。裝置久停復(fù)用，首次沖擊其加速度幅值比正常情況要高20%以內(nèi)。2、緩沖器填料情況：正常情況緩沖器充阻

35、尼液為酒精、甘油各50%的混合液,其量應(yīng)是使活塞伸展至極限位置時，流液孔剛不露出液面為適宜，充氣規(guī)定為一個大氣壓（一般應(yīng)使氣體壓力PoAp為緩沖器開始壓縮時負荷力的0.1-0.6倍）。當充液充氣反常時，對沖擊加速度量值和波形均有影響。3、緩沖器結(jié)構(gòu)尺寸：其長度、活塞面積、錐形件的錐度、流液孔截面積和形狀（R的大?。_擊加速度均有較大影響。適當調(diào)正各因素可以使沖擊加速度滿足要求。2. 3方案的確定要想準確的試驗出微電子產(chǎn)品的抗摔能力，所設(shè)計出來的跌落試驗機必須滿足以下幾點要求：(1)能夠模擬出微電子產(chǎn)品真實跌落的情景，即能夠?qū)崿F(xiàn)微電子產(chǎn)品以任意姿態(tài)在指定高度自由落體，不過，根據(jù)相關(guān)的資料顯示，

36、抗摔能力最差的部分是微電子產(chǎn)品的腹部和背部，所以所設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)只要能夠滿足微電子產(chǎn)品以躺下的姿態(tài)自由落體即可。(2)能夠接住固定有微電子產(chǎn)品的跌落臺，防止其反彈后二次撞擊沖擊臺面。我們可以想象微電子產(chǎn)品真實跌落的場景，微電子產(chǎn)品真實跌落時反彈高度是很小的，雖然也會發(fā)生二次以及多次碰撞，但是其與第一次碰撞相比是可以忽略不計的，然而本文所設(shè)計出來的試驗機的跌落臺以及沖擊平面都是延展性以及韌性相當高的鋼材料，碰撞之后必定會發(fā)生很大的反彈，在這種情況之下，其反彈后的二次以及多次碰撞就不能夠忽略，必須防止，所以本文設(shè)計的跌落試驗機必須能夠防止其反彈后二次撞擊沖擊臺面。(3)能夠準確的測量出沖擊加速度、

37、應(yīng)變率等具有重復(fù)性的參數(shù)以及沖擊次數(shù)。評價一個微電子產(chǎn)品抗摔能力主要是看產(chǎn)品摔落時產(chǎn)生的加速度、應(yīng)變率等重復(fù)性良好的參數(shù)以及抗摔擊次數(shù)。(4)跌落臺與沖擊平面碰撞時不能有過大的緩沖。如果有太大的緩沖會影響沖擊加速度的大小，并且使得沖擊次數(shù)偏大。(5)另外本機所測試的微電子產(chǎn)品的尺寸不得超過150m佛150mm、根據(jù)以上的要求可以很易得知，方案一和方案二都不符合要求，方案一中的多次跌落機無法實現(xiàn)微電子產(chǎn)品在任意指定的高度跌落；方案二中帶有緩沖器的跌落機無法避免跌落臺二次撞擊跌落平臺，而且還帶有緩沖器，這樣可能導(dǎo)致測出的沖擊加速度和應(yīng)變率以及沖擊次數(shù)這些參數(shù)不準確。但是方案一和方案二的原理可以進行

38、借鑒，特別是方案二的結(jié)構(gòu)可以加以改進，使得其滿足以上五點要求。3重復(fù)性跌落試驗機的工作原理以及結(jié)構(gòu)設(shè)計3. 1試驗機的工作原理如圖3-1所示裝置模擬的是電子產(chǎn)品在使用或運輸過程中最常見的撞擊方式跌落式。跌落式?jīng)_擊試驗機的原理就是將電子產(chǎn)品位置上升到指定的高度后，然后自由釋放，試件便沿著軌道或者自由下落，與底部的測試臺相碰撞，由于測試臺與試件的反作用作用，受到一個瞬間撞擊力，并使試件產(chǎn)生方向朝上的沖擊加速度。其運動方程為:MxCxkx=(o:二t:二二)(3-1)(t:二0,t二)或者x20X02(x-*)=0(3-2)式中：M為試件和跌落臺的總質(zhì)量;C為粘性阻尼系數(shù)；B為相對阻尼系數(shù)，-C/2

