基于Solid Works Simulation的切割機工作臺有限元分析

1、山西中北大學機械與動力工程學院 李超 2、北京清大天達光電科技有限公司 陳煥軍

1 工作臺簡述

1.1 工作臺結構簡述

本文所述切割機是液晶顯示屏生產工藝中的關鍵生產設備，其功能是將完整的玻璃基板利用刀具或者激光分割成單個的液晶小屏，以備后道工序的加工[1]。

工作臺是切割機一系列切割動作實現的平臺，也是設備切割效果良好的重要保障。

圖1 工作臺示意圖

圖1 為切割機工作臺示意圖。其主要由金屬面板和若干個支撐桿構成，玻璃定位采用擋銷方式，氣缸控制其升降與水平移動行程。工作臺底部由支撐螺桿固定于機架上，可通過調節支撐螺桿高低來控制工作臺的平面度。當處于運行狀態時，工作臺必須保證平面度基本不變以及變形量不能超過工藝要求所規定的最大值[2]。

平面度及變形量兩個指標的大小主要取決于支撐桿的個數和分布情況。本文設計的支撐桿數量為36個，為檢驗其是否符合工藝要求，現對其進行有限元分析。

1.2 工作臺參數

本設備所用的工作臺材料為合金碳鋼材料，表面進行硬質陽極氧化處理，再噴特氟龍0.1mm；表面硬度≥50HRC；平面精度要求小于等于0.1mm；工作臺重量為600kg。其主要參數指數如表1所示。

表1 工作臺主要參數

2 Simulation工作臺分析

2.1 工作臺三維建模

由于SolidWorks Simulation有限元分析模塊與SolidWorks是無縫對接的，因此在不出CAD環境下，即可對所建模型進行相關分析，故本文的切割機工作臺即由三維制圖軟件SolidWorks完成實體模型的建立，所得工作臺的三維模型如圖2所示。

圖2 工作臺模型

2.2 約束加載及網格的劃分

對工作臺及其支撐結構的建模完成以后，對工作臺整個結構進行約束并劃分網格（如圖3所示），使其轉為有限元模型。在工作臺實際配合中，支撐桿底部有螺紋直接擰在切割機的機架上，所以對于工作臺結構的約束應該是將底部所有的支撐桿側面進行固定；對于工作臺的載荷主要來自自重（600kg），在切割過程中的切割壓力完全可以忽略不計，如圖4所示。

圖3 工作臺有限元網格

圖4 工作臺自由度約束

當建模、材料匹配、網格分化、約束附加及平面載荷均已完成后，就可以對工作臺進行在上述條件下的求解[3]。

3 Simulation工作臺結果分析

該工作臺能否滿足工藝要求，主要參考仿真結果的三個值，應變量、應力位移、應力分布[4]。

圖5 工作臺應變量

圖 6 工作臺靜態位移圖

工作臺應變量的分布圖如圖5所示。由圖可見，最大應變集中在工作臺豎直方向每行支撐桿的中間部位，且最大應變量DMX1=1.86×10-6mm，由此可以看出工作臺靜態應變量對于整個平面度的影響很小，可以忽略不計。

工作臺靜態位移量如圖6所示。由圖6可得，最大靜態位移同樣出現在工作臺豎直方向每行支撐桿的中間部位，且最大靜態位移量DMX2=0.002mm，由以上兩圖可得，本臺設備的工作臺理論總變形量為 DMX=DMX1+DMX2≈DMX2=0.002mm，遠小于設備工作臺的精度要求0.02mm/300mm。

工作臺應力分布如圖7所示。

圖7 工作臺應力分布圖

由圖7可以看出工作臺應力的分布較為均勻，最大應力集中在每個支撐桿對應的工作臺面上，且最大應力為 NMX=5.04×105N/m2，根據工作臺材料分析可得其許用應力為[σ]=4.7×108N/m2。 由此可得，工作臺理論分析最大應力遠小于其許用應力，完全可以裝配使用。

4 總結

經過對工作臺的有限元分析，本文所設計的工作臺完全符合工藝要求，可以放心使用。

[1]范志新.液晶器件工藝基礎[M].北京：北京郵電大學出版社,2000.

[2]李亞利,張方輝.TFT-LCD切割裂片工藝參數探討［J］.液晶與顯示,2006,21(1):43-47.

[3]何慶中,王明超,趙獻丹.基于Solidworks Simulation碼垛機械手末端執行器導桿靜力學分析[J].四川理工學院學報(自然科學版).2011,01:41-44.

[4]陳永當,鮑志強,任慧娟等.基于SolidWorks Simulation的產品設計有限元分析 [J].計算機技術與發展.2012,09:29-34.