周琦

摘要：通過(guò)采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析研究，避免物理樣機(jī)因設(shè)計(jì)缺陷而重復(fù)制造的問(wèn)題。使用Solid Works軟件對(duì)全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)的物料抓取機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元靜態(tài)分析和疲勞分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，針對(duì)性地提出了優(yōu)化方案，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的疲勞壽命，對(duì)機(jī)構(gòu)材料的選用提出了合理的建議，以此保證了物料抓取機(jī)構(gòu)在激光打標(biāo)機(jī)使用過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)降低了設(shè)備的研發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期，也為后續(xù)設(shè)備整機(jī)虛擬樣機(jī)的分析研究奠定了理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

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(guān)鍵詞：Solid Works;物料抓取機(jī)構(gòu);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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的高速發(fā)展和應(yīng)用，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)中的模擬仿真手段，驗(yàn)證關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和產(chǎn)品性能，已成為一種較為普遍的現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法。通過(guò)構(gòu)建三維虛擬模型，采用有限元方法快速地分析機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)合理性和疲勞強(qiáng)度，分析振動(dòng)、熱響應(yīng)對(duì)整機(jī)工作性能的影響，實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而大大縮短了機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)周期和成本。激光打標(biāo)作為激光加工技術(shù)中的一種重要應(yīng)用技術(shù)，與傳統(tǒng)的噴碼技術(shù)相比，除了打標(biāo)圖案防偽性能極好外，還具有環(huán)保、打標(biāo)質(zhì)量高、速度快、成本低等顯著特點(diǎn)。項(xiàng)目組研發(fā)的全自動(dòng)封裝芯片激光打標(biāo)機(jī)，采用激光進(jìn)行集成電路的表面字符刻制，屬于一種全新的圖形字符標(biāo)識(shí)方式。

本文針對(duì)全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)中的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)——物料抓取機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析研究，利用Solid Works軟件建立該機(jī)構(gòu)的三維虛擬模型，并對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度分析和在此基礎(chǔ)上的疲勞強(qiáng)度分析，以此驗(yàn)證物料抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。

1 ?建立物料抓取機(jī)構(gòu)模型

在Solid Works軟件中建立物料抓取機(jī)構(gòu)的三維模型，首先需完成機(jī)構(gòu)中各零件的三維造型設(shè)計(jì)，同時(shí)為便于后續(xù)仿真分析計(jì)算，在進(jìn)行建模時(shí)對(duì)機(jī)構(gòu)中的零件進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化，如省略了螺紋、螺釘?shù)葘?duì)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果影響較小的特征等，在此基礎(chǔ)上按照零件的裝配關(guān)系進(jìn)行物料抓取機(jī)構(gòu)的虛擬裝配，最后為避免在后續(xù)有限元分析中出現(xiàn)干涉問(wèn)題，還需對(duì)裝配完成的機(jī)構(gòu)進(jìn)行干涉檢查。裝配完成的全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)物料抓取機(jī)構(gòu)模型如圖1所示。

2 ?機(jī)構(gòu)的靜應(yīng)力分析

在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法中，為縮短機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)周期，通常使用仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的關(guān)鍵零部件或機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真、有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，在完成一系列模擬真實(shí)環(huán)境的計(jì)算后，制造物理樣機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品的最終驗(yàn)證。全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)中的物料抓取機(jī)構(gòu)，承擔(dān)將集成電路抓取后從輸送機(jī)構(gòu)傳送至打標(biāo)位置的作用，屬于激光打標(biāo)機(jī)的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)及性能的好壞，對(duì)于激光打標(biāo)機(jī)能否實(shí)現(xiàn)集成電路的精準(zhǔn)自動(dòng)輸送具有重要的作用。為便于項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)于該款全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)整機(jī)虛擬樣機(jī)的分析，本次研究通過(guò)使用Solid Works軟件的Simulation模塊，對(duì)物料抓取機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜應(yīng)力計(jì)算，研究其正常工作時(shí)物料抓取機(jī)構(gòu)承受的靜強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)可靠性能是否滿足設(shè)備的設(shè)計(jì)使用要求。

在Solid Works軟件中進(jìn)行全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)物料抓取機(jī)構(gòu)的靜態(tài)應(yīng)力分析，首先，進(jìn)入軟件的辦公室產(chǎn)品界面選擇“Simulation”菜單，在算例顧問(wèn)的下拉菜單中選擇“新建”，類型選擇靜態(tài)，建立物料抓取機(jī)構(gòu)的靜態(tài)分析算例;其次，對(duì)物料抓取機(jī)構(gòu)有限元計(jì)算的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，具體過(guò)程如下：

①定義材料屬性，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇物料抓取機(jī)構(gòu)材料為AISI1020鋼，設(shè)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(qiáng)度為？滓s=352MPa。

②設(shè)置約束條件，根據(jù)全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)工作時(shí)物料抓取機(jī)構(gòu)的運(yùn)行過(guò)程添加約束，機(jī)構(gòu)中的移動(dòng)支架由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)沿固定橫梁的直線導(dǎo)軌作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，設(shè)定此處的導(dǎo)軌槽為約束施加位置，其底部通過(guò)滾輪與固定橫梁接觸，不需施加約束。

