全自動激光打標機物料抓取機構疲勞分析

周琦

摘要：通過采用虛擬樣機技術，對自動化設備的執(zhí)行機構進行分析研究，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物料抓取機構進行有限元靜態(tài)分析和疲勞分析，發(fā)現機構中結構設計的薄弱環(huán)節(jié)，針對性地提出了優(yōu)化方案，驗證機構的疲勞壽命，對機構材料的選用提出了合理的建議，以此保證了物料抓取機構在激光打標機使用過程中的穩(wěn)定性和可靠性。同時降低了設備的研發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期，也為后續(xù)設備整機虛擬樣機的分析研究奠定了理論與實踐基礎。

Abstract： In order to avoid the problem of repeated manufacturing of physical prototype due to design defects， the actuator of automation equipment was analyzed and studied by using the virtual prototype technology. This article introduced the finite element static analysis and fatigue analysis of automatic laser marking machine's material grabbing mechanism by using solidworks software. The weakness of structure design in mechanism was found， and the optimization scheme was also put forward. Then it verified the fatigue life of the mechanism， and put forward the reasonable suggestions for the selection of mechanism materials， so as to ensure the stability and reliability of the material grabbing mechanism in the use of the laser marking machine. At the same time， it reduced the R&D cost of the equipment， shortened the R&D cycle， and laied a theoretical and practical foundation for the subsequent analysis and research of the virtual prototype of the whole equipment.

關鍵詞：Solid Works;物料抓取機構;靜態(tài)分析;疲勞分析

Key words： SolidWorks;material grabbing mechanism;static analysis;fatigue 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品性能，已成為一種較為普遍的現代機械設計方法。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，實現機械產品的最優(yōu)化設計，從而大大縮短了機械產品的研發(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執(zhí)行機構——物料抓取機構進行分析研究，利用Solid Works軟件建立該機構的三維虛擬模型，并對該機構進行靜態(tài)強度分析和在此基礎上的疲勞強度分析，以此驗證物料抓取機構設計的合理性和可靠性。

1 ?建立物料抓取機構模型

在Solid Works軟件中建立物料抓取機構的三維模型，首先需完成機構中各零件的三維造型設計，同時為便于后續(xù)仿真分析計算，在進行建模時對機構中的零件進行了必要的簡化，如省略了螺紋、螺釘等對結構分析結果影響較小的特征等，在此基礎上按照零件的裝配關系進行物料抓取機構的虛擬裝配，最后為避免在后續(xù)有限元分析中出現干涉問題，還需對裝配完成的機構進行干涉檢查。裝配完成的全自動激光打標機物料抓取機構模型如圖1所示。

2 ?機構的靜應力分析

在現代機械設計方法中，為縮短機械產品的研發(fā)周期，通常使用仿真軟件對所設計產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品的最終驗證。全自動激光打標機中的物料抓取機構，承擔將集成電路抓取后從輸送機構傳送至打標位置的作用，屬于激光打標機的關鍵執(zhí)行機構，該機構機械結構及性能的好壞，對于激光打標機能否實現集成電路的精準自動輸送具有重要的作用。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分析，本次研究通過使用Solid Works軟件的Simulation模塊，對物料抓取機構進行靜應力計算，研究其正常工作時物料抓取機構承受的靜強度和結構可靠性能是否滿足設備的設計使用要求。

在Solid Works軟件中進行全自動激光打標機物料抓取機構的靜態(tài)應力分析，首先，進入軟件的辦公室產品界面選擇“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)，建立物料抓取機構的靜態(tài)分析算例;其次，對物料抓取機構有限元計算的參數進行設置，具體過程如下：

①定義材料屬性，根據設計要求選擇物料抓取機構材料為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，根據全自動激光打標機工作時物料抓取機構的運行過程添加約束，機構中的移動支架由步進電機驅動沿固定橫梁的直線導軌作往復直線運動，設定此處的導軌槽為約束施加位置，其底部通過滾輪與固定橫梁接觸，不需施加約束。

③施加載荷，根據物料抓取機構的設計計算數據和運動情況，設定滾輪與固定橫梁的接觸在何為75N，步進電機對抓取機械手移動的驅動力矩為28.56N·m，機械手抓取集成電路的活動塊承受64N的正壓力，忽略抓取機械手自重所產生的重力。

