基于Solid Works Simulation的切割機(jī)工作臺(tái)有限元分析

1、山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 李超 2、北京清大天達(dá)光電科技有限公司 陳煥軍

1 工作臺(tái)簡述

1.1 工作臺(tái)結(jié)構(gòu)簡述

本文所述切割機(jī)是液晶顯示屏生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，其功能是將完整的玻璃基板利用刀具或者激光分割成單個(gè)的液晶小屏，以備后道工序的加工[1]。

工作臺(tái)是切割機(jī)一系列切割動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)，也是設(shè)備切割效果良好的重要保障。

圖1 工作臺(tái)示意圖

圖1 為切割機(jī)工作臺(tái)示意圖。其主要由金屬面板和若干個(gè)支撐桿構(gòu)成，玻璃定位采用擋銷方式，氣缸控制其升降與水平移動(dòng)行程。工作臺(tái)底部由支撐螺桿固定于機(jī)架上，可通過調(diào)節(jié)支撐螺桿高低來控制工作臺(tái)的平面度。當(dāng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，工作臺(tái)必須保證平面度基本不變以及變形量不能超過工藝要求所規(guī)定的最大值[2]。

平面度及變形量兩個(gè)指標(biāo)的大小主要取決于支撐桿的個(gè)數(shù)和分布情況。本文設(shè)計(jì)的支撐桿數(shù)量為36個(gè)，為檢驗(yàn)其是否符合工藝要求，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行有限元分析。

1.2 工作臺(tái)參數(shù)

本設(shè)備所用的工作臺(tái)材料為合金碳鋼材料，表面進(jìn)行硬質(zhì)陽極氧化處理，再噴特氟龍0.1mm；表面硬度≥50HRC；平面精度要求小于等于0.1mm；工作臺(tái)重量為600kg。其主要參數(shù)指數(shù)如表1所示。

表1 工作臺(tái)主要參數(shù)

2 Simulation工作臺(tái)分析

2.1 工作臺(tái)三維建模

由于SolidWorks Simulation有限元分析模塊與SolidWorks是無縫對(duì)接的，因此在不出CAD環(huán)境下，即可對(duì)所建模型進(jìn)行相關(guān)分析，故本文的切割機(jī)工作臺(tái)即由三維制圖軟件SolidWorks完成實(shí)體模型的建立，所得工作臺(tái)的三維模型如圖2所示。

圖2 工作臺(tái)模型

2.2 約束加載及網(wǎng)格的劃分

對(duì)工作臺(tái)及其支撐結(jié)構(gòu)的建模完成以后，對(duì)工作臺(tái)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束并劃分網(wǎng)格（如圖3所示），使其轉(zhuǎn)為有限元模型。在工作臺(tái)實(shí)際配合中，支撐桿底部有螺紋直接擰在切割機(jī)的機(jī)架上，所以對(duì)于工作臺(tái)結(jié)構(gòu)的約束應(yīng)該是將底部所有的支撐桿側(cè)面進(jìn)行固定；對(duì)于工作臺(tái)的載荷主要來自自重（600kg），在切割過程中的切割壓力完全可以忽略不計(jì)，如圖4所示。

圖3 工作臺(tái)有限元網(wǎng)格

圖4 工作臺(tái)自由度約束

當(dāng)建模、材料匹配、網(wǎng)格分化、約束附加及平面載荷均已完成后，就可以對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行在上述條件下的求解[3]。

3 Simulation工作臺(tái)結(jié)果分析

該工作臺(tái)能否滿足工藝要求，主要參考仿真結(jié)果的三個(gè)值，應(yīng)變量、應(yīng)力位移、應(yīng)力分布[4]。

圖5 工作臺(tái)應(yīng)變量

圖 6 工作臺(tái)靜態(tài)位移圖

工作臺(tái)應(yīng)變量的分布圖如圖5所示。由圖可見，最大應(yīng)變集中在工作臺(tái)豎直方向每行支撐桿的中間部位，且最大應(yīng)變量DMX1=1.86×10-6mm，由此可以看出工作臺(tái)靜態(tài)應(yīng)變量對(duì)于整個(gè)平面度的影響很小，可以忽略不計(jì)。

工作臺(tái)靜態(tài)位移量如圖6所示。由圖6可得，最大靜態(tài)位移同樣出現(xiàn)在工作臺(tái)豎直方向每行支撐桿的中間部位，且最大靜態(tài)位移量DMX2=0.002mm，由以上兩圖可得，本臺(tái)設(shè)備的工作臺(tái)理論總變形量為 DMX=DMX1+DMX2≈DMX2=0.002mm，遠(yuǎn)小于設(shè)備工作臺(tái)的精度要求0.02mm/300mm。

工作臺(tái)應(yīng)力分布如圖7所示。

圖7 工作臺(tái)應(yīng)力分布圖

由圖7可以看出工作臺(tái)應(yīng)力的分布較為均勻，最大應(yīng)力集中在每個(gè)支撐桿對(duì)應(yīng)的工作臺(tái)面上，且最大應(yīng)力為 NMX=5.04×105N/m2，根據(jù)工作臺(tái)材料分析可得其許用應(yīng)力為[σ]=4.7×108N/m2。 由此可得，工作臺(tái)理論分析最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力，完全可以裝配使用。

4 總結(jié)

經(jīng)過對(duì)工作臺(tái)的有限元分析，本文所設(shè)計(jì)的工作臺(tái)完全符合工藝要求，可以放心使用。

[1]范志新.液晶器件工藝基礎(chǔ)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社,2000.

[2]李亞利,張方輝.TFT-LCD切割裂片工藝參數(shù)探討［J］.液晶與顯示,2006,21(1):43-47.

[3]何慶中,王明超,趙獻(xiàn)丹.基于Solidworks Simulation碼垛機(jī)械手末端執(zhí)行器導(dǎo)桿靜力學(xué)分析[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2011,01:41-44.

[4]陳永當(dāng),鮑志強(qiáng),任慧娟等.基于SolidWorks Simulation的產(chǎn)品設(shè)計(jì)有限元分析 [J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展.2012,09:29-34.