全自動激光去溢料機移動支架振動分析

周 琦

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，江蘇 江陰 214405）

0 引言

隨著計算機仿真技術(shù)的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，采用虛擬樣機技術(shù)對全自動激光去溢料機及其關(guān)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(shè)計的準(zhǔn)確性和效率，已成為一種較為普遍應(yīng)用的現(xiàn)代機械設(shè)計方法。

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

全自動激光去溢料機中的物料抓取機構(gòu)在進行集成電路板輸送的很短時間內(nèi)，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(gòu)之間，導(dǎo)致移動支架在很短的時間內(nèi)承受了力的快速施加和撤銷，導(dǎo)致了移動支架對于這段動作時間的一個沖擊載荷響應(yīng)，為保證物料抓取機構(gòu)運行的穩(wěn)定性和準(zhǔn)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(guān)，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(wěn)定性。

1 移動支架的模態(tài)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(tài)分析算例，具體有限元參數(shù)設(shè)置如下：

（1）根據(jù)設(shè)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(dǎo)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(jù)移動支架在物料抓取機構(gòu)中的位置與作用，選擇支架左側(cè)上端導(dǎo)軌槽和下端輔助支撐滾輪為約束位置；

（3）劃分網(wǎng)格，連接件零件的網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格形式，且允許網(wǎng)格自由過渡，劃分網(wǎng)格后的連接件有限元模型單元數(shù)為113463個，自由度數(shù)為數(shù)為517173，節(jié)點數(shù)為172994。網(wǎng)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(xiàn)了對移動支架的有限元模型構(gòu)建，點擊“運行”系統(tǒng)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(fā)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(zhuǎn)，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(tài)分析的基礎(chǔ)上進行振動分析。且共振頻率較設(shè)備中電機等驅(qū)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(fā)生共振現(xiàn)象，且變形狀態(tài)為部件中連接板的上翹，發(fā)生末端物料抓取機械手的卡爪左右高度不平衡的現(xiàn)象，導(dǎo)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(chǎn)生；第2階振型導(dǎo)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(dǎo)致了連接板的上下彎曲變形，與前述第1階振型的變形結(jié)果一致，也會導(dǎo)致末端抓取機械手的抓取精度降低和穩(wěn)定性變差，必須避免。但考慮到產(chǎn)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(fā)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(chǔ)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(nèi)承受的力的快速施加與撤銷，震動分析參數(shù)的設(shè)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(xù)了0.3895秒后從第0.4秒開始撤銷，一直持續(xù)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(xù)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(gòu)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?jīng)_擊載荷后產(chǎn)生的振動響應(yīng)，會由于空氣和材料阻尼等因素的影響逐漸停止，在機構(gòu)的下一個動作周期開始前恢復(fù)原來的靜止?fàn)顟B(tài)，因此，為確保本次仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)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(shè)定為0.78s。

通過軟件的自動運算，得到如圖5所示的響應(yīng)結(jié)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(fā)生振動時的最大應(yīng)力發(fā)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(yīng)力值相比，遠遠滿足使用要求；最大位移發(fā)生在連接板的末端，其值為8.185×10-3mm，相對于設(shè)備0.01mm的精度而言，能夠滿足其使用要求，最大應(yīng)變發(fā)生的位置與最大應(yīng)力位置一致，說明連接板發(fā)生振動時，該處位置發(fā)生變形或破壞的可能性較高，可以考慮增設(shè)加強助力或增大拐角半徑以避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖4 力隨時間變化曲線

圖6所示的響應(yīng)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(chǎn)生了振動，在初始的前0.4s時間內(nèi)，連接板產(chǎn)生了0.0009mm的振動，幅度由0.0002mm的區(qū)間逐漸縮減至0.00005mm，0.4s之后振動快速減少至0.0001mm以內(nèi)，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(chǎn)生的振動最大值為0.0009mm，而物料抓取機構(gòu)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(chǎn)生較大的影響，項目組設(shè)計的抓取機構(gòu)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(shè)備的使用要求。

3 結(jié)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(gòu)運動中的動作情況，以此驗證機構(gòu)設(shè)計的準(zhǔn)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(chǎn)生的震動情況，發(fā)現(xiàn)移動支架產(chǎn)生的最大震動位移為0.0009mm，并逐漸減弱對機構(gòu)的動作情況和精度不會產(chǎn)生影響。通過使用SolidWorks軟件開展全自動激光去溢料機的設(shè)計，有效地縮短了研發(fā)周期，保障了設(shè)計結(jié)果的可行性和準(zhǔn)確性。