周琦 張惜君

摘要：針對全自動激光去溢料機中的固定架零件進行結構設計與三維造型，并以此為對象利用Solidworks軟件的仿真模塊，對該零件分別進行自由和約束狀態(tài)下的模態(tài)分析，研究其前5階固有頻率和振型圖，較為準確地預測固定架零件的變形情況，發(fā)現其結構設計缺陷并加以改進，以此保證了零件設計的合理性，避免了復雜的理論分析與計算過程，也為進一步開展零件優(yōu)化設計和激光提升去溢料機整機工作性能提供了理論依據。

Abstract： In this paper the structure design and three-dimensional modeling of the fixing frame parts in the automatic laser overflow removing machine were carried out. And for this reason by using the simulation module of SolidWorks software， the modal analysis of the part under free and constrained States were also carried out. By studying the first five natural frequencies and mode shapes， the deformation of the fixed frame parts can be predicted accurately， and the structural design defects can be found and improved， so as to ensure the rationality of the part design and avoid the complicated theoretical analysis and calculation process. It also provided a theoretical basis for the further optimization design of the parts and the laser enhanced performance of the whole machine.

關鍵詞：Solidworks;激光去溢料機;固定架;模態(tài)分析

Key words： SolidWorks;laser de overflow machine;fixed rack;modal analysis

中圖分類號：TN249? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0026-03

0? 引言

隨著計算機仿真技術在現代機械產品設計中的高度應用，采用有限元分析和仿真的方法，對其中關鍵零部件的結構和運動準確性進行驗證，可以較好地縮短產品研發(fā)周期，目前已成為一種較為普遍的現代機械產品設計手段。使用三維軟件完成零部件的結構造型設計，在此基礎上模擬零部件在設備運行中的運動和受力情況，分析零部件結構設計中可能存在的問題或缺陷，以及在確保設備穩(wěn)定性和可靠性的前提下開展優(yōu)化設計，有助于提升設計方案的準確性，縮短設備的研發(fā)周期和成本。

激光切割作為激光加工技術中的一種重要應用技術，運用于集成電路芯片封裝生產中的管腳溢料去除，相較于傳統的模具沖裁和高壓水噴淋技術，具有溢料去除率高、去除工藝簡單和去溢料后芯片品質好等顯著特點。項目組研發(fā)的全自動激光去溢料機，針對集成電路發(fā)展的小型化、多排和超薄等特點，采用激光切割技術實現芯片管腳溢料的完全快速切割，使得芯片管腳的零溢料成為可能，大大提高了產品品質和生產效率。

1? 零件的三維造型設計

考慮到物料抓取機械手的使用性能及產品的經濟性要求，在設計機械手中的固定架時，盡可能采用對稱結構以簡化機械手的零部件組成。因此，根據去溢料芯片的形狀特點和抓取過程以及機械爪快速移動對重量的要求，設計零件中間的兩對孔為該零件在機械手中的定位、固定孔，其兩側為移動絲杠螺母的安裝孔，用以保證機械爪的松緊。下端則開槽以減輕自重。在使用Solidworks軟件進行固定架的三維造型時，只需簡單的拉伸、切除操作即可完成，設計完成的固定架零件結構如圖1所示。

2? 自由狀態(tài)下模態(tài)分析

固定架零件自由狀態(tài)下的模態(tài)分析，主要是為了驗證零件安裝在設備中后處于靜態(tài)時的自由振動變形，并以此作為研究去溢料機工作時固定架零件振動變形的參考。依照有限元模態(tài)分析的一般流程，選擇固定架零件的材料為AISI1020鋼，進行網絡劃分后得到的零件單元數為79587，自由度數為354651，節(jié)點數為118217。通過Simulation的有限元計算功能得到固定架零件的前5階固有頻率和振型圖如表1和圖2所示。

由表1和圖2可知，固定架在自由狀態(tài)下的前3階振型為剛體，這里不作研究。當去溢料機的工作頻率接近表中的第4、5階頻率時，固定架可能發(fā)生共振破壞，其主要形式分別是寬度方向和長度方向的延伸，該兩處變形均會改變物料抓取機構的工作狀態(tài)和精度，需要避免。其中對于第5階振型的長度延伸變形，可通過縮短下端面凹槽長度尺寸來提升固定架兩端的強度和剛度，避免共振現象的產生。

3? 約束狀態(tài)下模態(tài)分析

前述固定架在自由狀態(tài)下的模態(tài)分析發(fā)現，固定架零件在去溢料機空置狀態(tài)下發(fā)生振動的可能性幾乎為零，僅需縮短下側凹槽尺寸以保證其強度，零件結構設計合理，針對工作狀態(tài)下的固定架零件，需施加合適的約束進一步分析其振動變形情況。根據固定架零件在機械手工作時的狀態(tài)與需求，在其兩側的固定孔施加約束，再次對其進行模態(tài)分析，得到表2所示的前5階固有頻率，以及圖3所示的振型圖。

由表2和圖3，固定架在物料抓取機構工作過程中產生振動破壞的頻率均在2300Hz以上，需要注意設備工作中綜合振動頻率對零件的影響。固定架的第1階振型產生的變形主要是零件中間彎曲而導致的兩端翹起，產生該現象的主要原因在于上下側凹槽尺寸過大而導致零件中間位置的強度降低;第2階振型與前述一致，為防止這兩種變形的產生，在不改變上端凹槽尺寸的前提下可通過縮短下側凹槽的長度尺寸，使上下兩側凹槽的尖角距離變遠，以提升零件的強度和剛度。第3階段振型則主要是零件兩端的彎曲，該階變形量較小，對零件的影響不大;第4、5階振型則導致了固定架中間兩側的嚴重彎曲，該變形導致零件在機構過程中失效，必須避免該2階固有頻率的發(fā)生。

4? 結語

根據物料抓取機械手在激光去溢料機中的作用及動作，完成其固定架零件的結構設計與三維造型。為了保證機械手抓取集成芯片的準確性和穩(wěn)定性，對該固定架零件分別進行了自由和約束狀態(tài)下的模態(tài)分析，發(fā)現該零件在工作過程中有可能發(fā)生的振動變形及共振頻率，發(fā)現縮短底側凹槽尺寸提高零件的結構強度，可有效避免該共振變形的發(fā)生。

通過對設計的零件進行自由和約束狀態(tài)下的模態(tài)分析，能夠從振動變形的角度有效地發(fā)現零件結構設計缺陷，以及提高零件設計的準確性和設備的整機工作性能。該方法同樣適用于激光去溢料機中其他關鍵零部件的設計與合理性驗證，也為全自動激光去溢料機的進一步動力學分析和零件優(yōu)化設計奠定了一定的基礎。

參考文獻：

[1]周盼，文少波，趙振東，等.某輕型車半軸的自由模態(tài)分析[J].汽車實用技術，2020（07）：173-176.

[2]李利，楊林彬，張德偉，等.新型橡膠破碎機關鍵部件有限元分析[J].橡膠工藝，2019（05）：376-381.

[3]劉國強，陳維義，陳華東，等.艦炮身管的模態(tài)分析與多目標優(yōu)化[J].國防科技大學學報，2020（04）：149-155.

[4]劉曉.基于ANSYS的采煤機截割部扭矩軸有限元分析[J].煤礦機械，2020（04）：177-180.

[5]董威，鄒廣德，夏志成，等.電動汽車驅動橋橋殼有限元分析[J].山東理工大學學報，2020（07）：44-50.