基于SolidWorks的激光打標機支架模態分析

孫移 張嘉偉 李正燁

摘要：自動化機械設備在其運行過程中由于自身固有頻率和工作頻率相接近而發生共振現象，有必要對設備中的關鍵零部件進行模態分析，優化改進部件中零件的布局或結構尺寸，由此避免共振現象的產生。針對全自動激光打標機中的固定支架部件，以其自由狀態下的模態分析結果為對照，進行約束狀態下的模態分析，發現固定支架可能發生共振的頻率，以及可能發生的變形狀態，通過改進固定支架中關鍵零件的結構布局及連接方式，避免振動現象的產生，以此提升設備結構的穩定性、可靠性和綜合性能。

Abstract： The resonance occurs were happened when the natural frequency was close to the working frequency in the process of operation of automatic mechanical equipment. In order to avoid the resonance， it was necessary to carry out the modal analysis on key parts of the equipment， optimize and improve the layout or structural dimension of parts in the assembly. The modal analysis in the constrained state was carried out based on the results of modal analysis in the free state of the fixed bracket in the full-automatic laser marking machine. And it found that the frequency of resonance and the possible deformation state of the fixed bracket may occur. In order to improve the stability， reliability and comprehensive performance of the equipment structure， the structural layout and connection mode of the key parts in the fixed support were improved to avoid the occurrence of vibration.

關鍵詞：SolidWorks;激光打標機;固定支架;模態分析

Key words： SolidWorks;laser marking machine;fixed bracket;modal analysis

0 ?引言

激光打標作為激光加工技術應用中最為成熟的一種高新技術，具有加工對象廣、環境污染少、加工精度高和材料損耗小等特點，目前已逐漸取代傳統的噴碼打標技術，廣泛應用于工業制成品上字符、商標等標識的印刷標記。該項技術的推廣和使用，符合當前我國產業轉型升級和節能減排的號召。因此，由該技術和計算機控制技術結合衍生的全自動激光打標機，具有廣闊的發展空間和市場應用前景。自動化機械設備在運行過程中，由于設備精度的原因，不可避免會產生振動，當振動頻率與設備中零部件的固有頻率一致時，即產生破環性的共振。對自動化設備開展振動研究，找出其易產生共振的固有頻率，并在設計階段采取有效措施，避免設備中任何零部件因共振而產生破壞，能夠極大地提高設備的穩定性和可靠性。

本文旨在研究全自動激光打標機中物料輸送橫梁固定支架發生振動時的穩定性，保證其末端物料抓取機械手的芯片抓取精度和可靠性，避免其在設備運行過程中和工作頻率發生共振，通過使用SolidWorks軟件對該支架進行自由和約束兩種狀態下的有限元模態分析，驗證零件及機構布局的合理性，提高設備的穩定性和可靠性。

1 ?自由狀態下模態分析

在SolidWorks軟件中對全自動激光打標機的固定橫梁支架進行自由狀態下的模態分析，其有限元參數設置及計算過程如下：首先，在Simulation模塊中選擇“頻率分析”功能菜單，設定固定支架的材料為AISI2010鋼，其材料屬性如下：彈性模量E=200GPa，泊松比μ=0.29，屈服強度為？滓s=352MPa，密度ρ=7900kg/m3;其次，對固定支架進行有限元網格劃分，共生成451218個自由度、150406個節點和93927個單元，劃分網格后得到如圖1所示的固定支架有限元模型;最后，點擊“運行”命令對固定支架進行有限元模態分析計算。

全自動激光打標機的固定支架因振動產生的破壞，可通過對其固有頻率是否與設備工作頻率的分析找出問題，其值與工作頻率越接近，固定支架產生結構共振的可能性就越大;并通過振型圖發現部件因振動而變形的趨勢。本次研究在通過SolidWorks軟件對固定支架進行有限元模態分析，得到如表1所示固定支架在自由狀態下的前5階固有頻率，以及圖2所示的前5階振型圖。

由表1可知，固定支架的前3階振型沒有發生變化，可以忽略不計。當激光打標機靜止狀態時固定支架的固有頻率接近于表中3-5階所示的頻率時，固定支架有可能因發生共振而導致結構破壞，影響設備的結構穩定性。振動可能發生的位置位于支架的連接部位，可通過修改固定支架支柱與設備的連接方式，以及增加連接用固定墊片和連接螺釘數量，改變固定支架固有頻率的振動范圍，保證其工作的可靠性、穩定性和使用壽命。

由圖3中固定支架的4、5階振型可知，固定支架的最大變形發生在立柱及其與設備固定臺面的連接位置，原因在于該處位置為固定立柱與設備床身的接合位置，承擔整個物料抓取機構的固定，需要進行連接方式的改進以增加強度，橫梁位置發生的振動變形較小，對設備的運行及打標精度幾乎沒有影響，可以忽略不計。

