基于SolidWorks Simulation的潔凈機械手機身振動特性分析

摘 要：利用SolidWorks和SolidWorks Simulation軟件對潔凈機械手進行三維實體建模與動態(tài)特性分析。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改變了潔凈機械手的低階固有頻率，避免了共振的產(chǎn)生。通過改變潔凈機械手的振型，提高了潔凈機械手取放工件的搬運精度，為結(jié)構(gòu)的改進提供了可靠的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：潔凈 機械手 模態(tài)

中圖分類號：TQ051文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）04（b）-0250-02

半導(dǎo)體制造行業(yè)在我國的迅速發(fā)展，設(shè)備的自動化程度也越來越高?，F(xiàn)代化的設(shè)備常常配置有潔凈機械手，以提高生產(chǎn)效率。潔凈機械手是為半導(dǎo)體生產(chǎn)自動化專門配備的機械手，它可以在保證產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動條件、降低生產(chǎn)成本、增強企業(yè)的競爭力等方面起到及其重要的作用。

在實際工作過程中，潔凈機械手在低頻率下會產(chǎn)生劇烈的振動，影響潔凈機械手的工作可靠性，容易產(chǎn)生因潔凈機械手的誤操作而使被取工件報廢等事故。因此，降低潔凈機械手的低頻振動，對提高生產(chǎn)效率和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量有著極其重要的作用。本文在分析某潔凈機械手取放工件特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合其本身的結(jié)構(gòu)特點，優(yōu)化其動力特性，以期提高取放工件的定位精度。

鑒于潔凈機械手的取放工件定位精度與機身振動特性在實際產(chǎn)品開發(fā)中的重要作用，很多單位和學(xué)者對其展開了研究。謝志江[1] 通過對搬運機械手進行三維實體建模與動靜態(tài)特性分析和優(yōu)化，提高了機械手的低階固有頻率，避免了共振的產(chǎn)生，此方法缺乏對實踐工藝的分析。李志剛[2]通過對機械手進行模態(tài)、諧響應(yīng)等分析，并針對實際工況分析瞬態(tài)動力學(xué)特性，其方法復(fù)雜，不便于產(chǎn)品開發(fā)實踐。在潔凈機械手的產(chǎn)品開發(fā)中，由于受外形尺寸、潔凈度要求、剛度要求、元器件尺寸等因素的限制，產(chǎn)品設(shè)計難度大，所以需要一種適合于潔凈機械手機身振動特性分析方法，提高其取放工件的定位精度。本文以機械振動學(xué)為理論基礎(chǔ)，基于SolidWorks Simulation軟件，建立了潔凈機械手機身模型，分析了潔凈機械手振動模態(tài)與結(jié)構(gòu)的規(guī)律，為潔凈機械手振動控制建立了理論依據(jù)。

1 機械振動學(xué)理論基礎(chǔ)及軟件介紹

1.1 機械振動學(xué)理論基礎(chǔ)

每種結(jié)構(gòu)都有它固有的振動頻率，稱之為共振頻率。這樣的頻率都和特定形式的振動聯(lián)系在一起。當(dāng)某一結(jié)構(gòu)的共振頻率被激活時，將表現(xiàn)出一種振動的形態(tài)，稱之為振動模SolidWorks Simulation[3]與 SolidWorks完全集成的設(shè)計分析系統(tǒng)。SolidWorks Simulation提供了應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析等解決方案。所涉及的內(nèi)容有線性靜態(tài)、頻率、動態(tài)等分析。該軟件采用了有限元方法（FEM）。FEM是一種用于分析工程設(shè)計的數(shù)字方法。FEM由于其通用性適合使用計算機來實現(xiàn)，因此已被公認為標(biāo)準(zhǔn)的分析方法。

2 潔凈機械手機身振動特性分析

2.1 潔凈機械手機身模型

潔凈機械手是一個比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，建模時應(yīng)盡量簡化模型的規(guī)模，如管線、螺釘、倒角等對分析影響不大的部件或特征都可被忽略掉[4-5]。潔凈機械手主要由手臂、手指、手指左末端和手指右末端組成。在SolidWorks軟件中建立模型，簡化模型如圖1所示。材料選用6061鋁合金，其彈性模量E=69 GPa，泊松比μ=0.33，密度ρ=2700 kg/m3。實體轉(zhuǎn)化為有限元模型后，采用網(wǎng)格自由劃分，共含有54546個節(jié)點和29689個單元（如圖1）。

2.2 潔凈機械手模態(tài)分析

對產(chǎn)品進行模態(tài)分析，是產(chǎn)品新研制中不可缺少的重要步驟[6]。通過對潔凈機械手進行前5階的模態(tài)分析，獲得前5階固有頻率及振型，如表1所示。潔凈機械手第4階振型圖，如圖2所示。

固有頻率和振型是機械結(jié)構(gòu)的固有特征，而低階固有頻率，尤其是前5階固有頻率決定了結(jié)構(gòu)的剛度。因此，固有頻率應(yīng)盡可能地避開工作頻率，避免共振的產(chǎn)生，提高結(jié)構(gòu)的剛度[7-8]。機械手由伺服電機驅(qū)動，電機直接安裝在轉(zhuǎn)軸上，因此，當(dāng)電機高速運轉(zhuǎn)時，對機械手的激勵作用是不可忽視的. 設(shè)為激振頻率；為電機轉(zhuǎn)；為上下浮動誤差，電機的激振頻率可由下式求得：

（3）

由模態(tài)分析可知，機械手的第4階固有頻率為161.49 Hz，接近電機的激振頻率，會發(fā)生共振。參考圖2，導(dǎo)致潔凈機械手抓取物體時手指左末端局部和手指右末端局部，不能同時吸附上側(cè)工件，導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確，嚴重影響了定位精度。因此，有必要對該結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，改變其低階固有頻率以避免工作時產(chǎn)生共振。

2.3 潔凈機械手優(yōu)化設(shè)計及分析

通過對潔凈機械手結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，改變其振動特性，再次對潔凈機械手進行模態(tài)分析，獲得前5階固有頻率及振型，如表2所示。潔凈機械手第4階振型圖，如圖3所示。

由結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模態(tài)分析可知，機械手的第4階固有頻率為143.38 Hz ，遠離電機的激振頻率，不會發(fā)生共振，參考圖3，潔凈機械手抓取物體時手指右末端局部振動，當(dāng)振動到上側(cè)時，可以和左側(cè)手指同時吸附上側(cè)工件，達到定位準(zhǔn)確的目的。

3 結(jié)語

應(yīng)用SolidWorks的Simulation功能，對潔凈機械手進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，通過潔凈機械手的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改變其低階固有頻率和振型，從而提高了潔凈機械手取放工件的搬運精度，為潔凈機械手的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了一種高效、可行的方法。

參考文獻

[1]謝志江.基于ANSYS Workbench的搬運機械手結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機械與電子，2010（1）：65-67.

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