激光去溢料機推送機構的有限元模態分析

周 琦

（江陰職業技術學院 機電工程系，江蘇 江陰 214405）

0 引言

隨著人們對產品智能化的要求和芯片制造技術的飛速發展，集成電路芯片在機械、汽車和家電等制造領域的需求和使用越來越廣泛，成為不可或缺的核心電子元件。在集成芯片制造的末道封裝工藝中，管腳產生的溢料去除工藝，對芯片制造的外觀質量具有重要作用，而芯片小型化的趨勢使傳統去溢料設備無法滿足使用要求，企業亟需一種新型的去溢料設備來提升芯片生產品質和效率。課題組研發的全自動激光去溢料機，能夠對封裝后的集成芯片管腳等處溢料進行快速、精準和有效的切割，實現了芯片封裝工藝中的零溢料，大大提高了集成芯片的產品品質和生產效率。

在Solidworks 軟件中進行全自動激光去溢料機的設計，除了完成零部件的虛擬造型和裝配，還可利用軟件的Simulation 插件功能對其關鍵執行機構進行有限元分析，模擬機構在設備運行過程中的運動和受力情況，研究其在共振、疲勞、屈曲和諧響應等情況下的變形，以此發現機構設計中可能存在的問題或缺陷[1]，并通過有效的方法對其結構進行改進或優化，使之能夠符合預期設計目標和要求，有效提升了關鍵執行機構設計的準確性和可靠性，大大縮短了設備的研發周期和成本。

針對全自動激光去溢料機中物料推送機構的結構、組成和運動過程研究，對其分別進行自由和約束狀態下的有限元模態分析，以此驗證機構設計的準確性和合理性。

1 物料推送機構簡介

如圖1 所示，推送機構是全自動激光去溢料機中將坯料準確推送至對應輸送帶的關鍵機構，為后續抓取機械手的物料抓取定位做好前道工序準備。推送機構由移動軸承座、光軸、頂板、支撐板、頂桿和氣缸等構件組成，安裝在軸上的移動軸承由步進電機驅動并通過兩個位置傳感器按照設定的距離往復運動，帶動連接在其上的氣缸和推桿組件做同樣的運動，到達預定位置時推桿由氣缸驅動將集成芯片推送至對應的輸送帶，并通過推桿末端的傳感器檢測動作是否到位，完成物料的精準推送。機構中軸承和光軸的制造材料為AISI1020鋼，其余構件的制造材料均為6061 鋁合金，構件間通過螺栓聯接實現定位和固定。

圖1 物料推送機構

2 自由狀態下模態分析

為全面研究推送機構在激光去溢料機工作時的振動變形，可先對推送機構進行自由狀態下的模態分析，研究機構在設備處于靜態時的自由振動變形，以此為參考研究其在工作時的振動變形[2]。具體操作時在進入Simulation 插件中的“頻率”功能后，無需對機構設定任何約束，直接選定機構中光軸和軸承的材料為AISI1020鋼，其余零件的材料為6061 鋁合金后即可進行網格劃分，劃分網格后的推送機構有限元模型單元數為50836，自由度數為248706，節點數為82902。點擊“運行”后軟件自動完成機構的模態有限元計算，得到了推送機構的前5階固有頻率和振型特征如表1 所列，第4、5 階振型云圖如圖2 所示。

表1 1～5 階固有頻率及振型

由表1 和圖2 可知，推送機構在自由狀態下的前3 階振型為剛體，機構中的零部件未發生任何變形，這里可不作研究[2]。當機器因周邊因素產生的靜態振動達到第4 階振動頻率時，推送機構中的氣缸、推桿左端和頂板右端將發生微量的變形，該變形對集成芯片模組的傳送精度影響可忽略不計，支撐架零件的末端繞Z 軸發生扭轉，使得機構對芯片模組的傳送位置發生變化，可考慮通過增加該零件的橫截面來提升其強度和剛度；第5階振型使推送機構中支撐光軸的左右連接板和頂板發生位移變形，左端由于距離支撐板較遠發生的變形量最大，且由于相互間的聯接和運動副關系，推桿也發生也相應的位移變形，這將使得輸送芯片模組的距離精度變差，影響機構運行的精確度，需考慮對機構的零部件進行一定的結構改進，在保證足夠剛度的前提下將左右連接板和頂板的厚度降低5%左右，同時通過增加支撐架10%左右的厚度來提升其結構強度和剛度，使之盡可能避免發生此類共振現象。

