基于Solidworks Simulation焊線機(jī)平臺頻率分析優(yōu)化設(shè)計

葉國能，梁榮輝

（廣東科杰機(jī)械自動化有限公司，廣東江門 529000）

0 引言

現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，提高產(chǎn)品質(zhì)量和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，成為決定企業(yè)成敗興衰的關(guān)鍵問題。LED焊線機(jī)是高速、高精度半導(dǎo)體封裝設(shè)備，高加速度運(yùn)動平臺容易出現(xiàn)噪聲和振動。其運(yùn)動部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計非常關(guān)鍵。

固有頻率是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析方法得到結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，就可以得到結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實際振動響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計的重要方法[1]。

解耦板是焊線機(jī)高加速度運(yùn)動平臺的最關(guān)鍵的運(yùn)動部件，其性能直接影響焊線機(jī)的焊線速度和焊線品質(zhì)。同時，對其質(zhì)量也有一定的要求。傳統(tǒng)的設(shè)計是在CAD中建立模型，依靠工程師的經(jīng)驗進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，一般流程為設(shè)計、校核、再設(shè)計、再校核的反復(fù)設(shè)計及改進(jìn)過程，開發(fā)周期長。

本文利用Solidworks Simulation頻率分析軟件對LED焊線機(jī)高加速度運(yùn)動平臺的解耦板進(jìn)行模態(tài)分析，并與原結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，找出設(shè)計上的不足，之后對其結(jié)構(gòu)及質(zhì)量分布進(jìn)行了改進(jìn)，建立解耦板最終優(yōu)化模型，有助于縮短開發(fā)周期。

1 固有頻率

物體作自由振動時，其位移隨時間按正弦規(guī)律變化，又稱為簡諧振動。簡諧振動的振幅及初相位與振動的初始條件有關(guān)，振動的周期或頻率與初始條件無關(guān)，而與系統(tǒng)的固有特性有關(guān)，稱為固有頻率或者固有周期。固有頻率其實是物體的一種震動時才能體現(xiàn)的特性，在震動時才能表現(xiàn)出來，即：每個物體在有規(guī)律的震動時候，頻率都是一定的，反過來可以說，只有用一定頻率的動力才能使這個物體發(fā)生規(guī)律震動。每個物體在規(guī)律震動中獲得能被影響的震動的頻率是一定的，這個頻率就是這個物體的固定震動頻率[1]。

2 固有頻率影響因素

固有頻率是由物體的密度、外形等物理因素所決定的振動頻率。而施加外力使其振動的頻率叫策動頻率，屬于受迫振動。當(dāng)策動頻率等于固有頻率時，物體產(chǎn)生共振，到達(dá)最大振幅，可能對物體造成損害。特體頻率與其硬度、質(zhì)量、外形尺寸有關(guān)，當(dāng)其發(fā)生形變時，彈力使其恢復(fù)。彈力主要與尺寸和硬度有關(guān)，質(zhì)量影響其加速度。同樣外形時，硬度高的頻率高，質(zhì)量大的頻率低。但要注意：質(zhì)量大、頻率低，只是針對一種材料在各力學(xué)性能大致一樣的情況下的。另一方面，在相同外形的情況下，材質(zhì)會起決定性的作用，更改材質(zhì)，力學(xué)性能會也隨之改變，會出現(xiàn)質(zhì)量和硬度都會發(fā)生變化，這就可能會出現(xiàn)質(zhì)量大的頻率也大（例如：材質(zhì)用鋁和鋼的區(qū)別）[2]，也可能會出現(xiàn)質(zhì)量輕了，但頻率基本不變（例如：材質(zhì)用鈦和鋼的區(qū)別）。

