基于Solidworks的激光去溢料機(jī)固定架模態(tài)分析

周琦 張惜君

摘要：針對全自動激光去溢料機(jī)中的固定架零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維造型，并以此為對象利用Solidworks軟件的仿真模塊，對該零件分別進(jìn)行自由和約束狀態(tài)下的模態(tài)分析，研究其前5階固有頻率和振型圖，較為準(zhǔn)確地預(yù)測固定架零件的變形情況，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷并加以改進(jìn)，以此保證了零件設(shè)計(jì)的合理性，避免了復(fù)雜的理論分析與計(jì)算過程，也為進(jìn)一步開展零件優(yōu)化設(shè)計(jì)和激光提升去溢料機(jī)整機(jī)工作性能提供了理論依據(jù)。

Abstract： In this paper the structure design and three-dimensional modeling of the fixing frame parts in the automatic laser overflow removing machine were carried out. And for this reason by using the simulation module of SolidWorks software， the modal analysis of the part under free and constrained States were also carried out. By studying the first five natural frequencies and mode shapes， the deformation of the fixed frame parts can be predicted accurately， and the structural design defects can be found and improved， so as to ensure the rationality of the part design and avoid the complicated theoretical analysis and calculation process. It also provided a theoretical basis for the further optimization design of the parts and the laser enhanced performance of the whole machine.

關(guān)鍵詞：Solidworks;激光去溢料機(jī);固定架;模態(tài)分析

Key words： SolidWorks;laser de overflow machine;fixed rack;modal analysis

中圖分類號：TN249? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0026-03

0? 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)中的高度應(yīng)用，采用有限元分析和仿真的方法，對其中關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動準(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優(yōu)化設(shè)計(jì)，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)的全自動激光去溢料機(jī)，針對集成電路發(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，盡可能采用對稱結(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)械爪快速移動對重量的要求，設(shè)計(jì)零件中間的兩對孔為該零件在機(jī)械手中的定位、固定孔，其兩側(cè)為移動絲杠螺母的安裝孔，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，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。

2? 自由狀態(tài)下模態(tài)分析

固定架零件自由狀態(tài)下的模態(tài)分析，主要是為了驗(yàn)證零件安裝在設(shè)備中后處于靜態(tài)時的自由振動變形，并以此作為研究去溢料機(jī)工作時固定架零件振動變形的參考。依照有限元模態(tài)分析的一般流程，選擇固定架零件的材料為AISI1020鋼，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分后得到的零件單元數(shù)為79587，自由度數(shù)為354651，節(jié)點(diǎn)數(shù)為118217。通過Simulation的有限元計(jì)算功能得到固定架零件的前5階固有頻率和振型圖如表1和圖2所示。

由表1和圖2可知，固定架在自由狀態(tài)下的前3階振型為剛體，這里不作研究。當(dāng)去溢料機(jī)的工作頻率接近表中的第4、5階頻率時，固定架可能發(fā)生共振破壞，其主要形式分別是寬度方向和長度方向的延伸，該兩處變形均會改變物料抓取機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)和精度，需要避免。其中對于第5階振型的長度延伸變形，可通過縮短下端面凹槽長度尺寸來提升固定架兩端的強(qiáng)度和剛度，避免共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3? 約束狀態(tài)下模態(tài)分析

前述固定架在自由狀態(tài)下的模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，固定架零件在去溢料機(jī)空置狀態(tài)下發(fā)生振動的可能性幾乎為零，僅需縮短下側(cè)凹槽尺寸以保證其強(qiáng)度，零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，針對工作狀態(tài)下的固定架零件，需施加合適的約束進(jìn)一步分析其振動變形情況。根據(jù)固定架零件在機(jī)械手工作時的狀態(tài)與需求，在其兩側(cè)的固定孔施加約束，再次對其進(jìn)行模態(tài)分析，得到表2所示的前5階固有頻率，以及圖3所示的振型圖。

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)生振動破壞的頻率均在2300Hz以上，需要注意設(shè)備工作中綜合振動頻率對零件的影響。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。

4? 結(jié)語

根據(jù)物料抓取機(jī)械手在激光去溢料機(jī)中的作用及動作，完成其固定架零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維造型。為了保證機(jī)械手抓取集成芯片的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，對該固定架零件分別進(jìn)行了自由和約束狀態(tài)下的模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)該零件在工作過程中有可能發(fā)生的振動變形及共振頻率，發(fā)現(xiàn)縮短底側(cè)凹槽尺寸提高零件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可有效避免該共振變形的發(fā)生。

通過對設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行自由和約束狀態(tài)下的模態(tài)分析，能夠從振動變形的角度有效地發(fā)現(xiàn)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，以及提高零件設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和設(shè)備的整機(jī)工作性能。該方法同樣適用于激光去溢料機(jī)中其他關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與合理性驗(yàn)證，也為全自動激光去溢料機(jī)的進(jìn)一步動力學(xué)分析和零件優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了一定的基礎(chǔ)。

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