周琦 王舒暢 葉章毅

摘要：通過采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，模擬自動(dòng)化設(shè)備的工作狀態(tài)而進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，避免物理樣機(jī)因設(shè)計(jì)缺陷而重復(fù)制造的問題。使用Solid Works軟件對全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)的關(guān)鍵部件機(jī)械手移動(dòng)支架進(jìn)行有限元靜態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)，針對性地提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，保證移動(dòng)支架部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。通過全約束狀態(tài)下的模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)該部件的固有頻率與設(shè)備產(chǎn)生共振的可能性較小，最易產(chǎn)生振動(dòng)變形的零件是連接平板，有必要對該零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化，以保證移動(dòng)支架在激光打標(biāo)機(jī)使用過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

Abstract： In order to avoided the problem of repeated manufacturing of physical prototype due to design defects， this article introduced how to using the virtual prototype technology to simulate the working state of automation equipment and carry out structural analysis. Firstly， carried out the static finite element analysis of the key component of the automatic laser marking machine’s manipulator mobile bracket by using solid works software. And the structural improvement scheme was proposed in order to ensure the structural strength requirements of mobile support components. Secondly， through the modal analysis under the condition of full restraint， it also found that the natural frequency of the component was less likely to resonate with the equipment， and the part most likely to produce vibration deformation was the connecting plate. So it was necessary to improve and optimize the structure of the part to ensure the stability and reliability of the mobile bracket in the use of the laser marking machine.

關(guān)鍵詞：SolidWorks;移動(dòng)支架;靜態(tài)分析;模態(tài)分析

Key words： SolidWorks;mobile stent;static analysis;modal analysis

0? 引言

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的高速發(fā)展和應(yīng)用，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)中的模擬仿真手段，驗(yàn)證關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和產(chǎn)品性能，已成為一種較為普遍的現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法。通過構(gòu)建三維虛擬模型，采用有限元方法快速地分析機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)合理性和疲勞強(qiáng)度，分析振動(dòng)、熱響應(yīng)對整機(jī)工作性能的影響，實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而大大縮短了機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)周期和成本。激光打標(biāo)作為激光加工技術(shù)中的一種重要應(yīng)用技術(shù)，與傳統(tǒng)的噴碼技術(shù)相比，除了打標(biāo)圖案防偽性能極好外，還具有環(huán)保、打標(biāo)質(zhì)量高、速度快、成本低等顯著特點(diǎn)。項(xiàng)目組研發(fā)的全自動(dòng)封裝芯片激光打標(biāo)機(jī)，采用激光進(jìn)行集成電路的表面字符刻制，屬于一種全新的圖形字符標(biāo)識方式。

本文針對全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)中的關(guān)鍵零部件——機(jī)械手移動(dòng)支架開展研究，利用Solid Works軟件的Simulation模塊對其進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度分析，驗(yàn)證支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。為防止移動(dòng)支架在芯片輸送過程中產(chǎn)生振動(dòng)，對該支架進(jìn)行有限元模態(tài)分析，找出其共振頻率并在設(shè)計(jì)中有效避免該頻率的出現(xiàn)，保證移動(dòng)支架工作過程中的穩(wěn)定性。

1? 移動(dòng)支架靜應(yīng)力分析

在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法中，為縮短機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)周期，通常使用仿真軟件對所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的關(guān)鍵零部件或機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真、有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，在完成一系列模擬真實(shí)環(huán)境的計(jì)算后，制造物理樣機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品的最終驗(yàn)證。全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)中的移動(dòng)支架，屬于物料抓取機(jī)構(gòu)中固定橫梁和物料抓取機(jī)械手的連接部件，該部件機(jī)械使用性能的好壞對于物料抓取機(jī)構(gòu)乃至激光打標(biāo)機(jī)整機(jī)運(yùn)行的可靠性舉足輕重的作用。為便于項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對于該款全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)整機(jī)虛擬樣機(jī)的研究，本次研究通過使用Solid Works軟件的Simulation模塊，對移動(dòng)支架部件進(jìn)行靜應(yīng)力計(jì)算，分析設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)移動(dòng)支架的靜強(qiáng)度和可靠性是否滿足設(shè)計(jì)與工作要求。

