全自動(dòng)激光去溢料機(jī)移動(dòng)支架振動(dòng)分析

周 琦

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 江陰 214405）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)全自動(dòng)激光去溢料機(jī)及其關(guān)鍵零部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析，能夠有效保證零部件設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和效率，已成為一種較為普遍應(yīng)用的現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法。

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(jiǎn)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(dòng)激光去溢料機(jī)，針對(duì)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。

全自動(dòng)激光去溢料機(jī)中的物料抓取機(jī)構(gòu)在進(jìn)行集成電路板輸送的很短時(shí)間內(nèi)，移動(dòng)支架及其上的抓取機(jī)械手以極快的速度往返于料包和物料傳輸機(jī)構(gòu)之間，導(dǎo)致移動(dòng)支架在很短的時(shí)間內(nèi)承受了力的快速施加和撤銷，導(dǎo)致了移動(dòng)支架對(duì)于這段動(dòng)作時(shí)間的一個(gè)沖擊載荷響應(yīng)，為保證物料抓取機(jī)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，有必要對(duì)移動(dòng)支架部件進(jìn)行有限元仿真研究。

由于振動(dòng)與移動(dòng)支架本身的振動(dòng)頻率有關(guān)，在進(jìn)行振動(dòng)研究前需進(jìn)行自有頻率的分析。本文針對(duì)移動(dòng)支架部件在運(yùn)行過(guò)程中承受沖擊載荷的情況，利用SolidWorks軟件對(duì)其進(jìn)行頻率分析及振動(dòng)分析，以保證移動(dòng)支架使用的穩(wěn)定性。

1 移動(dòng)支架的模態(tài)分析

在SolidWorks軟件中，點(diǎn)擊打開(kāi)simulation菜單，在算例顧問(wèn)菜單中選擇“新建”→“頻率”，建立連接件零件的模態(tài)分析算例，具體有限元參數(shù)設(shè)置如下：

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，定義材料屬性，選擇連接件零件的材料為6061鋁合金，查表導(dǎo)出得到材料密度ρ＝2750kg/m3，彈性模量 E=68.9GPa,泊松比 μ=0.33，屈服強(qiáng)度σs=110MPa；

（2）根據(jù)移動(dòng)支架在物料抓取機(jī)構(gòu)中的位置與作用，選擇支架左側(cè)上端導(dǎo)軌槽和下端輔助支撐滾輪為約束位置；

（3）劃分網(wǎng)格，連接件零件的網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格形式，且允許網(wǎng)格自由過(guò)渡，劃分網(wǎng)格后的連接件有限元模型單元數(shù)為113463個(gè)，自由度數(shù)為數(shù)為517173，節(jié)點(diǎn)數(shù)為172994。網(wǎng)格劃分后的連接件零件有限元模型如圖1所示。

圖1 移動(dòng)支架有限元模型

在完成上面步驟的操作后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)支架的有限元模型構(gòu)建，點(diǎn)擊“運(yùn)行”系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行有限元分析與計(jì)算，得到了表1所示的移動(dòng)支架的前5階固有頻率和圖2所示的前5階陣型。

表1 1-5階固有頻率及振型

表1所示為移動(dòng)支架部件的前5階固有頻率和振型，從表中可以看出移動(dòng)支架的共振變形主要發(fā)生在部件中的連接板零件上，其主要形式為連接板的延伸，彎曲和扭轉(zhuǎn)，其主要原因在于連接板支架的約束部位較遠(yuǎn)，在工作過(guò)程中懸空且承受抓取機(jī)械手的重量和運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)載荷，有必要對(duì)該部件在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行振動(dòng)分析。且共振頻率較設(shè)備中電機(jī)等驅(qū)動(dòng)元件的工作頻率較為接近，有必要對(duì)其展開(kāi)詳細(xì)的研究。

圖2所示的1～5階振型圖中，移動(dòng)支架的第1階振型雖然是連接板的輕微翹起，但該階振動(dòng)的固有頻率為141.31Hz，相較于激光去溢料機(jī)中的其他電氣元件工作頻率較為接近，工作過(guò)程容易發(fā)生共振現(xiàn)象，且變形狀態(tài)為部件中連接板的上翹，發(fā)生末端物料抓取機(jī)械手的卡爪左右高度不平衡的現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)械手無(wú)法精確抓取集成電路板，必須避免其共振頻率的產(chǎn)生；第2階振型導(dǎo)致了連接板的延長(zhǎng)，對(duì)其末端機(jī)械手的影響不大；第3、4、5階振型導(dǎo)致了連接板的上下彎曲變形，與前述第1階振型的變形結(jié)果一致，也會(huì)導(dǎo)致末端抓取機(jī)械手的抓取精度降低和穩(wěn)定性變差，必須避免。但考慮到產(chǎn)生這3階振型的固有頻率均在700Hz以上，遠(yuǎn)大于常用元器件的工作頻率，此3階振型在實(shí)際使用中發(fā)生共振破壞的可能性不大。