彈簧的固有頻率：

式中：m為彈簧質(zhì)量；k為彈簧剛度。

3 焊線機(jī)平臺解耦板設(shè)計

首套焊線機(jī)XY平臺如圖1所示，采取了比較保守的設(shè)計方法。首套平臺沒有出現(xiàn)剛性不足的問題，而其主要缺點(diǎn)是：（1）運(yùn)動部件質(zhì)量太大，在平臺音圈電機(jī)推力不變的情況下，根據(jù)F＝ma，平臺加速度達(dá)不到設(shè)計要求；（2）解耦板跨度不夠，電機(jī)磁力對兩邊導(dǎo)軌滑塊的影響，需增加解耦板跨度。

圖1 首套XY平臺

第二套焊線機(jī)平臺如圖2所示，在減輕三軸質(zhì)量的同時，將Y軸跨度加寬，目的是減少電機(jī)磁力對兩邊導(dǎo)軌滑塊的影響。通過FRF頻率分析，發(fā)現(xiàn)解耦板固有頻率只有首套解耦板的1/2，因此，Y軸比例增益超過80時，頻域的裕度已接近飽和，加速度調(diào)不上去[3]。

圖2 第二套平臺（減重設(shè)計）

為了減少反復(fù)設(shè)計的過程，借助Solidworks Simula?tion頻率分析軟件進(jìn)行設(shè)計，也跟首套平臺進(jìn)行了數(shù)據(jù)對比，如表1所示。優(yōu)化解耦板，既解決了首套平臺的問題，也沒有出現(xiàn)優(yōu)化前的共振問題，如圖3所示。

圖3 第二套平臺（解耦板優(yōu)化設(shè)計后）

表1 各平臺Y軸解耦板零件對照表

由表可見，第二套平臺借助Solidworks Simulation頻率分析優(yōu)化設(shè)計后，各個零件既減輕了質(zhì)量，又提高了固有頻率。

4 焊線機(jī)平臺解耦板優(yōu)化設(shè)計

圖4所示為第二套平臺解耦板初始設(shè)計。Y軸解耦板與Y軸電機(jī)連接，將電機(jī)運(yùn)動經(jīng)解耦導(dǎo)軌傳遞給鞍座，從而完成焊線機(jī)Y軸的動作。在調(diào)試時，Y軸在11g加速度時，5 mm的最少單步時間是17 ms，頻率約59 Hz，這個動作所產(chǎn)生的頻率是比較低的。但Y軸運(yùn)動是經(jīng)解耦導(dǎo)軌傳遞，由于高速往復(fù)運(yùn)動，使得導(dǎo)軌內(nèi)部產(chǎn)生振動，雖然并沒有測出導(dǎo)軌所產(chǎn)生的振動頻率，經(jīng)過上述第二套平臺的經(jīng)驗，在Y軸進(jìn)行8.5g加速度作5 mm間隔高速定位運(yùn)動時，導(dǎo)軌的振動頻率不低于550 Hz[4]。

圖4 第二套平臺解耦板初始設(shè)計

解耦板A的固有頻率為550 Hz，質(zhì)量為633 g。由于在電機(jī)調(diào)試中，Y軸在8.5g的加速度下，作5 mm定位高速運(yùn)動時，定位時間為21 ms，且振動明顯。

根據(jù)以上情況，需要對解耦板A位置進(jìn)行修改，以提高固有頻率，但由于電機(jī)推力的問題，所以質(zhì)量不能提高太多。第一步，先通過Simulation對解耦板進(jìn)行頻率分析，結(jié)果如圖5所示[5]。從圖中可以看出，在自由狀態(tài)下，零件的第7階頻率是此零件的固有頻率，從動畫可以看到，此頻率下的振型是兩連接臂上下擺動，而只要可以抑制這種擺動，就可以有效提高零件的頻率。如圖5的A位，只要提高這個位置的剛性，就可以有效抑制兩連接臂的上下擺動。通過多次試驗，最終將這部分改為如圖6所示的形式，將由中間加固形式改為底面封閉加固形式。

