基于SolidWorks的激光去溢料機定位機構有限元分析

0 引言

隨著當前人們對產品智能化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，已成為各類產品中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，對芯片制造的外觀質量具有舉足輕重的作用，而芯片小型化的趨勢使傳統去溢料設備已無法滿足使用要求，企業亟需一款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，從而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，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定位機構的結構、組成和運動過程研究，完成機構的零件造型與虛擬裝配，并對該機構分別進行靜應力、疲勞和屈曲有限元分析，以此驗證機構設計的強度、剛度和穩定性。

傳統理念里，音樂課就是“唱歌課”，其實不然，唱歌只是音樂課的重要內容之一，而樂器的演奏也是音樂課的重頭戲。在現實生活中，我們常會看到有些學生唱歌唱得并不好，甚至聲音沙啞且音調不準，但他們奏出的樂曲卻鏗鏘有力，音域寬廣雄厚，基于這種原因，不愛唱歌而喜歡樂器的學生大有人在，音樂老師要就勢引導，巧用樂器讓學生感受音樂的異曲同工之妙，在演奏樂器的過程中享受音樂帶來的愉悅。

1 定位機構的造型設計

定位機構是全自動激光去溢料機中封裝后的集成芯片進行激光切割溢料時，實現芯片模組準確定位的裝置(圖1)。定位機構由定位架1、上連接板2、直線軸承3、下支撐板4、氣缸底座5、氣缸6和光軸7組成，各構件通過螺栓聯接實現定位和固定，氣缸6的上下運動帶動上連接板2及定位架1上下移動，將芯片模組推入預設位置進行溢料切割，重復上述操作過程。其中，上連接板2與下支撐板4間的直線運動使用了6根光軸7作為輔助支撐，并通過配套的直線軸承3保證運動平穩可靠。

前述靜態應力分析結果的基礎上，在Simulation插件模塊中選擇“疲勞”算例進行機構的疲勞分析，由于合金鋼材料的疲勞壽命遠高于6061鋁合金材料，本次研究以6061鋁合金的抗拉強度來定義疲勞S-N曲線(圖4所示)，依據定位機構往復循環運行的工作特點定義本次分析事件類型為恒定循環，機構的承載部位及大小與靜應力分析一致可直接與之關聯復制，事件中的循環周期選擇1000次，負載類型為完全反轉(即LR=-1)，恒定振幅事件的交互作用設置為隨意交互作用，分析計算交替應力的手段為對等應力(von Mises)

。運行算例，得到定位機構的有限元疲勞分析的損壞百分比和生命總數圖，具體如圖5所示。

圖5(a)中可以看出，定位機構在正常工作狀態下經過1000次承載循環后，其損壞百分比最大值發生在定位架零件左側伸出端與零件主體的結合部，其最大的值為0.2972，機構其余零部件的損壞百分比均為0.1000，與前述靜應力的分析結果一致，應通過增大5%的定位架伸出端厚度尺寸，或采用120°鈍角過渡的方法來提高定位架零件的強度、剛度和疲勞壽命。由(b)中可以看出，定位機構的整體生命周期均為106次，遠大于設計方案預定的循環次數105次，故此處定位機構的整體結構滿足n=105次條件下的疲勞強度要求。綜合圖5分析可知，定位機構中除標準件外采用6061鋁合金設計機構零部件，除定位架外其中任何零件發生疲勞破壞的概率可忽略不計，該定位機構的結構設計總體是安全的。

2 定位機構的靜力學分析

由圖3(a)中危險截面的最大應力探測可知，定位機構的最大應力值為54.39MPa，發生在定位架左側伸出端與零件主體的結合部，最大應力遠小于6061鋁合金的屈服應力。該處產生最大應力是由于應力集中所引起的，受到全自動激光去溢料機中定位物料的尺寸影響，可通過增大定位架伸出端厚度尺寸及采用120°大角度過渡的方法，減輕應力集中的影響。由(b)圖可知，定位機構中上連接板和定位架零件在工作載荷下均發生了一定的位移變形，機構的最大位移可能發生在定位架兩側伸出端的末端位置，形式為沿Z軸正方向的彎曲，對危險截面的最大位移探測可知其位移變形最大值為0.3124mm，結合機構設計精度分析該位移變形將導致機構不能對芯片模組進行可靠的定位，需要安裝前述改進方案對定位架零件重新進行結構設計。由(c)圖可以看出，最大應變可能發生在下支撐板與機器連接部位和定位架伸出端與零件主體結合部，對這些危險截面的最大應變探測可知，定位機構的最大應變發生在定位架左側伸出端與零件主體的結合部，其變形最大值為0.000652，由此可以證明應變大的位置也是所受應力較大的位置。

運行算例，得到定位機構在正常工作狀態下的應力、位移和應變分布情況，具體如圖3所示

。

在Solidworks軟件中建立全自動激光去溢料機定位機構的虛擬模型后，進入軟件的Simulation插件模塊選擇“靜應力分析”算例并進行相應的參數設置，首先，由于機構中直線軸承、氣缸和光軸等零件的制造材料為AISI1020鋼，其余構件制造材料均為6061鋁合金，考慮到合金鋼的屈服強度遠大于鋁合金材料，本次研究機構中零部件的材料均選定為6061鋁合金，其次，按機構在機器中的位置要求選擇下支撐板側面作為夾具中固定幾何約束的約束面，再次，在外部載荷中下支撐板側面的螺孔，作為直接承載接觸位置設定壓力值為2000N/m