③施加載荷，根據(jù)物料抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)情況，設(shè)定滾輪與固定橫梁的接觸在何為75N，步進(jìn)電機(jī)對(duì)抓取機(jī)械手移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩為28.56N·m，機(jī)械手抓取集成電路的活動(dòng)塊承受64N的正壓力，忽略抓取機(jī)械手自重所產(chǎn)生的重力。

④網(wǎng)格劃分，物料抓取機(jī)構(gòu)的網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格形式，允許網(wǎng)格自由過(guò)渡，劃分網(wǎng)格后有限元模型的單元數(shù)為127945個(gè)，自由度數(shù)為633312個(gè)，節(jié)數(shù)為211203個(gè)。網(wǎng)格劃分后的物料抓取機(jī)構(gòu)有限元模型如圖2所示。

完成以上物料抓取機(jī)構(gòu)有限元參數(shù)設(shè)置以后，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料抓取機(jī)構(gòu)的有限元建模，點(diǎn)擊“運(yùn)行”圖標(biāo)對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元靜應(yīng)力計(jì)算，得到如圖3-圖5所示的物料抓取機(jī)構(gòu)應(yīng)力、位移和應(yīng)變圖。

由圖3可知，物料抓取機(jī)構(gòu)在正常工作狀態(tài)下，承受載荷所產(chǎn)生的最大應(yīng)力發(fā)生在機(jī)構(gòu)中移動(dòng)支架和抓取機(jī)械手的連接位置，其值為81.95MPa，遠(yuǎn)小于機(jī)構(gòu)中移動(dòng)支架材料的屈服極限352MPa，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)的物料抓取機(jī)構(gòu)從結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jī)構(gòu)在工作載荷作用下產(chǎn)生的最大位移主要位于抓取機(jī)械手遠(yuǎn)離移動(dòng)支架的末端，其值為0.002075mm，由于抓取機(jī)械手的爪子結(jié)構(gòu)布局上屬于對(duì)稱分布，且位移量相對(duì)于設(shè)備精度而言可以忽略不計(jì)，因而無(wú)需對(duì)該處位置的結(jié)構(gòu)施加任何強(qiáng)化措施。從圖5的應(yīng)變圖可知，機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)變發(fā)生在移動(dòng)支架與抓取機(jī)械手的連接位置，與圖3所示的最大應(yīng)力位置一致，可能對(duì)機(jī)構(gòu)的工作產(chǎn)生一定的影響，可通過(guò)延長(zhǎng)加強(qiáng)肋的高度尺寸優(yōu)化其強(qiáng)度。另外，機(jī)構(gòu)中連接板中部在圖3和圖5中均顯示應(yīng)力和應(yīng)變較大，也許對(duì)該處結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3 ?機(jī)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度分析

機(jī)械設(shè)備中某些關(guān)鍵零部件在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，由于交變應(yīng)力的反復(fù)作用，導(dǎo)致其逐漸形成裂紋乃至發(fā)生疲勞斷裂，影響設(shè)備的正常使用。全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)的物料抓取機(jī)構(gòu)，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其關(guān)鍵零部件容易產(chǎn)生疲勞破壞，有必要對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力分析基礎(chǔ)上的疲勞強(qiáng)度分析。

在Solid Works軟件中對(duì)物料抓取機(jī)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析，首先為疲勞分析算例關(guān)聯(lián)前述完成的靜態(tài)分析，根據(jù)AISI1020鋼的抗拉強(qiáng)度計(jì)算得到物料抓取機(jī)構(gòu)的理論S-N曲線，根據(jù)材料實(shí)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(diǎn)擊“運(yùn)行”圖標(biāo)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析計(jì)算，得到如圖7所示的物料抓取機(jī)構(gòu)損壞百分比圖和圖8所示的生命總數(shù)圖。

由圖7可以看出，物料抓取機(jī)構(gòu)在1000次交變載荷循環(huán)作用下，其損壞百分比均小于1，說(shuō)明該機(jī)構(gòu)在設(shè)備運(yùn)行過(guò)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(guò)程中所需承擔(dān)的載荷較小，對(duì)機(jī)構(gòu)的材料可以考慮選用更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的鋼材或鋁合金材料。

由圖8可知，物料抓取機(jī)構(gòu)幾乎所有部位疲勞次數(shù)接近于3×106，遠(yuǎn)高于機(jī)構(gòu)材料的無(wú)限疲勞次數(shù)，滿足機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用要求。

因此，綜合圖7和圖8的分析可知，采用AISI1020鋼所設(shè)計(jì)的物料抓取機(jī)構(gòu)，其中任一零件產(chǎn)生疲勞裂紋的概率幾乎為零，有必要對(duì)該機(jī)構(gòu)的材料進(jìn)行重新選用，以降低設(shè)備的生產(chǎn)成本。

4 ?結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)中物料抓取機(jī)構(gòu)的工作要求與過(guò)程，使用Solid Works軟件對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)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(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以滿足工作強(qiáng)度要求，通過(guò)疲勞強(qiáng)度分析，得到機(jī)構(gòu)的損壞百分比和生命總數(shù)圖，并由此分析得出該機(jī)構(gòu)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(xiàng)目組采用有限元分析的方法，對(duì)全自動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)的物料抓取機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析和疲勞分析，以及在此基礎(chǔ)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。該方法同樣適用于本設(shè)備中其他關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，以降低設(shè)備研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，同時(shí)也為后續(xù)激光打標(biāo)機(jī)整機(jī)虛擬樣機(jī)的分析研究提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。

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