圖5 初始設(shè)計分析結(jié)果

圖6 第一步修改

分析結(jié)果如圖7所示，同樣振型的情況下，零件頻率已提高到808 Hz，質(zhì)量693 g。但現(xiàn)在零件的最低頻率變?yōu)榱?96 Hz，振型為零件兩臂左右擺動。從振型的變形情況可以看出，兩臂中間的位置最為薄弱，所以，第二步修改則須要對兩臂中間位進(jìn)行加固，如圖4的B處[6]。

圖7 第一步修改后（第7階頻率）

圖8 第一步修改后（第8階頻率）

修改后如圖9所示，在兩臂中間位下方封閉起來，從而抑制了兩臂的變形。第二次修改后的頻率分析如圖10～11所示，從中可以看出，第7階頻率已提高為759 Hz，質(zhì)量為720 g，已基本達(dá)到要求，已將頻率提高了1/2，但質(zhì)量只是小幅提升。但從目前振型來看，還是兩臂左右擺動，若要將頻率再提高，則必須再減小兩臂左右擺動的形變。由此，可以進(jìn)行第三次修改，將兩臂根部加上三角斜位，如圖4的C處，旨在加強(qiáng)兩臂根部的剛度，減小兩臂的擺動[7－8]。

圖9 第二次修改

圖10 第二次修改（第7階頻率）

第三次修改后如圖12所示，兩邊深色橢圓部分。

圖12 第三次修改

圖11 第二次修改（第7階頻率）

第三次修改后的頻率分析圖如圖13所示，零件第8階頻率為903 Hz，振型為兩邊左右擺動，即經(jīng)過2次改動后，振型一樣的振動頻率已由596 Hz提高到903 Hz。而現(xiàn)時零件的第7階頻率（即固有頻率）為884 Hz，振型已加到第一次分析的兩臂上下擺動，但頻率已由第一次的550 Hz升到第二次的808 Hz，再升到第三次的884 Hz，而質(zhì)量則由663 g升到771 g。

圖13 第三次修改（第7階頻率）

圖14 第三次修改（第8階頻率）

在經(jīng)過3次小修改后，解耦板的固有頻率已大幅提高了60%，但質(zhì)量只是增加了1/6。這3次修改，雖然只是小幅改動，但中間還是經(jīng)過多次Solidworks Simulation頻率分析，以及多次加固位的尺寸與對應(yīng)的頻率增減情況，在質(zhì)量及頻率增加量之間找到一個最為合適的值。

在上機(jī)安裝后，通過進(jìn)行FRF頻率分析，采用自激勵方法。試驗?zāi)B(tài)分析是對結(jié)構(gòu)物施加一定動態(tài)激勵，采集各點(diǎn)的振動響應(yīng)信號及激振力信號，根據(jù)力及響應(yīng)信號，用各種參數(shù)識別方法獲取模態(tài)振型[9]。

分析后發(fā)現(xiàn)比例增益達(dá)到140時，仍然有充足的頻域裕度，如圖15所示。Y軸已可以將加速度提升至11g，且并沒有出現(xiàn)之前的超調(diào)和共振情況。

圖15 FRF頻率分析圖

4 結(jié)束語

通過應(yīng)用Solidworks Simulation軟件對焊線機(jī)解耦板進(jìn)行頻率分析，從其固有頻率和模態(tài)振型，可以得到以下結(jié)論：焊線機(jī)解耦板固有頻率和模態(tài)振型取決于其外形結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化前，解耦板質(zhì)量為633 g，固有頻率為550 Hz，焊線機(jī)平臺加速度調(diào)至8g時，出現(xiàn)噪聲和振動現(xiàn)象。針對解耦板的固有頻率和模態(tài)振型，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后解耦板質(zhì)量為773 g，固有頻率為884 Hz，焊線機(jī)平臺加速度提升至11g。運(yùn)用Solidworks Simulation軟件進(jìn)行頻率分析，提高了設(shè)計效率，對設(shè)計工作具有一定的指導(dǎo)意義。