在Solid Works軟件中進(jìn)行全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)移動(dòng)支架的靜態(tài)應(yīng)力分析，首先，進(jìn)入軟件的辦公室產(chǎn)品界面選擇“Simulation”菜單，在算例顧問的下拉菜單中選擇“新建”，類型選擇靜態(tài)，建立移動(dòng)支架的靜態(tài)分析算例;其次，對移動(dòng)支架的有限元計(jì)算參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，具體過程如下：

①定義材料屬性，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇移動(dòng)支架材料為AISI1020鋼，設(shè)置材料屬性：密度ρ=7900kg/m3，彈性模量E=200GPa，泊松比μ=0.29，屈服強(qiáng)度為？滓s=352MPa。

②設(shè)置約束條件，根據(jù)全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)運(yùn)行時(shí)物料抓取機(jī)構(gòu)的工作過程，為移動(dòng)支架的添加約束，安裝物料抓取機(jī)械手的移動(dòng)支架工作時(shí)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)沿固定橫梁的直線導(dǎo)軌作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，其底部通過滾輪與固定橫梁導(dǎo)軌接觸，因此設(shè)定移動(dòng)支架的直線導(dǎo)軌位置為約束處。

③施加載荷，根據(jù)物料抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)和動(dòng)作情況，給移動(dòng)支架施加載荷。已知驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的扭矩為28.56N·m，固定橫梁對移動(dòng)支架滾輪的作用力大小為75N，安裝在移動(dòng)支架上的物料抓取機(jī)械手所產(chǎn)生的重力為367N。

④網(wǎng)格劃分，移動(dòng)支架的網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格形式，允許網(wǎng)格自由過渡，劃分網(wǎng)格后有限元模型的單元數(shù)為58393個(gè)，自由度數(shù)為282879個(gè)，節(jié)數(shù)為95327個(gè)。網(wǎng)格劃分后的移動(dòng)支架有限元模型如圖1所示。

在完成以上四個(gè)有限元參數(shù)設(shè)置步驟以后，實(shí)現(xiàn)了對移動(dòng)支架的有限元模型構(gòu)建，接下來點(diǎn)擊“運(yùn)行”圖標(biāo)，對其進(jìn)行有限元靜態(tài)應(yīng)力計(jì)算，得到移動(dòng)支架的應(yīng)力、位移和應(yīng)變圖，具體如圖2-圖4所示。

由圖2顯示的結(jié)果可以看出，移動(dòng)支架在正常工作載荷作用下，其最大應(yīng)力發(fā)生在移動(dòng)支架的連接板中部，其值為60.84MPa，遠(yuǎn)小于移動(dòng)支架材料的屈服極限352MPa，設(shè)計(jì)的移動(dòng)支架結(jié)構(gòu)從材料強(qiáng)度的角度考慮，完全能夠滿足工作要求;通過圖3可知，移動(dòng)支架在工作載荷作用下產(chǎn)生的最大位移量為0.006948mm，且主要發(fā)生在移動(dòng)支架上安裝機(jī)械手的連接平臺末端，考慮到位移量較小且?guī)缀蹩梢院雎?，無需對該處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何強(qiáng)化措施增加強(qiáng)度;由圖4可知移動(dòng)支架的最大應(yīng)變發(fā)生在連接板中部，與圖2所示的最大應(yīng)力位置一致，有可能對機(jī)構(gòu)的運(yùn)行可靠性造成影響，其主要原因是由于該處因?yàn)樵O(shè)計(jì)了螺栓連接孔，降低了零件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可通過加大L型連接板的高度尺寸實(shí)現(xiàn)雙板連接，提高機(jī)構(gòu)連接的強(qiáng)度來進(jìn)行優(yōu)化。