39、Mk;k為碰撞平臺的剛度；co。為系統(tǒng)的固有頻率，00=%M/K,一般測試臺的阻尼系數(shù)很小，一般來講B=,o所以方程簡化為x02（x-？）=0根據(jù)初始條件：當t=0時，x=0,x=J2gHo計算出：Msin、tMR(3-3)沖擊加速度的幅值為:a0二、g22黑(3-4)即沖擊加速度與試件的跌落高度、碰撞平臺的剛度及試件與沖擊臺的總重量有關(guān)。但當?shù)涞母叨容^大時，g（重力加速度）與沖擊加速度相比可以忽略不計,因此式（3-4）可以簡化為：2gHkM由于試件完成了首次沖擊后仍有較大的反彈速度，故它在重力的作用下還能進行數(shù)次幅值遞減的沖擊過程。按照先后次序分別稱為2次、3次次沖擊,第2次以后的各次沖擊

40、稱為次沖擊。次沖擊的次數(shù)、各次沖擊的加速度幅值及相鄰兩脈沖的時間間隔長短取決于試件設(shè)定的下落高度H和測試臺的恢復(fù)系數(shù)。試件的各次反彈高度可分別記為：(3-6)h2=e2H,h3=e4H.hi=e2(i1)H因此由式（3-4）可求得出各次沖擊加速度幅值為:a2=(g2a3=(g22ge2Hk,Ma2M(3-7)2ge4Hk)；M式中：e緩沖材料的恢復(fù)系數(shù)。以上各式可以得知，只要在試驗前設(shè)定好落下的高度、測試臺材料類型和試件的質(zhì)量，就可以對加速度進行預(yù)控制。3.2試驗機的設(shè)計3.2.1試驗機各部分結(jié)構(gòu)的材料以及功能圖3-2跌落試驗機的結(jié)構(gòu)示意圖1、跌落臺導(dǎo)軌2、沖擊平臺3、基座4、電磁釋放器5、托

41、盤導(dǎo)軌6、升降機構(gòu)7、遙控裝置8、標尺9、光敏傳感器10、托盤11、跌落臺如圖3-2所示為微電子產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)，其整體結(jié)構(gòu)主要由機架、沖擊臺面、跌落臺、電機、升降機構(gòu)、遙控裝置以及自動釋放機構(gòu)等組成。電動機的選擇可以參考表3-1,通過表格各種電動機類型的對比，可以選擇鼠籠式異步電動機。可以選擇Y系列的電動機，因為Y系列的電動機效率高、節(jié)能、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動小、運行安全可靠。表3-1典型的電動機類型電動機種類機械特性優(yōu)點缺點典型機械的例子結(jié)構(gòu)簡單、體積鼠籠式小，扮廉，運行調(diào)速裝置較復(fù)泵、通風(fēng)機、運輸機、機床的輔異步硬可施、維護使用方便.1雜、較貴.助運動機構(gòu)，小盥機床的主傳動等.3交線跪

42、式1異步硬1轉(zhuǎn)子串電阻后變軟）啟動性能好、可在小制國內(nèi)調(diào)速.結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、費*較起簟機、電梯、大中型卷拓機,鍛壓機等.同步絕對硬恒速、施改善電網(wǎng)功率因數(shù).結(jié)構(gòu)復(fù)雜.價責(zé)，調(diào)速技復(fù)雜，黑作較黑.大中緡鼓風(fēng)機、泵.壓縮機、連續(xù)式軋審機、球圈機等，-f如圖3-3所示為機架的基本結(jié)構(gòu)的三視圖，機架由跌落臺導(dǎo)軌、托盤導(dǎo)軌以及基座組成。圖3-3基座結(jié)構(gòu)的三視圖基座可以由鋼板和大理石構(gòu)成，對外界的震動有很好的隔離作用，它的質(zhì)量占有整個試驗機質(zhì)量的百分之九十，從而保證整個試驗機的穩(wěn)定性?；系膶?dǎo)軌可以選擇HT200或HT300,滲碳淬硬到46-52HRC,磨削加工后淬硬深度不低于2.5mm,其優(yōu)點是：1.耐磨

43、性好2.摩擦系數(shù)小3.加工和使用時的內(nèi)應(yīng)力變形小，尺寸穩(wěn)定性能好。如圖3-4為本試驗機托盤的基本結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)跌落臺第一次反彈后被接住。其材料可以選擇高強度和高韌性的非調(diào)制鋼。非調(diào)質(zhì)鋼是在中等含碳量的鋼中，加入某些微量合金元素之后，即形成它們的碳化物或氮化物，并以微細的粒子析出，起到強化鋼材作用，并阻止鋼的晶粒長大，而對于上述析出強化過程最有效的元素是V、Nb、Ti,尤其是同時加入V和N,可提高其強度與屈服點，而且非調(diào)質(zhì)鋼的耐磨性較好，且穩(wěn)定，優(yōu)于45號鋼。所以該材料可以滿足托盤抗沖擊的要求。圖3-4托盤結(jié)構(gòu)的立體圖首先托盤的高度可以手動的調(diào)動，為了使得跌落臺第一次反彈后可以很好的被接住

