基于SolidWorks的激光打标机关键机构有限元仿真

周琦 王舒畅 叶章毅

摘要：通过采用虚拟样机技术，模拟自动化设备的工作状态而进行结构分析，避免物理样机因设计缺陷而重复制造的问题。使用Solid Works軟件对全自动激光打标机的关键部件机械手移动支架进行有限元静态分析，发现部件结构设计中的强度薄弱环节，针对性地提出了结构改进方案，保证移动支架部件的结构强度要求。通过全约束状态下的模态分析，发现该部件的固有频率与设备产生共振的可能性较小，最易产生振动变形的零件是连接平板，有必要对该零件进行结构改进与优化，以保证移动支架在激光打标机使用过程中的稳定性和可靠性。

Abstract： In order to avoided the problem of repeated manufacturing of physical prototype due to design defects， this article introduced how to using the virtual prototype technology to simulate the working state of automation equipment and carry out structural analysis. Firstly， carried out the static finite element analysis of the key component of the automatic laser marking machine’s manipulator mobile bracket by using solid works software. And the structural improvement scheme was proposed in order to ensure the structural strength requirements of mobile support components. Secondly， through the modal analysis under the condition of full restraint， it also found that the natural frequency of the component was less likely to resonate with the equipment， and the part most likely to produce vibration deformation was the connecting plate. So it was necessary to improve and optimize the structure of the part to ensure the stability and reliability of the mobile bracket in the use of the laser marking machine.

关键词：SolidWorks;移动支架;静态分析;模态分析

Key words： SolidWorks;mobile stent;static analysis;modal analysis

0  引言

随着计算机仿真技术的高速发展和应用，采用虚拟样机技术中的模拟仿真手段，验证关键零部件结构设计的合理性和产品性能，已成为一种较为普遍的现代机械设计方法。通过构建三维虚拟模型，采用有限元方法快速地分析机械零部件的结构合理性和疲劳强度，分析振动、热响应对整机工作性能的影响，实现机械产品的最优化设计，从而大大缩短了机械产品的研发周期和成本。激光打标作为激光加工技术中的一种重要应用技术，与传统的喷码技术相比，除了打标图案防伪性能极好外，还具有环保、打标质量高、速度快、成本低等显著特点。项目组研发的全自动封装芯片激光打标机，采用激光进行集成电路的表面字符刻制，属于一种全新的图形字符标识方式。

本文针对全自动激光打标机中的关键零部件——机械手移动支架开展研究，利用Solid Works软件的Simulation模块对其进行静态强度分析，验证支架结构设计的合理性和可靠性。为防止移动支架在芯片输送过程中产生振动，对该支架进行有限元模态分析，找出其共振频率并在设计中有效避免该频率的出现，保证移动支架工作过程中的稳定性。

1  移动支架静应力分析

在现代机械设计方法中，为缩短机械产品的研发周期，通常使用仿真软件对所设计产品的关键零部件或机构进行运动仿真、有限元分析和优化设计，在完成一系列模拟真实环境的计算后，制造物理样机进行产品的最终验证。全自动激光打标机中的移动支架，属于物料抓取机构中固定横梁和物料抓取机械手的连接部件，该部件机械使用性能的好坏对于物料抓取机构乃至激光打标机整机运行的可靠性举足轻重的作用。为便于项目团队对于该款全自动激光打标机整机虚拟样机的研究，本次研究通过使用Solid Works软件的Simulation模块，对移动支架部件进行静应力计算，分析设备正常运行时移动支架的静强度和可靠性是否满足设计与工作要求。

在Solid Works软件中进行全自动激光打标机移动支架的静态应力分析，首先，进入软件的办公室产品界面选择“Simulation”菜单，在算例顾问的下拉菜单中选择“新建”，类型选择静态，建立移动支架的静态分析算例;其次，对移动支架的有限元计算参数进行设置，具体过程如下：

①定义材料属性，根据设计要求选择移动支架材料为AISI1020钢，设置材料属性：密度ρ=7900kg/m3，弹性模量E=200GPa，泊松比μ=0.29，屈服强度为？滓s=352MPa。

②设置约束条件，根据全自动激光打标机运行时物料抓取机构的工作过程，为移动支架的添加约束，安装物料抓取机械手的移动支架工作时由步进电机驱动沿固定横梁的直线导轨作往复直线运动，其底部通过滚轮与固定横梁导轨接触，因此设定移动支架的直线导轨位置为约束处。