，氣缸底座施加由于氣缸動作產生3kN作用力，定位架側面施加由于推送芯片模組產生的500N反作用力，最后，進行有限元網格的劃分，網格的生成選擇采用自由網格模式，網格密度良好，劃分網格后定位機構的自由度數為102906，節點數為34740，單元數為20578，其具體承載情況及有限元模型如圖2所示。

3 定位機構的疲勞分析

現代的管理模式在傳統建設項目在當前僅有的項目工期、質量、成本的三大方面，同時對項目集成、項目范圍、風險應對、人員溝通、材料采購和人力資源管理等多個方面，在管理模式上相較于傳統項目管理模式更加全面[4]。傳統項目管理理念是針對傳統并且程序簡單的項目，難以把控煩瑣的現代性企業，現代項目管理模式的技術含量較高，對企業部門的管理可以面面俱到。

為進一步分析定位機構在工作狀態下的結構穩定性，前述靜態應力分析結果的基礎上，在Simulation插件模塊中選擇“屈曲”算例，對該機構進行有限元屈曲分析

。分析條件中夾具、載荷設定和網格劃分與靜應力的分析完全一致，運行算例，即可得到定位機構的屈曲有限元分析結果如圖6所示。

定位機構中氣缸、直線軸承和光軸等零件可直接從標準庫中調用或造型完成，其核心零件主要是上支撐板和定位架零件的造型設計。其中，上支撐板的設計需重點考慮機構自重和承載情況確定其厚度，氣缸的安裝位置由于定位機構在機器中的總體高度尺寸限制，單獨采用底座安裝后連接在支撐板上，支撐板結構中需要留出大于氣缸截面尺寸5-10mm的空間保證其準確安裝。定位架中伸出端的設計則需依據芯片模組的尺寸確定其長度，零件主體除聯接部位和傳感器安裝位置外，其余皆去除并將厚度設計為階梯狀以減輕零件自重。同時，為保證能夠精確地進行定位，在定位架的兩伸出端均安裝了輔助定位輪。

4 定位機構的屈曲分析

《易》與天地準，故能彌綸天地之道。仰以觀于天文，俯以察于地理，是故知幽明之故；原始反終，故知死生之說；精氣為物，游魂為變，是故知鬼神之情狀。與天地相似，故不違；知周乎萬物而道濟天下，故不過。[7](P535)

由圖6可以看出，定位機構在工作狀態下的屈曲變形，主要發生在定位架零件的兩側伸出端，其中左端屈曲變形大于右端，其最大值為0.02612mm，從機構0.05mm的設計定位精度而言，機構在承載情況下發生的屈曲破壞不會影響正常使用。另外，從安全系數的角度進行分析，在機構完成屈曲分析后測得其屈曲安全系數為39.841，即機構能夠承受現有載荷的39倍才會發生屈曲破壞，測得靜應力分析中的應力安全系數為7.7805，應力安全系數遠低于屈曲安全系數，故定位機構在發生疲勞破壞之前可能發生屈服變形，但屈曲破壞在機構的變形破壞中不起主導作用。

在法學論文標題中，反語、夸張等修辭格很少見到，但比擬、對照等修辭手法常常運用。其主要原因在于，準確、正式是法學論文的最主要文體要求；而夸張等修辭格會影響其準確性，反語等詼諧性修辭與法學論文的莊重風格不甚符合。

5 結語

在Solid Works軟件中完成定位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靜應力、疲勞和屈曲有限元分析，研究機構在激光去溢料機工作中外部載荷和材料壽命可能導致的應力、疲勞破壞和屈曲變形

，發現機構中最可能發生破壞的是定位架零件，通過分析該零件的變形產生原因及可能的后果，并有針對性得提出相應結構改進措施，從而達到提升定位機構工作的強度、壽命和穩定性，有效避免零件損壞現象發生的目的。

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靜應力、疲勞和屈曲有限元分析，對其可能產生破壞或變形的原因進行研究，發現設計中存在問題或設計缺陷并有效地加以改進或優化，能夠有效得提高機構工作性能、產品設計的準確性和可靠性。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。

[1]陳國勝，周國鵬，張陽等.雙梁橋式起重機主梁有限元模態及屈曲分析[J]．設備管理與維修，2022(06)：27-29．

[2]劉陽．基于ANSYS的采煤機截割部關鍵零件有限元分析[J]．煤礦機械，2018(11)：164-166．

[3]王海軍殷國富何波等.基于SolidWorks Simulation的球磨機轉軸有限元分析[J]．機械，2014(01)：44-47．

[4]張偉杰，付曉莉，李勇等．基于有限元分析的減速機箱體造型設計[J]．機床與液壓，2020(05)：135-139．

[5]李利，楊林彬，張德偉等．新型橡膠破碎機關鍵部件有限元分析[J]．橡膠工藝，2019(05)：376-381．