圖2 移動(dòng)支架第1-5階振型

2 移動(dòng)支架的震動(dòng)分析

在前述頻率分析的基礎(chǔ)上，對(duì)移動(dòng)支架部件開(kāi)展震動(dòng)研究，建立如圖3所示的有限元模型。其中，為了能夠在Simulation中模擬移動(dòng)支架在很短時(shí)間內(nèi)承受的力的快速施加與撤銷，震動(dòng)分析參數(shù)的設(shè)置如下：在0秒的時(shí)候，移動(dòng)支架因步進(jìn)電機(jī)的快速啟動(dòng)承受87N的最大載荷，該載荷在持續(xù)了0.3895秒后從第0.4秒開(kāi)始撤銷，一直持續(xù)到第3秒不再承受任何載荷，從第2秒開(kāi)始又承受反向的最大載荷，持續(xù)時(shí)間依舊為0.3895秒，從第3.4秒開(kāi)始至第4.5秒安全撤銷載荷，具體物料抓取機(jī)構(gòu)動(dòng)作過(guò)程中移動(dòng)支架所受載荷隨時(shí)間變化的曲線如圖4所示。

圖3 移動(dòng)支架有限元模型

移動(dòng)支架受到?jīng)_擊載荷后產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)，會(huì)由于空氣和材料阻尼等因素的影響逐漸停止，在機(jī)構(gòu)的下一個(gè)動(dòng)作周期開(kāi)始前恢復(fù)原來(lái)的靜止?fàn)顟B(tài)，因此，為確保本次仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)置移動(dòng)支架振動(dòng)從開(kāi)始到靜止所花費(fèi)的時(shí)間，通過(guò)計(jì)算本次研究設(shè)定為0.78s。

通過(guò)軟件的自動(dòng)運(yùn)算，得到如圖5所示的響應(yīng)結(jié)果，即移動(dòng)支架的連接平板部分因抓取機(jī)械手動(dòng)作而上下擺動(dòng)的位移情況。

由圖可以看出，移動(dòng)支架發(fā)生振動(dòng)時(shí)的最大應(yīng)力發(fā)生在連接板與支架本體連接的位置，其值為0.807MPa，與6061鋁合金的許用應(yīng)力值相比，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足使用要求；最大位移發(fā)生在連接板的末端，其值為8.185×10-3mm，相對(duì)于設(shè)備0.01mm的精度而言，能夠滿足其使用要求，最大應(yīng)變發(fā)生的位置與最大應(yīng)力位置一致，說(shuō)明連接板發(fā)生振動(dòng)時(shí)，該處位置發(fā)生變形或破壞的可能性較高，可以考慮增設(shè)加強(qiáng)助力或增大拐角半徑以避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖4 力隨時(shí)間變化曲線

圖6所示的響應(yīng)圖清晰的表達(dá)了移動(dòng)支架連接平板在抓取機(jī)械手動(dòng)作過(guò)程中的振動(dòng)情況。由圖可知，連接平板承受最大載荷作用后，由于懸臂梁的連接方式產(chǎn)生了振動(dòng)，在初始的前0.4s時(shí)間內(nèi)，連接板產(chǎn)生了0.0009mm的振動(dòng)，幅度由0.0002mm的區(qū)間逐漸縮減至0.00005mm，0.4s之后振動(dòng)快速減少至0.0001mm以內(nèi)，且幅度逐漸減弱。從以上分析可知看出，連接板因突變載荷作用產(chǎn)生的振動(dòng)最大值為0.0009mm，而物料抓取機(jī)構(gòu)中機(jī)械手的工作定位精度為0.05mm，對(duì)激光去溢料機(jī)的物料抓取動(dòng)作精度不會(huì)產(chǎn)生較大的影響，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)的抓取機(jī)構(gòu)移動(dòng)支架具有較好的動(dòng)作特性和強(qiáng)度，能夠滿足激光去溢料設(shè)備的使用要求。

3 結(jié)語(yǔ)

圖5 移動(dòng)支架震動(dòng)分析

圖6 移動(dòng)支架連接平板擺動(dòng)位移圖

本文對(duì)全自動(dòng)激光去溢料機(jī)中物料抓取機(jī)械手的移動(dòng)支架部件，使用SolidWorks軟件中的motion模塊對(duì)該部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，模擬部件在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)作情況，以此驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。通過(guò)Simulation模塊對(duì)部件中的連接板進(jìn)行有限元震動(dòng)分析，研究移動(dòng)支架的連接板在突變載荷作用下產(chǎn)生的震動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)移動(dòng)支架產(chǎn)生的最大震動(dòng)位移為0.0009mm，并逐漸減弱對(duì)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作情況和精度不會(huì)產(chǎn)生影響。通過(guò)使用SolidWorks軟件開(kāi)展全自動(dòng)激光去溢料機(jī)的設(shè)計(jì)，有效地縮短了研發(fā)周期，保障了設(shè)計(jì)結(jié)果的可行性和準(zhǔn)確性。