圖2 自由狀態下第4、5 階振型

3 約束狀態下模態分析

前述推送機構在自由狀態下的模態分析，通過對機構中頂板和支撐架零件的結構改進即可避免相應共振現象的發生，而對于推送機構在激光去溢料機工作時可能發生的共振，依據推送機構在設備中的位置關系和工作狀態添加約束，再次對該機構進行有限元模態分析[3]。具體分析過程首先以機構與設備聯接的支撐板側面設定固定端約束，其余材料設定、網格劃分與自由狀態下模態分析流程一致，點擊“運行”后軟件自動完成機構的模態有限元計算，得到了推送機構的前5 階固有頻率和振型特征如表2所列，前5 階振型云圖如圖3 所示。

表2 1～5 階固有頻率及振型

由表2 和圖3 可知，推送機構在全自動激光去溢料機工作狀態時可能發生破壞的頻率約在53～283Hz 之間，第1 階固有頻率與常用電器50Hz的工作頻率幾乎一致，需要特別注意該類振動可能對該機構產生的影響。推送機構第1 階振型產生的變形是推送端部件繞Z 軸扭轉，第2 階振型是推送端部件沿Y 軸正方向彎曲，第3 階振型則是推送端部件繞Y 軸扭轉，以上三種變形使推送機構的相對位置發生嚴重錯位，導致機構無法正常動作和準確輸送物料，其主要原因是由于推動機構須安裝在導軌上整體移動，無法進行頂板的及其連接件的兩端固定，導致左側伸出端的聯接剛度不足，對于此類振動變形可考慮適當增加頂板與支撐架之間的接觸面積，如將頂板右端的高度尺寸增加10%，將頂板設計成階梯結構并通過倒角圓滑過渡，以此提升機構伸出端在運行過程中的強度和剛度。

圖3 約束狀態下1～5 階振型

第4 階振型除了前述機構伸出端分別沿X、Y軸的扭轉和彎曲變形，支撐架零件沿Z 軸方向發生彎曲變形，考慮到機構的末端執行元件推送桿的動作過程，該變形對機構的正常工作影響不大，而推送桿末端是安裝傳感器，該位置的變形也不會影響機構的精度；第5 階振型導致推送桿末端的直線位移，與前述第四階振型一樣可忽略不計；雖然，在正常工作狀態下機器產生的振動達到表2 中第4、5階振型的概率微乎其微，但不排除因設備整體及工作環境的影響而產生綜合共振現象，因此，在激光去溢料機運行過程中仍需避免這兩種頻率的綜合振動發生。

4 結語

在SolidWorks 軟件中完成推送機構的虛擬造型和裝配設計，利用有限元方法對該機構進行自由和約束狀態下的模態分析，研究機構在激光去溢料機工作中可能產生的振動變形和共振頻率[4]，發現機構中最可能發生變形的是頂板和其左側連接板零件，通過分析這些零件的各階振動變形產生的原因及可能的后果，并有針對性得提出相應結構改進措施，從而達到提升推送機構工作的準確性和穩定性，有效避免共振現象發生的目的。

研究表明，在現代機械產品設計中，對按預定方案設計完成的關鍵運動機構進行有限元模態分析，對其可能產生共振的頻率及其振動變形進行研究，發現設計中存在問題或設計缺陷并加以改進或優化，能夠有效提高機構工作性能、產品設計的準確性和可靠性[5]。該方法也可用于自動化設備整機設計的合理性驗證與結構改進。