周 琦， 孫 移

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系， 江蘇 江陰 214405）

引言

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用，采用有限元分析和仿真的方法，對(duì)其中關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，可以較好地縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，目前已成為一種較為普遍的現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段。使用三維軟件完成零部件的結(jié)構(gòu)造型設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上模擬零部件在設(shè)備運(yùn)行中的運(yùn)動(dòng)和受力情況，分析零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可能存在的問題或缺陷，以及在確保設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性的前提下開展疲勞強(qiáng)度和模態(tài)分析，有助于提升設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性，縮短設(shè)備的研發(fā)周期和成本。

激光切割作為激光加工技術(shù)中的一種重要應(yīng)用技術(shù)，運(yùn)用于集成電路芯片封裝生產(chǎn)中的管腳溢料去除，相較于傳統(tǒng)的模具沖裁和高壓水噴淋技術(shù)，具有溢料去除率高、去除工藝簡單和去溢料后芯片品質(zhì)好等顯著特點(diǎn)。項(xiàng)目組研發(fā)的全自動(dòng)激光去溢料機(jī)，針對(duì)集成電路發(fā)展的小型化、多排和超薄等特點(diǎn)，采用激光切割技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率。

1 零件的三維造型設(shè)計(jì)

考慮到物料抓取機(jī)械手的使用性能及產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性要求，在設(shè)計(jì)機(jī)械手中的固定架時(shí)，盡可能采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)以簡化機(jī)械手的零部件組成。因此，根據(jù)去溢料芯片的形狀特點(diǎn)和抓取過程以及機(jī)械爪快速移動(dòng)對(duì)重量的要求，設(shè)計(jì)零件中間的兩對(duì)孔為該零件在機(jī)械手中的定位、固定孔，其兩側(cè)為移動(dòng)絲杠螺母的安裝孔，用以保證機(jī)械爪的松緊。下端則開槽以減輕自重。在使用Solidworks 軟件進(jìn)行固定架的三維造型時(shí)，只需簡單的拉伸、切除操作即可完成，設(shè)計(jì)完成的固定架零件結(jié)構(gòu)如圖1 所示[1]。

圖1 固定架三維模型

2 固定架靜力分析

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中對(duì)所設(shè)計(jì)的零部件采用虛擬樣機(jī)技術(shù)改進(jìn)其結(jié)構(gòu)布局，不僅可以保證物理樣機(jī)驗(yàn)證中的準(zhǔn)確性，而且縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本。針對(duì)設(shè)計(jì)的固定架零件開展有限元分析，能夠提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率，具體過程如下：

1）材料屬性：選擇固定架零件的材料為AISI1020 鋼，其密度 ρ＝7 900 kg/m3，彈性模量E=200 GPa，泊松比 μ=0.29，屈服強(qiáng)度 σs=352 MPa。

2）約束條件：固定架在物料抓取機(jī)械手中的作用是保證機(jī)械爪在抓取集成電路板時(shí)，有一個(gè)可靠的固定與支撐，設(shè)定固定架上與絲杠螺母連接的孔為約束位置。

3）施加載荷：固定架的運(yùn)動(dòng)比較簡單，即在絲杠螺母的帶動(dòng)下作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此作用力主要是由絲杠螺母產(chǎn)生的推力，設(shè)定其為210 N。

4）劃分網(wǎng)格：設(shè)定采用自由網(wǎng)格劃分形式，且允許網(wǎng)格自由過度，劃分后的模型單元數(shù)為65 232 個(gè)，自由度數(shù)為291 792，節(jié)點(diǎn)數(shù)為97 408。

通過以上四個(gè)步驟即可完成固定架零件的有限元模型構(gòu)建，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行零件的靜應(yīng)力分析計(jì)算，得到如下頁圖2 所示的應(yīng)力、位移和應(yīng)變圖[2-3]。

