基于SolidWorks的激光打標(biāo)機(jī)支架模態(tài)分析

孫移 張嘉偉 李正燁

摘要：自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備在其運(yùn)行過(guò)程中由于自身固有頻率和工作頻率相接近而發(fā)生共振現(xiàn)象，有必要對(duì)設(shè)備中的關(guān)鍵零部件進(jìn)行模態(tài)分析，優(yōu)化改進(jìn)部件中零件的布局或結(jié)構(gòu)尺寸，由此避免共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。針對(duì)全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)中的固定支架部件，以其自由狀態(tài)下的模態(tài)分析結(jié)果為對(duì)照，進(jìn)行約束狀態(tài)下的模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)固定支架可能發(fā)生共振的頻率，以及可能發(fā)生的變形狀態(tài)，通過(guò)改進(jìn)固定支架中關(guān)鍵零件的結(jié)構(gòu)布局及連接方式，避免振動(dòng)現(xiàn)象的產(chǎn)生，以此提升設(shè)備結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、可靠性和綜合性能。

Abstract： The resonance occurs were happened when the natural frequency was close to the working frequency in the process of operation of automatic mechanical equipment. In order to avoid the resonance， it was necessary to carry out the modal analysis on key parts of the equipment， optimize and improve the layout or structural dimension of parts in the assembly. The modal analysis in the constrained state was carried out based on the results of modal analysis in the free state of the fixed bracket in the full-automatic laser marking machine. And it found that the frequency of resonance and the possible deformation state of the fixed bracket may occur. In order to improve the stability， reliability and comprehensive performance of the equipment structure， the structural layout and connection mode of the key parts in the fixed support were improved to avoid the occurrence of vibration.

關(guān)鍵詞：SolidWorks;激光打標(biāo)機(jī);固定支架;模態(tài)分析

Key words： SolidWorks;laser marking machine;fixed bracket;modal analysis

0 ?引言

激光打標(biāo)作為激光加工技術(shù)應(yīng)用中最為成熟的一種高新技術(shù)，具有加工對(duì)象廣、環(huán)境污染少、加工精度高和材料損耗小等特點(diǎn)，目前已逐漸取代傳統(tǒng)的噴碼打標(biāo)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)制成品上字符、商標(biāo)等標(biāo)識(shí)的印刷標(biāo)記。該項(xiàng)技術(shù)的推廣和使用，符合當(dāng)前我國(guó)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和節(jié)能減排的號(hào)召。因此，由該技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)結(jié)合衍生的全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)，具有廣闊的發(fā)展空間和市場(chǎng)應(yīng)用前景。自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，由于設(shè)備精度的原因，不可避免會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)頻率與設(shè)備中零部件的固有頻率一致時(shí)，即產(chǎn)生破環(huán)性的共振。對(duì)自動(dòng)化設(shè)備開(kāi)展振動(dòng)研究，找出其易產(chǎn)生共振的固有頻率，并在設(shè)計(jì)階段采取有效措施，避免設(shè)備中任何零部件因共振而產(chǎn)生破壞，能夠極大地提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

本文旨在研究全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)中物料輸送橫梁固定支架發(fā)生振動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性，保證其末端物料抓取機(jī)械手的芯片抓取精度和可靠性，避免其在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中和工作頻率發(fā)生共振，通過(guò)使用SolidWorks軟件對(duì)該支架進(jìn)行自由和約束兩種狀態(tài)下的有限元模態(tài)分析，驗(yàn)證零件及機(jī)構(gòu)布局的合理性，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

1 ?自由狀態(tài)下模態(tài)分析

在SolidWorks軟件中對(duì)全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)的固定橫梁支架進(jìn)行自由狀態(tài)下的模態(tài)分析，其有限元參數(shù)設(shè)置及計(jì)算過(guò)程如下：首先，在Simulation模塊中選擇“頻率分析”功能菜單，設(shè)定固定支架的材料為AISI2010鋼，其材料屬性如下：彈性模量E=200GPa，泊松比μ=0.29，屈服強(qiáng)度為？滓s=352MPa，密度ρ=7900kg/m3;其次，對(duì)固定支架進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，共生成451218個(gè)自由度、150406個(gè)節(jié)點(diǎn)和93927個(gè)單元，劃分網(wǎng)格后得到如圖1所示的固定支架有限元模型;最后，點(diǎn)擊“運(yùn)行”命令對(duì)固定支架進(jìn)行有限元模態(tài)分析計(jì)算。

全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)的固定支架因振動(dòng)產(chǎn)生的破壞，可通過(guò)對(duì)其固有頻率是否與設(shè)備工作頻率的分析找出問(wèn)題，其值與工作頻率越接近，固定支架產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振的可能性就越大;并通過(guò)振型圖發(fā)現(xiàn)部件因振動(dòng)而變形的趨勢(shì)。本次研究在通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)固定支架進(jìn)行有限元模態(tài)分析，得到如表1所示固定支架在自由狀態(tài)下的前5階固有頻率，以及圖2所示的前5階振型圖。

由表1可知，固定支架的前3階振型沒(méi)有發(fā)生變化，可以忽略不計(jì)。當(dāng)激光打標(biāo)機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)固定支架的固有頻率接近于表中3-5階所示的頻率時(shí)，固定支架有可能因發(fā)生共振而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，影響設(shè)備的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。振動(dòng)可能發(fā)生的位置位于支架的連接部位，可通過(guò)修改固定支架支柱與設(shè)備的連接方式，以及增加連接用固定墊片和連接螺釘數(shù)量，改變固定支架固有頻率的振動(dòng)范圍，保證其工作的可靠性、穩(wěn)定性和使用壽命。

