自動(dòng)顯微鏡電機(jī)支座分析與系統(tǒng)仿真

楊易明，張彬

（200093上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

目前在科研和生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)中，經(jīng)常要用到顯微鏡來(lái)觀察、采集樣品上的微小結(jié)構(gòu)圖像。比如，冶金工業(yè)中的金相結(jié)構(gòu)觀察、醫(yī)療衛(wèi)生中的血液化驗(yàn)、機(jī)械工業(yè)中的表面粗糙度的觀察等[1]。以往的做法是由操作者旋動(dòng)手動(dòng)旋鈕調(diào)節(jié)平臺(tái)來(lái)搜索視場(chǎng)和聚焦，并通過(guò)光學(xué)照相機(jī)照相獲取視場(chǎng)圖像[2]，這種人工調(diào)節(jié)缺乏準(zhǔn)確性，并且耗時(shí)耗力。目前，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上均已出現(xiàn)自動(dòng)化程度很高的顯微鏡調(diào)焦系統(tǒng)[3]，但是價(jià)格普遍很高，性?xún)r(jià)比較低。

本文設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)化光學(xué)顯微鏡載物平臺(tái)，以其中的電機(jī)支座為研究對(duì)象，利用有限元分析其受力情況，通過(guò)Simulate模塊進(jìn)行靜態(tài)分析、模態(tài)分析、全局靈敏度分析，進(jìn)一步剖析其結(jié)構(gòu)屬性。然后使用Mechanism模塊，對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，保證各個(gè)機(jī)構(gòu)之間互不干擾，平穩(wěn)運(yùn)行。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在日常使用中，為了使操作者能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地觀察到樣品，需要顯微鏡載物平臺(tái)平穩(wěn)運(yùn)行。顯微鏡載物臺(tái)在找尋目標(biāo)時(shí)，定位精度和運(yùn)動(dòng)控制都需要很高的精度，使得操作者在觀察樣品載玻片時(shí)不必再調(diào)整旋鈕，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，直接利用電機(jī)精確控制載物平臺(tái)的移動(dòng)[4]，保證能觀察到精確的區(qū)域，因此，本文設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)化載物平臺(tái)，如圖1所示。

圖1 載物平臺(tái)三維模型Fig.1 3D model of carrier platform

由于電機(jī)發(fā)熱量較大，所以電機(jī)要安裝在開(kāi)放的環(huán)境內(nèi)，有助于散熱，另外電機(jī)運(yùn)行時(shí)要穩(wěn)定牢靠，不能發(fā)生晃動(dòng)，否則會(huì)損害電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如圖2所示，設(shè)計(jì)了一種電機(jī)支座用以固定電機(jī)，然后對(duì)其進(jìn)行分析仿真。

圖2 電機(jī)支座Fig.2 Motor support

2 靜態(tài)分析

Creo/Simulate是集靜態(tài)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析于一體的有限元分析模塊，能夠模擬真實(shí)環(huán)境，為模型施加約束和載荷[5]，測(cè)量模型的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等參數(shù)。

2.1 材料定義

本文設(shè)計(jì)的電機(jī)支架安裝于顯微鏡上，以起到自動(dòng)化調(diào)節(jié)的作用，需要滿足體積小、質(zhì)量輕、精度高等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出來(lái)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故選用3D打印的方式制造，以滿足這些特點(diǎn)。因此，在分析時(shí)，在材料目錄中選擇3D打印材料PLA，然后定義PLA材料屬性，參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 PLA材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of PLA

2.2 約束定義

為了分析電機(jī)支座有載時(shí)靜態(tài)的受力狀況，需要在Simulate模塊中對(duì)電機(jī)支座與載物臺(tái)的接觸位置進(jìn)行平面約束。約束設(shè)置如圖3所示。

圖3 定義約束Fig.3 Define the constraints

2.3 載荷定義

在Creo Parametric 3.0中載荷類(lèi)型主要包括力/力矩、壓力、重力、離心力以及全局溫度載荷。通過(guò)分析，電機(jī)固定座受到電機(jī)重力和轉(zhuǎn)軸傳遞的扭矩，大小分別為0.05 N和14 N·mm。載荷設(shè)置如圖4所示。

圖4 定義載荷Fig.4 Define the load

2.4 靜態(tài)分析

Simulate模塊會(huì)將前面定義的材料、約束、載荷添加到模型屬性中去。定義靜態(tài)分析時(shí)，在電機(jī)位置施加力，輸出為應(yīng)力、旋轉(zhuǎn)、反作用力，網(wǎng)絡(luò)柵格數(shù)設(shè)定為4個(gè)，如圖5所示，分析結(jié)果如圖6、圖7所示。

表2 靜態(tài)分析數(shù)據(jù)Tab.2 Static analysis data

圖5 定義靜態(tài)分析Fig.5 Define static analysis

圖6 靜態(tài)分析位移云圖Fig.6 Displacement diagram of static analysis

圖7 靜態(tài)分析應(yīng)力云圖Fig.7 Stress diagram of static analysis

由表2可知，電機(jī)支座在承受最大極限載荷的情況下，深色區(qū)域相對(duì)于其它區(qū)域位移變形更大，承受應(yīng)力也是最大，在有載荷工作時(shí)深色區(qū)域更容易發(fā)生損壞。