2? 移動(dòng)支架模態(tài)分析

本次模態(tài)分析主要研究移動(dòng)支架在設(shè)備正常工作情況下產(chǎn)生共振的頻率和狀態(tài)，相較于靜態(tài)分析而言，其有限元參數(shù)設(shè)置中如單元類型、材料屬性、網(wǎng)格劃分與靜態(tài)分析時(shí)一致。而載荷則應(yīng)系統(tǒng)分析計(jì)算的原因去除，考慮到底部滾輪無法施加接觸載荷，將此處改為約束，故本次有限元計(jì)算固定約束施加在移動(dòng)支架的直線導(dǎo)軌槽和底部滾輪表面。對激光打標(biāo)機(jī)的移動(dòng)支架按照工作狀態(tài)約束后，點(diǎn)擊“運(yùn)行”圖標(biāo)進(jìn)行有限元模態(tài)分析計(jì)算，得到了如表1所示移動(dòng)支架的前5階的固有頻率，以及圖5所示的移動(dòng)支架前5階振型圖。

由表1可知，移動(dòng)支架在工作狀態(tài)下發(fā)生共振的可能性較小，原因在于激光打標(biāo)機(jī)作為一種自動(dòng)化設(shè)備，其主要振動(dòng)頻率來源于步進(jìn)電機(jī)工作所產(chǎn)生的共振頻率。而通過分析可知，導(dǎo)致移動(dòng)支架的固有頻率遠(yuǎn)高于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的工作頻率，能夠有效避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，作為激光打標(biāo)機(jī)中物料抓取機(jī)構(gòu)的核心部件，具有較高的可靠性、穩(wěn)定性和使用壽命。

由圖5中的前5階振型可以看出，移動(dòng)支架在設(shè)備正常工作狀態(tài)下最容易發(fā)生共振變形的部位是連接平臺，該位置是整個(gè)部件的薄弱環(huán)節(jié)，也是連接抓取機(jī)械手的重要零件，機(jī)械手動(dòng)作過程中產(chǎn)生的載荷全部作用于該零件，因此有必要對該零件的支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，或增加加強(qiáng)肋以提高其支承強(qiáng)度。a）圖所示的第1階振型變形發(fā)生在連接平板的末端，除了沿Y軸向的延伸外，在與加強(qiáng)肋的接合處還產(chǎn)生了微量的彎曲變形;b）圖所示的第2階振型的變形主要是連接平板末端沿Y軸向的延伸;c）圖中的第3階振型主要是連接平板中部的彎曲變形;第4、5階振型的變形則是連接平板繞Y軸的扭轉(zhuǎn)，在這兩個(gè)固有頻率作用下連接平板發(fā)生了嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)，考慮到連接平板在物料抓取機(jī)構(gòu)中的作用，有必要對連接平板零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，但作為固定橫梁與抓取機(jī)械手的連接零件，該零件結(jié)構(gòu)的變化可能引起后續(xù)零件結(jié)構(gòu)的改變，為簡化設(shè)計(jì)流程可通過延長加強(qiáng)肋的尺寸，達(dá)到強(qiáng)化連接平臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的目的，或可針對連接平臺零件，單獨(dú)進(jìn)行進(jìn)一步的分析研究。

3? 結(jié)語

本文通過使用SolidWorks軟件的有限元分析功能，對全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)的移動(dòng)支架進(jìn)行了靜態(tài)應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)支架中連接平板的末端結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱，采用雙板連接的方式改進(jìn)部件結(jié)構(gòu)達(dá)到提高部件強(qiáng)度的作用。對移動(dòng)支架進(jìn)行約束狀態(tài)下的模態(tài)分析，研究其前5階振型，與前述研究結(jié)果類似，發(fā)現(xiàn)支架部件中連接平板最易發(fā)生共振變形，原因在平板連接的支承強(qiáng)度不足，可通過在雙板連接基礎(chǔ)上延長加強(qiáng)肋的尺寸，以此提高移動(dòng)支架部件的強(qiáng)度，減少共振產(chǎn)生的概率，提升設(shè)備的綜合性能，也為移動(dòng)支架后續(xù)開展動(dòng)力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

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