全自動激光去溢料機移動支架振動分析

周 琦

（江陰職業技術學院 機電工程系，江蘇 江陰 214405）

0 引言

隨著計算機仿真技術的高速發展和廣泛應用，采用虛擬樣機技術對全自動激光去溢料機及其關鍵零部件進行運動仿真和有限元分析，能夠有效保證零部件設計的準確性和效率，已成為一種較為普遍應用的現代機械設計方法。

激光切割作為激光加工技術中的一種重要應用技術，運用于集成電路芯片封裝生產中的管腳溢料去除，相較于傳統的模具沖裁和高壓水噴淋技術，具有溢料去除率高、去除工藝簡單和去溢料后芯片品質好等顯著特點。項目組研發的全自動激光去溢料機，針對集成電路發展的小型化、多排和超薄等特點，采用激光切割技術實現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，大大提高了產品品質和生產效率。

全自動激光去溢料機中的物料抓取機構在進行集成電路板輸送的很短時間內，移動支架及其上的抓取機械手以極快的速度往返于料包和物料傳輸機構之間，導致移動支架在很短的時間內承受了力的快速施加和撤銷，導致了移動支架對于這段動作時間的一個沖擊載荷響應，為保證物料抓取機構運行的穩定性和準確性，有必要對移動支架部件進行有限元仿真研究。

由于振動與移動支架本身的振動頻率有關，在進行振動研究前需進行自有頻率的分析。本文針對移動支架部件在運行過程中承受沖擊載荷的情況，利用SolidWorks軟件對其進行頻率分析及振動分析，以保證移動支架使用的穩定性。

1 移動支架的模態分析

在SolidWorks軟件中，點擊打開simulation菜單，在算例顧問菜單中選擇“新建”→“頻率”，建立連接件零件的模態分析算例，具體有限元參數設置如下：

（1）根據設計要求，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，屈服強度σs=110MPa；

（2）根據移動支架在物料抓取機構中的位置與作用，選擇支架左側上端導軌槽和下端輔助支撐滾輪為約束位置；

（3）劃分網格，連接件零件的網格劃分采用自由網格形式，且允許網格自由過渡，劃分網格后的連接件有限元模型單元數為113463個，自由度數為數為517173，節點數為172994。網格劃分后的連接件零件有限元模型如圖1所示。

圖1 移動支架有限元模型

在完成上面步驟的操作后，實現了對移動支架的有限元模型構建，點擊“運行”系統自動進行有限元分析與計算，得到了表1所示的移動支架的前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所示為移動支架部件的前5階固有頻率和振型，從表中可以看出移動支架的共振變形主要發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，其主要原因在于連接板支架的約束部位較遠，在工作過程中懸空且承受抓取機械手的重量和運動引起的動載荷，有必要對該部件在模態分析的基礎上進行振動分析。且共振頻率較設備中電機等驅動元件的工作頻率較為接近，有必要對其展開詳細的研究。

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

圖2 移動支架第1-5階振型

2 移動支架的震動分析

在前述頻率分析的基礎上，對移動支架部件開展震動研究，建立如圖3所示的有限元模型。其中，為了能夠在Simulation中模擬移動支架在很短時間內承受的力的快速施加與撤銷，震動分析參數的設置如下：在0秒的時候，移動支架因步進電機的快速啟動承受87N的最大載荷，該載荷在持續了0.3895秒后從第0.4秒開始撤銷，一直持續到第3秒不再承受任何載荷，從第2秒開始又承受反向的最大載荷，持續時間依舊為0.3895秒，從第3.4秒開始至第4.5秒安全撤銷載荷，具體物料抓取機構動作過程中移動支架所受載荷隨時間變化的曲線如圖4所示。

圖3 移動支架有限元模型

移動支架受到沖擊載荷后產生的振動響應，會由于空氣和材料阻尼等因素的影響逐漸停止，在機構的下一個動作周期開始前恢復原來的靜止狀態，因此，為確保本次仿真結果的準確性，設置移動支架振動從開始到靜止所花費的時間，通過計算本次研究設定為0.78s。

通過軟件的自動運算，得到如圖5所示的響應結果，即移動支架的連接平板部分因抓取機械手動作而上下擺動的位移情況。

由圖可以看出，移動支架發生振動時的最大應力發生在連接板與支架本體連接的位置，其值為0.807MPa，與6061鋁合金的許用應力值相比，遠遠滿足使用要求；最大位移發生在連接板的末端，其值為8.185×10-3mm，相對于設備0.01mm的精度而言，能夠滿足其使用要求，最大應變發生的位置與最大應力位置一致，說明連接板發生振動時，該處位置發生變形或破壞的可能性較高，可以考慮增設加強助力或增大拐角半徑以避免應力集中現象的產生。

圖4 力隨時間變化曲線

圖6所示的響應圖清晰的表達了移動支架連接平板在抓取機械手動作過程中的振動情況。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生了振動，在初始的前0.4s時間內，連接板產生了0.0009mm的振動，幅度由0.0002mm的區間逐漸縮減至0.00005mm，0.4s之后振動快速減少至0.0001mm以內，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生的振動最大值為0.0009mm，而物料抓取機構中機械手的工作定位精度為0.05mm，對激光去溢料機的物料抓取動作精度不會產生較大的影響，項目組設計的抓取機構移動支架具有較好的動作特性和強度，能夠滿足激光去溢料設備的使用要求。

3 結語

圖5 移動支架震動分析

圖6 移動支架連接平板擺動位移圖

本文對全自動激光去溢料機中物料抓取機械手的移動支架部件，使用SolidWorks軟件中的motion模塊對該部件進行運動仿真，模擬部件在機構運動中的動作情況，以此驗證機構設計的準確性。通過Simulation模塊對部件中的連接板進行有限元震動分析，研究移動支架的連接板在突變載荷作用下產生的震動情況，發現移動支架產生的最大震動位移為0.0009mm，并逐漸減弱對機構的動作情況和精度不會產生影響。通過使用SolidWorks軟件開展全自動激光去溢料機的設計，有效地縮短了研發周期，保障了設計結果的可行性和準確性。