3 模態(tài)分析

在工作時(shí)，伴隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)支座也會(huì)發(fā)生振動(dòng)，不同的轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生不同頻率，所以有必要對(duì)該模型進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)是指機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一階模態(tài)都具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型[6]。假設(shè)模式數(shù)為8種，模態(tài)頻率分別為1 060.85，1 637.97，1 990.07，2 753.43，3 386.73，3 734.46，3 866.06，3 929.03 Hz，輸出元素為應(yīng)力，結(jié)果如圖8所示。

如圖8所示，對(duì)于某階固有頻率，模態(tài)振型中深色區(qū)域是敏感部位，也是變形最大的位置，更改這些部位的物理參數(shù)，固有頻率將隨之改變。當(dāng)工作環(huán)境的頻率與模型的固有頻率相等或接近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振，此時(shí)對(duì)電機(jī)支座結(jié)構(gòu)造成的損傷最大，因此，模態(tài)分析可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振或以特定頻率進(jìn)行振動(dòng)。

圖8 模態(tài)分析應(yīng)力云圖Fig.8 Stress diagram of modal analysis

4 敏感度分析

敏感度分析(Sensitivity Analysis) 用于定性或定量地評(píng)價(jià)模型參數(shù)不確定性對(duì)模型結(jié)果產(chǎn)生的影響，包含模型輸出和模型自身性能的影響。敏感度分析可以分為局部敏感度分析和全局敏感度分析。局部敏感度分析只考察各個(gè)模型不確定輸入在局部范圍內(nèi)的小變化對(duì)模型結(jié)果的影響程度；全局敏感度分析則研究的是各個(gè)模型不確定輸入在其允許的變化范圍內(nèi)對(duì)模型結(jié)果的全局影響[7]。將筋板厚度作為變量，分析電機(jī)支座模型的最大應(yīng)力和最大位移的變化狀況，如圖9、圖10所示。

圖9 最大應(yīng)力敏感度分析Fig.9 Maximum stress sensitivity analysis

圖10 最大位移敏感分析Fig.10 Maximum displacement sensitivity analysis

通過(guò)對(duì)筋板厚度進(jìn)行全局敏感度分析發(fā)現(xiàn)，隨著筋板厚度越來(lái)越大，最大應(yīng)力值和最大位移量變得越來(lái)越小。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要著重考慮筋板厚度，從而達(dá)到全局最優(yōu)。

5 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析可以對(duì)設(shè)計(jì)方案中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行精確的分析與計(jì)算。利用運(yùn)動(dòng)仿真模塊對(duì)三維模型進(jìn)行仿真，檢查設(shè)計(jì)是否合理、可靠。基于動(dòng)力學(xué)仿真模塊，對(duì)實(shí)際機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的可視化數(shù)字建模，建立機(jī)械系統(tǒng)模型，對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，代替物理樣機(jī)的制作與試驗(yàn)，縮短了開(kāi)發(fā)周期、降低成本、提高效率也減少了人力資源的投入[8]。

5.1 定義伺服電機(jī)

如圖11所示，選取橫向運(yùn)動(dòng)電機(jī)的中心線，輸入電機(jī)轉(zhuǎn)速為40 (°)/s；同樣，定義縱向運(yùn)動(dòng)的電機(jī)屬性，電機(jī)轉(zhuǎn)速為30 (°)/s。以橫向運(yùn)動(dòng)的電機(jī)為例，輸出電機(jī)速度、加速度、位置變化曲線圖如圖12所示。

圖11 定義伺服電機(jī)Fig.11 Define servomotor

圖12 伺服電機(jī)參數(shù)變化Fig.12 Servomotor parameters change

5.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析仿真結(jié)果

首先定義機(jī)構(gòu)分析，如圖13所示，然后設(shè)定運(yùn)動(dòng)時(shí)間為20 s，通過(guò)仿真動(dòng)畫(huà)，了解機(jī)械系統(tǒng)各個(gè)零部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，查看零部件之間是否發(fā)生碰撞，然后測(cè)量整個(gè)裝置在空間內(nèi)的位置變化。選擇電機(jī)上一點(diǎn)PNT0作為測(cè)量點(diǎn)，繪制出測(cè)量結(jié)果并導(dǎo)出，如圖14所示。

圖13 定義機(jī)構(gòu)分析Fig.13 Definition mechanism analysis

圖14 點(diǎn)PNOT的位置測(cè)量Fig.14 Position measurement of point PNOT

通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析可以看出設(shè)計(jì)的機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與預(yù)期效果基本一致。隨著電機(jī)的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，整個(gè)載物平臺(tái)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地移動(dòng)，通過(guò)控制伺服電機(jī)，能夠使載物臺(tái)精確地移動(dòng)到預(yù)期位置，從而完成接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞著光學(xué)顯微鏡載物平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化移動(dòng)，針對(duì)電機(jī)支座結(jié)構(gòu)，利用Creo Parametic三維建模軟件繪制零部件模型，通過(guò)Simulate模塊進(jìn)行靜態(tài)分析、模態(tài)分析、全局靈敏度分析，得出了最大應(yīng)力和最大位移所在區(qū)域，通過(guò)Mechanism模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析仿真，保證各結(jié)構(gòu)之間能夠穩(wěn)定運(yùn)行，整體結(jié)構(gòu)牢固可靠。

該顯微鏡載物臺(tái)在找尋目標(biāo)時(shí)，定位精度和運(yùn)動(dòng)控制的精度方面得到了完善，操作者在觀察樣品載玻片時(shí)不必再調(diào)整旋鈕，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，適應(yīng)各種工作環(huán)境，具有潛在的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用前景廣泛。