③施加载荷，根据物料抓取机构的设计计算数据和动作情况，给移动支架施加载荷。已知驱动步进电机的扭矩为28.56N·m，固定横梁对移动支架滚轮的作用力大小为75N，安装在移动支架上的物料抓取机械手所产生的重力为367N。

④网格划分，移动支架的网格划分采用自由网格形式，允许网格自由过渡，划分网格后有限元模型的单元数为58393个，自由度数为282879个，节数为95327个。网格划分后的移动支架有限元模型如图1所示。

在完成以上四个有限元参数设置步骤以后，实现了对移动支架的有限元模型构建，接下来点击“运行”图标，对其进行有限元静态应力计算，得到移动支架的应力、位移和应变图，具体如图2-图4所示。

由图2显示的结果可以看出，移动支架在正常工作载荷作用下，其最大应力发生在移动支架的连接板中部，其值为60.84MPa，远小于移动支架材料的屈服极限352MPa，設计的移动支架结构从材料强度的角度考虑，完全能够满足工作要求;通过图3可知，移动支架在工作载荷作用下产生的最大位移量为0.006948mm，且主要发生在移动支架上安装机械手的连接平台末端，考虑到位移量较小且几乎可以忽略，无需对该处的结构进行任何强化措施增加强度;由图4可知移动支架的最大应变发生在连接板中部，与图2所示的最大应力位置一致，有可能对机构的运行可靠性造成影响，其主要原因是由于该处因为设计了螺栓连接孔，降低了零件的结构强度，可通过加大L型连接板的高度尺寸实现双板连接，提高机构连接的强度来进行优化。

2  移动支架模态分析

本次模态分析主要研究移动支架在设备正常工作情况下产生共振的频率和状态，相较于静态分析而言，其有限元参数设置中如单元类型、材料属性、网格划分与静态分析时一致。而载荷则应系统分析计算的原因去除，考虑到底部滚轮无法施加接触载荷，将此处改为约束，故本次有限元计算固定约束施加在移动支架的直线导轨槽和底部滚轮表面。对激光打标机的移动支架按照工作状态约束后，点击“运行”图标进行有限元模态分析计算，得到了如表1所示移动支架的前5阶的固有频率，以及图5所示的移动支架前5阶振型图。

由表1可知，移动支架在工作状态下发生共振的可能性较小，原因在于激光打标机作为一种自动化设备，其主要振动频率来源于步进电机工作所产生的共振频率。而通过分析可知，导致移动支架的固有频率远高于步进电机运转时的工作频率，能够有效避免共振现象的发生，作为激光打标机中物料抓取机构的核心部件，具有较高的可靠性、稳定性和使用寿命。

由图5中的前5阶振型可以看出，移动支架在设备正常工作状态下最容易发生共振变形的部位是连接平台，该位置是整个部件的薄弱环节，也是连接抓取机械手的重要零件，机械手动作过程中产生的载荷全部作用于该零件，因此有必要对该零件的支承结构进行优化，或增加加强肋以提高其支承强度。a）图所示的第1阶振型变形发生在连接平板的末端，除了沿Y轴向的延伸外，在与加强肋的接合处还产生了微量的弯曲变形;b）图所示的第2阶振型的变形主要是连接平板末端沿Y轴向的延伸;c）图中的第3阶振型主要是连接平板中部的弯曲变形;第4、5阶振型的变形则是连接平板绕Y轴的扭转，在这两个固有频率作用下连接平板发生了严重的扭转，考虑到连接平板在物料抓取机构中的作用，有必要对连接平板零件进行优化设计，但作为固定横梁与抓取机械手的连接零件，该零件结构的变化可能引起后续零件结构的改变，为简化设计流程可通过延长加强肋的尺寸，达到强化连接平台结构强度的目的，或可针对连接平台零件，单独进行进一步的分析研究。

3  结语

本文通过使用SolidWorks软件的有限元分析功能，对全自动激光打标机的移动支架进行了静态应力分析，发现支架中连接平板的末端结构强度薄弱，采用双板连接的方式改进部件结构达到提高部件强度的作用。对移动支架进行约束状态下的模态分析，研究其前5阶振型，与前述研究结果类似，发现支架部件中连接平板最易发生共振变形，原因在平板连接的支承强度不足，可通过在双板连接基础上延长加强肋的尺寸，以此提高移动支架部件的强度，减少共振产生的概率，提升设备的综合性能，也为移动支架后续开展动力学分析和优化设计奠定了理论基础。

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