④網格劃分，物料抓取機構的網格劃分采用自由網格形式，允許網格自由過渡，劃分網格后有限元模型的單元數為127945個，自由度數為633312個，節(jié)數為211203個。網格劃分后的物料抓取機構有限元模型如圖2所示。

完成以上物料抓取機構有限元參數設置以后，初步實現了對物料抓取機構的有限元建模，點擊“運行”圖標對該機構進行有限元靜應力計算，得到如圖3-圖5所示的物料抓取機構應力、位移和應變圖。

由圖3可知，物料抓取機構在正常工作狀態(tài)下，承受載荷所產生的最大應力發(fā)生在機構中移動支架和抓取機械手的連接位置，其值為81.95MPa，遠小于機構中移動支架材料的屈服極限352MPa，項目組設計的物料抓取機構從結構強度的角度考慮，完全能夠滿足工作要求。由圖4可以看出，物料抓取機構在工作載荷作用下產生的最大位移主要位于抓取機械手遠離移動支架的末端，其值為0.002075mm，由于抓取機械手的爪子結構布局上屬于對稱分布，且位移量相對于設備精度而言可以忽略不計，因而無需對該處位置的結構施加任何強化措施。從圖5的應變圖可知，機構的最大應變發(fā)生在移動支架與抓取機械手的連接位置，與圖3所示的最大應力位置一致，可能對機構的工作產生一定的影響，可通過延長加強肋的高度尺寸優(yōu)化其強度。另外，機構中連接板中部在圖3和圖5中均顯示應力和應變較大，也許對該處結構進行優(yōu)化。

3 ?機構的疲勞強度分析

機械設備中某些關鍵零部件在設備運行過程中，由于交變應力的反復作用，導致其逐漸形成裂紋乃至發(fā)生疲勞斷裂，影響設備的正常使用。全自動激光打標機的物料抓取機構，在設備運行時高速往復運動，其關鍵零部件容易產生疲勞破壞，有必要對該機構進行靜力分析基礎上的疲勞強度分析。

在Solid Works軟件中對物料抓取機構進行疲勞分析，首先為疲勞分析算例關聯前述完成的靜態(tài)分析，根據AISI1020鋼的抗拉強度計算得到物料抓取機構的理論S-N曲線，根據材料實際情況修正后的S-N曲線如圖6所示。在完成以上操作后點擊“運行”圖標，系統(tǒng)自動進行疲勞強度分析計算，得到如圖7所示的物料抓取機構損壞百分比圖和圖8所示的生命總數圖。

由圖7可以看出，物料抓取機構在1000次交變載荷循環(huán)作用下，其損壞百分比均小于1，說明該機構在設備運行過程中發(fā)生疲勞破壞的概率較小。其主要原因由于抓取集成電路過程中所需承擔的載荷較小，對機構的材料可以考慮選用更加經濟實惠的鋼材或鋁合金材料。

由圖8可知，物料抓取機構幾乎所有部位疲勞次數接近于3×106，遠高于機構材料的無限疲勞次數，滿足機構的設計使用要求。

因此，綜合圖7和圖8的分析可知，采用AISI1020鋼所設計的物料抓取機構，其中任一零件產生疲勞裂紋的概率幾乎為零，有必要對該機構的材料進行重新選用，以降低設備的生產成本。

4 ?結語

本文針對全自動激光打標機中物料抓取機構的工作要求與過程，使用Solid Works軟件對其進行靜態(tài)應力分析，發(fā)現機構中可能發(fā)生屈服破壞的位置主要集中在連接支架上，提出重新對其進行結構優(yōu)化設計以滿足工作強度要求，通過疲勞強度分析，得到機構的損壞百分比和生命總數圖，并由此分析得出該機構發(fā)生疲勞破壞的概率幾乎為零，有必要重新選用合適的材料以降低成本。

項目組采用有限元分析的方法，對全自動激光打標機的物料抓取機構進行靜態(tài)分析和疲勞分析，以及在此基礎上的優(yōu)化設計，驗證了設計的合理性和可靠性。該方法同樣適用于本設備中其他關鍵零部件的設計與優(yōu)化，以降低設備研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，同時也為后續(xù)激光打標機整機虛擬樣機的分析研究提供了理論和實踐依據。

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