44、，而不至于接住后依然會反彈的很高，則需先通過在指定高度空載釋放跌落臺，然后目測跌落臺第一次反彈的高度來確定托盤的高度，反復(fù)試驗幾次，確認手動調(diào)節(jié)的反彈高度是否符合要求，如果符合要求，則可以將微電子產(chǎn)品安放在跌落臺上進行跌落試驗。其次托盤的結(jié)構(gòu)是一個類似于匣子的結(jié)構(gòu)，可以用來打開和向上收起，我們可以想象一個匣子側(cè)臥著，打開匣子的蓋子，就相當于打開了托盤，此時跌落臺撞擊上托盤是一定可以被接住的，因為此機構(gòu)打開時正好處于死點，在受到向下的沖擊力時，側(cè)壁會支撐住托盤，因此機構(gòu)不會發(fā)生運動，所以此托盤可以實現(xiàn)接住跌落臺；關(guān)閉匣子的蓋子，就相當于向上收起了托盤，此時跌落臺就可以不受到托盤的干擾，自由的在導(dǎo)

45、軌上升降。最后如示意圖所示，托盤下方安裝有一個光敏傳感器，用來控制托盤的打開與收起。通過控制設(shè)計，使得光敏傳感器每感應(yīng)兩次，托盤只反應(yīng)一次。如圖3-5所示為沖擊平臺結(jié)構(gòu)的三視圖。沖擊臺和剛性基礎(chǔ)可以是不同質(zhì)地的材料，一般選擇花崗巖鋼板、木板和紡織材料等，模擬實際中的撞擊環(huán)境。本試驗機選擇花崗巖鋼板，從而具有很強的硬度和抗沖擊能力。另外在沖擊平臺上除了安裝應(yīng)變片外，還要裝有用來記錄加速度的壓力傳感器以及計數(shù)用的壓力傳500圖3-5沖擊平臺結(jié)構(gòu)的三視圖如圖所示為跌落臺的基本結(jié)構(gòu)，其材料也可以是非調(diào)質(zhì)鋼。跌落臺上方有一些螺紋孔，可以用來固定各種微電子產(chǎn)品。自動釋放裝置就是一個電磁釋放器，在給定一個釋

46、放的信號后，試件自由下落，要求響應(yīng)速度快，同時托盤在這個釋放信號下，會向上收起托盤，從而實現(xiàn)試件的自由下落。遙控裝置則可以控制電機使升降臺上下升降。從而實現(xiàn)了跌落臺自由落體后，將升降臺下降，給電磁釋放器通電，吸住跌落臺，再將升降臺上升至初試高度。沖擊試驗機可以達到的技術(shù)指標最大沖擊高度：1.2m最大樣品尺寸：150mrK150mm3. 2.2試驗機工作的基本過程測試時將微電子產(chǎn)品平躺著固定在跌落臺上方，通電時電磁釋放器將跌落臺吸住，使之靜止在指定的高度，同時將托盤調(diào)節(jié)至合適的高度，而且托盤的初始狀態(tài)是向上收起的。關(guān)閉電磁釋放器的電源后，跌落臺沿著導(dǎo)軌自由落體，然后撞擊沖擊平臺，在撞擊完成后，在電腦上獲取撞擊時的加速度、應(yīng)變率以及撞擊次數(shù)的信息。撞擊后，跌落臺反彈至托盤高度時，此時傳感器第二次感應(yīng)，因而托盤由收起狀態(tài)變?yōu)榇蜷_狀態(tài)，從而接住跌落臺，待跌落臺穩(wěn)定于托盤上時，利用遙控裝置，將升降臺下降至托盤位置，給電磁釋放器通電，將跌落臺吸住，升起升降臺至初始高度，至此第一個試驗周期完成，之后的過程就是如此的循環(huán)下去，直到微電子產(chǎn)品損壞，最后記錄撞擊時的加速度、應(yīng)變率以及撞擊次數(shù)。4總結(jié)和展望4. 1總結(jié)(1)本課題主要內(nèi)容是微電子產(chǎn)品跌落試驗機的理論結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中微電子產(chǎn)品沖擊試驗機主要實現(xiàn)的功能是測試微電子