2 ?約束狀態下模態分析

前述對全自動激光打標機固定支架在自由狀態下的模態分析，主要研究固定支架處于靜止狀態時自身結構的振動情況，與激光打標機工作狀態時固定支架的固有頻率無關，僅可作為固定支架約束狀態下振動研究的對比參考。因此，針對激光打標機固定支架的工作狀態下的振動分析，需根據固定支架在設備中的動作情況，對其施加必要的約束后進行模態分析。

針對固定支架自由狀態下模態分析的結果，對支架兩側的立柱及其連接方式進行改進，增加固定墊片以增加接觸面，提升連接的可靠性和剛性。在此基礎上，對固定支架施加約束對其進行約束狀態下的模態分析。其中，除了約束設置外，固定支架有限元模型構件的參數與自由狀態下的完全一致。

根據固定支架在設備中的位置和作用，設定固定支架兩側立柱的底部為約束端，以此完成固定支架約束狀態下的有限元模型構建，具體模型如圖3所示。

對全自動激光打標機的固定支架進行約束狀態下的有限元模態分析，得到如表2所示的前5階固有頻率和振動狀態，其變形位置主要位于固定支架橫梁，以及如圖4所示的前5階振型圖。

由表2可知，固定支架在約束狀態下的第2階振動頻率與設備中步進電機的工作效率接近，設備運行中固定支架有可能產生共振，導致支架抖動甚至影響設備的工作精度。第4、5階振動頻率有可能導致固定支架的嚴重變形，產生該現象的原因主要在于橫梁與立柱的厚度尺寸過渡不均衡，有必要對此結構進行改進。

由圖4的前2階振型圖看出，雖然其固有頻率接近于設備的固有頻率，但該部件的變形主要在于橫梁的微量延伸與壓縮，對其上物料抓取機構的直線運動不會造成影響，無須對此進行深入研究;第3階振型主要是橫梁下側與物料抓取機構的滾輪接觸段的彎曲變形，但由于滾輪的主要作用是對移動中的物料抓取機構輔助支承作用，橫梁底部的微量彎曲不會影響物料抓取機構運動軌跡的直線度，可忽略不計。第4、5階振型主要發生在橫梁上部，從振型圖中看物料抓取機構的直線導軌已發生嚴重變形，若在工作過程中發生這兩種固有頻率的振動，會直接影響物料抓取機構的運動直線度，導致抓取機械手不能精準的抓取或放置集成電路，造成設備的工作故障。因此在設備的研發過程中需要注意避免選擇與這兩種頻率接近的電氣元件，以免因振動而造成不必要的損失。

3 ?結語

本文對全自動激光打標機的固定支架進行自由狀態下的模態分析，發現固定支架兩側立柱因連接關系而容易產生振動破壞，通過改進立柱底部的結構增進其連接結構的強度、剛度和可靠性。對全自動激光打標機的固定支架進行約束狀態下的模態分析，發現該部件在工作過程中橫梁零件產生振動變形的可能性較大，且由于變形方向的原因會嚴重影響其末端物料抓取機構運動的直線度，進而影響激光打標進程中集成電路搬送的精度，有必要對該零件的結構布局進一步的開展研究，以此提高全自動激光打標機的工作精度和綜合性能，也為該款設備中其他關鍵零部件的性能分析和優化改進奠定了一定的理論和實踐基礎。

參考文獻：

[1]王向克，劉力，張洪濤.變壓器中性點接地保護裝置底座有限元模態分析[J].機械工程與自動化，2019（4）：81-83.

[2]任聲泰，王伯銘.懸掛式單軌車輛轉向架構架振動模態分析[J].機械工程與自動化，2019（12）：60-62.

[3]康鵬桂，彭善飛，周克媛.護套線剝線機雙頭滾珠絲杠靜力學及模態分析[J].北京工業職業技術學院學報，2019（10）：17-20.

[4]焦國敏，李俊剛，閡超.基于SolidWorks的汽車起重機臂架靜態與模態仿真分析[J].北京工業職業技術學院學報，2019（12）：116-117.

[5]寧廷州，馬時凱，侯書林.基于SolidWorks Simulation的生物質蜂窩煤成型試驗裝置有限元分析[J].重慶科技學院學報（自然科學版），2019（8）：108-111.

基金項目：2019年江陰職業技術學院大學生科研基金項目“全自動激光打標機關鍵機構的設計與優化”（XJ2019DXS001）;2019年全國大學生科研項目“全自動激光打標機關鍵機構的設計與優化”（2019QDS054）;2019年江蘇省大學生創新創業訓練項目“全自動封裝芯片激光打標機的研制與市場推廣”（201913137027T）。

作者簡介：孫移（1976-），男，江蘇江陰人，碩士，江陰職業技術學院副教授，研究方向為虛擬制造、機電控制。