白建衛(wèi)， 劉 健， 郭旭東

（1.中國電子科技集團公司第二研究所， 山西 太原 030024； 2.中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西 太原 030024）

引言

隨著人們對手機和平板電腦等電子產(chǎn)品的品質(zhì)要求越來越高，其生產(chǎn)過程中質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)顯得尤為重要，其中核心組件液晶屏的檢測更是重中之重。目前液晶屏點燈畫面不良檢測大部分靠人工目測檢查，檢測效率低、成本高，檢測質(zhì)量標(biāo)準不統(tǒng)一，而且人眼極易疲勞，不適合長時間工作。中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司（以下簡稱“風(fēng)華公司”）開發(fā)研制的CELLAOI自動點燈測試機可替代人工自動完成測試，有效解決人工檢查存在的問題。

風(fēng)華公司所設(shè)計的液晶屏自動點燈檢測設(shè)備中的第一搬運機械手，為滿足客戶要求，在機械手臂上新增四套掃碼機構(gòu)，機械臂負載大大增加，導(dǎo)致原機械結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)要求，本文運用SolidWorks軟件中Simulation插件針對機械手結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵零部件進行有限元分析，找出結(jié)構(gòu)薄弱點，對機械手結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進[1]。

1 搬運機械手整體結(jié)構(gòu)

本搬運機械手由電機驅(qū)動滾珠絲杠帶動取料手和掃碼機構(gòu)運動，用于吸取液晶屏并搬運上料，其中取料手和掃碼機構(gòu)均有四套，重量較大如圖1所示。

2 模型建立

2.1 三維模型建立

前端絲杠連接塊連接滾珠絲杠與整個運動部件，在機械手中起著關(guān)鍵作用，其強度決定了機械手整體結(jié)構(gòu)強度，圖2為前端絲杠連接塊結(jié)構(gòu)圖[2]。

圖1 搬運機械手結(jié)構(gòu)圖

圖2 前端絲杠連接塊結(jié)構(gòu)圖

前端絲杠連接塊材料是2A12，密度ρ=2.78 g/cm3，彈性模量 E=73 GPa，抗拉強度 σb=480 MPa，屈服強度σ0.2=375 MPa，泊松比為μ=0.3。

2.2 受力分析

由工作要求確定機械手運動參數(shù)如表1所示。

表1 機械手運動參數(shù)

加速時:

減速時:

由表1數(shù)據(jù)可計算出作用在絲杠上最大力為F2=145.85 N，遠小于絲杠所能承受的軸向力。但絲杠軸撓曲載荷已超出其允許值。

2.3 連接塊有限元模型網(wǎng)格劃分

采用線性單元SOLID45，其支持非線性分析，在受力分析中可以得到良好的精度，把網(wǎng)格劃分為5mm，并對重要區(qū)域，如連接部位可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的地方進行網(wǎng)格細化，網(wǎng)格劃分效果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

3 有限元分析結(jié)果

由圖4分析結(jié)果云圖可以得知，增加掃碼機構(gòu)后，重量增大，使得前端絲杠連接塊受到較大作用力，最大形變?yōu)?.032 mm，其運行中的姿態(tài)變化會使絲杠受到較大的彎矩，滾珠絲杠將很快被損壞。因此需要對第一搬運機械手機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，避免滾珠絲杠承受彎矩[3]。

圖4 前端絲杠連接塊分析結(jié)果云圖

4 結(jié)構(gòu)改進設(shè)計

根據(jù)以上分析，第一搬運機械手需要從兩方面進行優(yōu)化設(shè)計。一方面，在滾珠絲杠上方增加一根導(dǎo)軌，來保護滾珠絲杠，避免其承受過大撓曲載荷和彎矩。另一方面，優(yōu)化前端絲杠連接塊結(jié)構(gòu)，增加加強筋，減小零件形變，減小第一搬運機械手運行中的姿態(tài)變化，增強其運行過程的穩(wěn)定性，如圖5所示。

運動加速度和速度不變，優(yōu)化后機械手總質(zhì)量m=31 kg，增加2 kg，下面對優(yōu)化后絲杠連接塊進行有限元分析。優(yōu)化后連接塊網(wǎng)格劃分如圖6所示。

得到絲杠連接塊受力變形情況如圖7所示。

計算結(jié)果顯示絲杠連接塊最大形變從原來的0.032 mm減小到現(xiàn)在的2.25×10-3mm。變形量明顯減小。小于絲杠軸撓曲載荷。

圖5 優(yōu)化后機械手結(jié)構(gòu)圖

圖6 優(yōu)化后連接塊

圖7 優(yōu)化前端絲杠連接塊分析結(jié)果云圖

優(yōu)化后，機械手強度明顯得到加強，實際運行過程中通過采集電機負載曲線驗證，結(jié)構(gòu)非常平穩(wěn)，達到設(shè)計要求[4]。

5 結(jié)語

通過運用理論計算和有限元分析插件Simulation相結(jié)合對大跨度搬運機械手關(guān)鍵零件進行分析，得到機械手薄弱環(huán)節(jié)，并指導(dǎo)改進機械手結(jié)構(gòu)，運用Simulation插件輔助設(shè)計大大提高了設(shè)計效率，縮短了設(shè)計周期，有效地降低了設(shè)計成本，也為一些沒有設(shè)計經(jīng)驗的人員提供了一種直觀的方法。

參考文獻

[1]高亮，劉江波.基于SolidWorks的采煤機截齒結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真分析[J].煤炭技術(shù)，2017，36（10）：257-258.

[2]楊剛，李臣友，于國輝，等.基于SolidWorks的吸嘴支撐臂有限元分析[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2014，27（4）：79-80.

[3]李楊，李光.基于SolidWorks的托盤結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計[J].包裝工程，2011，32（19）：1-4.

[4]李威，李錦，吳斌.基于SolidWorks的彈頭壓入專機的有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].兵工自動化，2011，30（7）：36-38.