由圖3中固定支架的4、5階振型可知，固定支架的最大變形發(fā)生在立柱及其與設(shè)備固定臺(tái)面的連接位置，原因在于該處位置為固定立柱與設(shè)備床身的接合位置，承擔(dān)整個(gè)物料抓取機(jī)構(gòu)的固定，需要進(jìn)行連接方式的改進(jìn)以增加強(qiáng)度，橫梁位置發(fā)生的振動(dòng)變形較小，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行及打標(biāo)精度幾乎沒(méi)有影響，可以忽略不計(jì)。

2 ?約束狀態(tài)下模態(tài)分析

前述對(duì)全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)固定支架在自由狀態(tài)下的模態(tài)分析，主要研究固定支架處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)自身結(jié)構(gòu)的振動(dòng)情況，與激光打標(biāo)機(jī)工作狀態(tài)時(shí)固定支架的固有頻率無(wú)關(guān)，僅可作為固定支架約束狀態(tài)下振動(dòng)研究的對(duì)比參考。因此，針對(duì)激光打標(biāo)機(jī)固定支架的工作狀態(tài)下的振動(dòng)分析，需根據(jù)固定支架在設(shè)備中的動(dòng)作情況，對(duì)其施加必要的約束后進(jìn)行模態(tài)分析。

針對(duì)固定支架自由狀態(tài)下模態(tài)分析的結(jié)果，對(duì)支架兩側(cè)的立柱及其連接方式進(jìn)行改進(jìn)，增加固定墊片以增加接觸面，提升連接的可靠性和剛性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)固定支架施加約束對(duì)其進(jìn)行約束狀態(tài)下的模態(tài)分析。其中，除了約束設(shè)置外，固定支架有限元模型構(gòu)件的參數(shù)與自由狀態(tài)下的完全一致。

根據(jù)固定支架在設(shè)備中的位置和作用，設(shè)定固定支架兩側(cè)立柱的底部為約束端，以此完成固定支架約束狀態(tài)下的有限元模型構(gòu)建，具體模型如圖3所示。

對(duì)全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)的固定支架進(jìn)行約束狀態(tài)下的有限元模態(tài)分析，得到如表2所示的前5階固有頻率和振動(dòng)狀態(tài)，其變形位置主要位于固定支架橫梁，以及如圖4所示的前5階振型圖。

由表2可知，固定支架在約束狀態(tài)下的第2階振動(dòng)頻率與設(shè)備中步進(jìn)電機(jī)的工作效率接近，設(shè)備運(yùn)行中固定支架有可能產(chǎn)生共振，導(dǎo)致支架抖動(dòng)甚至影響設(shè)備的工作精度。第4、5階振動(dòng)頻率有可能導(dǎo)致固定支架的嚴(yán)重變形，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要在于橫梁與立柱的厚度尺寸過(guò)渡不均衡，有必要對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

由圖4的前2階振型圖看出，雖然其固有頻率接近于設(shè)備的固有頻率，但該部件的變形主要在于橫梁的微量延伸與壓縮，對(duì)其上物料抓取機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)不會(huì)造成影響，無(wú)須對(duì)此進(jìn)行深入研究;第3階振型主要是橫梁下側(cè)與物料抓取機(jī)構(gòu)的滾輪接觸段的彎曲變形，但由于滾輪的主要作用是對(duì)移動(dòng)中的物料抓取機(jī)構(gòu)輔助支承作用，橫梁底部的微量彎曲不會(huì)影響物料抓取機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡的直線度，可忽略不計(jì)。第4、5階振型主要發(fā)生在橫梁上部，從振型圖中看物料抓取機(jī)構(gòu)的直線導(dǎo)軌已發(fā)生嚴(yán)重變形，若在工作過(guò)程中發(fā)生這兩種固有頻率的振動(dòng)，會(huì)直接影響物料抓取機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)直線度，導(dǎo)致抓取機(jī)械手不能精準(zhǔn)的抓取或放置集成電路，造成設(shè)備的工作故障。因此在設(shè)備的研發(fā)過(guò)程中需要注意避免選擇與這兩種頻率接近的電氣元件，以免因振動(dòng)而造成不必要的損失。

3 ?結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)的固定支架進(jìn)行自由狀態(tài)下的模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)固定支架兩側(cè)立柱因連接關(guān)系而容易產(chǎn)生振動(dòng)破壞，通過(guò)改進(jìn)立柱底部的結(jié)構(gòu)增進(jìn)其連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和可靠性。對(duì)全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)的固定支架進(jìn)行約束狀態(tài)下的模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)該部件在工作過(guò)程中橫梁零件產(chǎn)生振動(dòng)變形的可能性較大，且由于變形方向的原因會(huì)嚴(yán)重影響其末端物料抓取機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的直線度，進(jìn)而影響激光打標(biāo)進(jìn)程中集成電路搬送的精度，有必要對(duì)該零件的結(jié)構(gòu)布局進(jìn)一步的開(kāi)展研究，以此提高全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)的工作精度和綜合性能，也為該款設(shè)備中其他關(guān)鍵零部件的性能分析和優(yōu)化改進(jìn)奠定了一定的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

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基金項(xiàng)目：2019年江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院大學(xué)生科研基金項(xiàng)目“全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化”（XJ2019DXS001）;2019年全國(guó)大學(xué)生科研項(xiàng)目“全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化”（2019QDS054）;2019年江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目“全自動(dòng)封裝芯片激光打標(biāo)機(jī)的研制與市場(chǎng)推廣”（201913137027T）。

作者簡(jiǎn)介：孫移（1976-），男，江蘇江陰人，碩士，江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向?yàn)樘摂M制造、機(jī)電控制。