基于SolidWorks的激光打標機關鍵機構有限元仿真

周琦 王舒暢 葉章毅

摘要：通過采用虛擬樣機技術，模擬自動化設備的工作狀態(tài)而進行結構分析，避免物理樣機因設計缺陷而重復制造的問題。使用Solid Works軟件對全自動激光打標機的關鍵部件機械手移動支架進行有限元靜態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)部件結構設計中的強度薄弱環(huán)節(jié)，針對性地提出了結構改進方案，保證移動支架部件的結構強度要求。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備產(chǎn)生共振的可能性較小，最易產(chǎn)生振動變形的零件是連接平板，有必要對該零件進行結構改進與優(yōu)化，以保證移動支架在激光打標機使用過程中的穩(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.

關鍵詞：SolidWorks;移動支架;靜態(tài)分析;模態(tài)分析

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

0? 引言

隨著計算機仿真技術的高速發(fā)展和應用，采用虛擬樣機技術中的模擬仿真手段，驗證關鍵零部件結構設計的合理性和產(chǎn)品性能，已成為一種較為普遍的現(xiàn)代機械設計方法。通過構建三維虛擬模型，采用有限元方法快速地分析機械零部件的結構合理性和疲勞強度，分析振動、熱響應對整機工作性能的影響，實現(xiàn)機械產(chǎn)品的最優(yōu)化設計，從而大大縮短了機械產(chǎn)品的研發(fā)周期和成本。激光打標作為激光加工技術中的一種重要應用技術，與傳統(tǒng)的噴碼技術相比，除了打標圖案防偽性能極好外，還具有環(huán)保、打標質(zhì)量高、速度快、成本低等顯著特點。項目組研發(fā)的全自動封裝芯片激光打標機，采用激光進行集成電路的表面字符刻制，屬于一種全新的圖形字符標識方式。

本文針對全自動激光打標機中的關鍵零部件——機械手移動支架開展研究，利用Solid Works軟件的Simulation模塊對其進行靜態(tài)強度分析，驗證支架結構設計的合理性和可靠性。為防止移動支架在芯片輸送過程中產(chǎn)生振動，對該支架進行有限元模態(tài)分析，找出其共振頻率并在設計中有效避免該頻率的出現(xiàn)，保證移動支架工作過程中的穩(wěn)定性。

1? 移動支架靜應力分析

在現(xiàn)代機械設計方法中，為縮短機械產(chǎn)品的研發(fā)周期，通常使用仿真軟件對所設計產(chǎn)品的關鍵零部件或機構進行運動仿真、有限元分析和優(yōu)化設計，在完成一系列模擬真實環(huán)境的計算后，制造物理樣機進行產(chǎn)品的最終驗證。全自動激光打標機中的移動支架，屬于物料抓取機構中固定橫梁和物料抓取機械手的連接部件，該部件機械使用性能的好壞對于物料抓取機構乃至激光打標機整機運行的可靠性舉足輕重的作用。為便于項目團隊對于該款全自動激光打標機整機虛擬樣機的研究，本次研究通過使用Solid Works軟件的Simulation模塊，對移動支架部件進行靜應力計算，分析設備正常運行時移動支架的靜強度和可靠性是否滿足設計與工作要求。

在Solid Works軟件中進行全自動激光打標機移動支架的靜態(tài)應力分析，首先，進入軟件的辦公室產(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)，建立移動支架的靜態(tài)分析算例;其次，對移動支架的有限元計算參數(shù)進行設置，具體過程如下：

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

②設置約束條件，根據(jù)全自動激光打標機運行時物料抓取機構的工作過程，為移動支架的添加約束，安裝物料抓取機械手的移動支架工作時由步進電機驅(qū)動沿固定橫梁的直線導軌作往復直線運動，其底部通過滾輪與固定橫梁導軌接觸，因此設定移動支架的直線導軌位置為約束處。

③施加載荷，根據(jù)物料抓取機構的設計計算數(shù)據(jù)和動作情況，給移動支架施加載荷。已知驅(qū)動步進電機的扭矩為28.56N·m，固定橫梁對移動支架滾輪的作用力大小為75N，安裝在移動支架上的物料抓取機械手所產(chǎn)生的重力為367N。