由下頁圖2-1 所示的應(yīng)力圖可知，固定架在靜載荷作用下所產(chǎn)生的最大應(yīng)力發(fā)生在其約束位置和中間凹槽兩端過渡位置，最大值為94.34 Pa；在圖2-1 中可以看出，中間凹槽的過渡位置發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象的主要原因在于該處位置的直角和厚度過渡不均勻，對(duì)于此處的應(yīng)力集中可通過增設(shè)圓角半徑來降低最大應(yīng)力值。圖2-2 所示的固定架位移圖中，位移最大值發(fā)生的位置為固定架的兩端，其值為4.695×10-8mm，其次為固定架兩側(cè)約束的中間，其值為1.956×10-8mm，從圖示看出固定架的位移變形較大，但根據(jù)數(shù)值顯示對(duì)比激光去溢料機(jī)的工作精度，靜載荷作用下應(yīng)力產(chǎn)生的位移可以忽略不計(jì)。圖2-3 所示的固定架應(yīng)變圖中，固定架的最大應(yīng)變也發(fā)生在約束位置，以及上下兩面凹槽底面，最大值為 2.098×10-10。

圖2 固定架應(yīng)力、位移和應(yīng)變圖

綜合上述分析，固定架在靜載荷作用下最易發(fā)生破壞的是兩端的約束孔，可通過改變固定架在物料抓取機(jī)構(gòu)中的連接方式，如將孔擴(kuò)大增加直線軸承等，其次是固定架上下兩面凹槽及其拐角位置，該處可通過增設(shè)過渡圓角，縮短上下端面凹槽的尺寸等方式，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3 固定架模態(tài)分析

針對(duì)固定架零件的模態(tài)分析，主要是驗(yàn)證零件在物料抓取機(jī)械手進(jìn)行集成電路芯片搬運(yùn)過程中，因機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的振動(dòng)頻率對(duì)零件的影響情況。在SolidWorks 軟件的simulation 插件中新建模態(tài)分析算例，根據(jù)固定架零件在機(jī)械手工作時(shí)的狀態(tài)與需求，在其兩側(cè)的固定孔施加約束，再次對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算，得到表2 所示的前5 階固有頻率，以及圖3 所示的振型圖[4-5]。

由表2 和圖3，固定架在物料抓取機(jī)構(gòu)工作過程中產(chǎn)生振動(dòng)破壞的頻率均在2 300 Hz 以上，需要注意設(shè)備工作中綜合振動(dòng)頻率對(duì)零件的影響。固定架的第1 階振型產(chǎn)生的變形主要是零件中間彎曲而導(dǎo)致的兩端翹起，產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因在于上下側(cè)凹槽尺寸過大而導(dǎo)致零件中間位置的強(qiáng)度降低；第2 階振型與前述一致，為防止這兩種變形的產(chǎn)生，在不改變上端凹槽尺寸的前提下可通過縮短下側(cè)凹槽的長度尺寸，使上下兩側(cè)凹槽的尖角距離變遠(yuǎn)，以提升零件的強(qiáng)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(duì)零件的影響不大；第4、5 階振型則導(dǎo)致了固定架中間兩側(cè)的嚴(yán)重彎曲，該變形導(dǎo)致零件在機(jī)構(gòu)過程中失效，必須避免該2 階固有頻率的發(fā)生。

表2 1-5 階固有頻率及振型

圖3 約束狀態(tài)下1-5 階振型

4 結(jié)論

1）針對(duì)激光去溢料機(jī)中的固定架零件開展了結(jié)構(gòu)有限元分析，得到了其靜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變值，發(fā)現(xiàn)零件應(yīng)力最大值可能發(fā)生的位置，并捉到相應(yīng)二成應(yīng)力集中的改進(jìn)措施，通過模態(tài)分析，預(yù)測(cè)零件發(fā)生振動(dòng)破壞的趨勢(shì)及程度，同時(shí)發(fā)現(xiàn)零件發(fā)生振動(dòng)破壞的頻率達(dá)到正常頻率，該零件在溢料機(jī)工作時(shí)發(fā)生振動(dòng)破壞的可能性較小。

2）針對(duì)激光去溢料機(jī)中關(guān)鍵零件的有限元分析與優(yōu)化，為后續(xù)整機(jī)虛擬樣機(jī)的研究提供了有效的理論參考，該方法不僅提高了機(jī)械零件設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性，而且同樣適用于設(shè)備中其他零件的設(shè)計(jì)分析。