④網(wǎng)格劃分，移動支架的網(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，自由度數(shù)為282879個，節(jié)數(shù)為95327個。網(wǎng)格劃分后的移動支架有限元模型如圖1所示。

在完成以上四個有限元參數(shù)設置步驟以后，實現(xiàn)了對移動支架的有限元模型構建，接下來點擊“運行”圖標，對其進行有限元靜態(tài)應力計算，得到移動支架的應力、位移和應變圖，具體如圖2-圖4所示。

由圖2顯示的結果可以看出，移動支架在正常工作載荷作用下，其最大應力發(fā)生在移動支架的連接板中部，其值為60.84MPa，遠小于移動支架材料的屈服極限352MPa，設計的移動支架結構從材料強度的角度考慮，完全能夠滿足工作要求;通過圖3可知，移動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)生在移動支架上安裝機械手的連接平臺末端，考慮到位移量較小且?guī)缀蹩梢院雎?，無需對該處的結構進行任何強化措施增加強度;由圖4可知移動支架的最大應變發(fā)生在連接板中部，與圖2所示的最大應力位置一致，有可能對機構的運行可靠性造成影響，其主要原因是由于該處因為設計了螺栓連接孔，降低了零件的結構強度，可通過加大L型連接板的高度尺寸實現(xiàn)雙板連接，提高機構連接的強度來進行優(yōu)化。

2? 移動支架模態(tài)分析

本次模態(tài)分析主要研究移動支架在設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)設置中如單元類型、材料屬性、網(wǎng)格劃分與靜態(tài)分析時一致。而載荷則應系統(tǒng)分析計算的原因去除，考慮到底部滾輪無法施加接觸載荷，將此處改為約束，故本次有限元計算固定約束施加在移動支架的直線導軌槽和底部滾輪表面。對激光打標機的移動支架按照工作狀態(tài)約束后，點擊“運行”圖標進行有限元模態(tài)分析計算，得到了如表1所示移動支架的前5階的固有頻率，以及圖5所示的移動支架前5階振型圖。

由表1可知，移動支架在工作狀態(tài)下發(fā)生共振的可能性較小，原因在于激光打標機作為一種自動化設備，其主要振動頻率來源于步進電機工作所產(chǎn)生的共振頻率。而通過分析可知，導致移動支架的固有頻率遠高于步進電機運轉(zhuǎn)時的工作頻率，能夠有效避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，作為激光打標機中物料抓取機構的核心部件，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，移動支架在設備正常工作狀態(tài)下最容易發(fā)生共振變形的部位是連接平臺，該位置是整個部件的薄弱環(huán)節(jié)，也是連接抓取機械手的重要零件，機械手動作過程中產(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構進行優(yōu)化，或增加加強肋以提高其支承強度。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)，在這兩個固有頻率作用下連接平板發(fā)生了嚴重的扭轉(zhuǎn)，考慮到連接平板在物料抓取機構中的作用，有必要對連接平板零件進行優(yōu)化設計，但作為固定橫梁與抓取機械手的連接零件，該零件結構的變化可能引起后續(xù)零件結構的改變，為簡化設計流程可通過延長加強肋的尺寸，達到強化連接平臺結構強度的目的，或可針對連接平臺零件，單獨進行進一步的分析研究。

3? 結語

本文通過使用SolidWorks軟件的有限元分析功能，對全自動激光打標機的移動支架進行了靜態(tài)應力分析，發(fā)現(xiàn)支架中連接平板的末端結構強度薄弱，采用雙板連接的方式改進部件結構達到提高部件強度的作用。對移動支架進行約束狀態(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度不足，可通過在雙板連接基礎上延長加強肋的尺寸，以此提高移動支架部件的強度，減少共振產(chǎn)生的概率，提升設備的綜合性能，也為移動支架后續(xù)開展動力學分析和優(yōu)化設計奠定了理論基礎。

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