賈 龍，劉 健，馮曉虎

(中國電子科技集團公司第二研究所,山西太原030024)

基于Ansys Workbench的上料手龍門架的分析

賈 龍，劉 健，馮曉虎

(中國電子科技集團公司第二研究所,山西太原030024)

手機屏模組需要進行一系列測試，其測試趨于自動化發(fā)展，通過設(shè)計自動上料機械手完成整個自動化測試。通過Ansys Workbench對手機屏模組測試機的上料手龍門架使用有限元法進行上料動態(tài)分析，檢測設(shè)計的合理性。

有限元法；龍門架；動態(tài)分析

Ansys Workbench中的結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊可以進行瞬態(tài)動力學(xué)分析，可以模擬結(jié)構(gòu)在一定條件的載荷作用下的動力響應(yīng)，計算整個響應(yīng)過程中的變形和應(yīng)力等隨時間的變化，并根據(jù)模擬結(jié)果對所設(shè)計結(jié)構(gòu)進行分析和指導(dǎo)。本文通過使用Ansys Workbench對上料手龍門架結(jié)構(gòu)進行瞬態(tài)動力學(xué)分析，得出龍門架的一系列關(guān)鍵參數(shù)，為下一步設(shè)計提供依據(jù)。

1 上料手龍門架整體結(jié)構(gòu)

圖1為上料手龍門架的模型，上料手需要完成直線搬運動作。龍門架整體采用60 mm×60 mm的方鋼管焊接作為龍門立柱支撐，15 mm厚鋼板作為橫梁，并且焊接導(dǎo)軌安裝條。直線搬運動作通過電機帶動絲杠完成，進行移動吊裝的電缸模組，電缸模組下裝有取料機械手。通過上料工作節(jié)拍推算出絲杠的單程移動時間為1 s，選擇絲杠導(dǎo)程為20 mm，電機最高工作轉(zhuǎn)速為3000 r/min，最高速度為1 000 mm/s，加減速時間分別為0.1 s。

2 模型簡化與預(yù)處理

將模型簡化，計算電缸以及上料手的質(zhì)量，并采用均布質(zhì)量取代。如果采用質(zhì)量點取代，則質(zhì)量點不能分布在多個網(wǎng)絡(luò)單元中，否則無法計算。而為了模擬結(jié)果接近真實情況，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量需要較高，所以只能采用均布質(zhì)量。

添加配合和約束。在龍門架兩個地腳處施加固定約束，絲杠安裝板與導(dǎo)軌添加無摩擦配合，絲杠安裝板添加位移約束為0，與運動方向垂直。為絲杠安裝板添加速度，加速0.1 s，速度達到1 000 mm/s后維持0.8 s，減速0.1 s后速度為0。其余配合為螺栓連接，均設(shè)為綁定接觸。添加標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，整體預(yù)處理條件如圖2所示。

圖1 上料手龍門架結(jié)構(gòu)

圖2 簡化模型

然后對模型進行網(wǎng)絡(luò)劃分，網(wǎng)絡(luò)劃分不能太粗糙，否則會計算不出結(jié)果或者計算結(jié)果會很不真實。網(wǎng)絡(luò)劃分太細則會影響分析效率，導(dǎo)致計算時間過長。對模型中厚度為10 mm的部分將單元尺寸控制在5 mm，而其余部分單元大小控制在10 mm，網(wǎng)絡(luò)劃分完成后檢查模型整體網(wǎng)絡(luò)單元的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，主要是單元質(zhì)量和畸變程度的分布，可以看到網(wǎng)絡(luò)劃分效果良好（見圖3、圖4、圖5）。

3 求解與結(jié)果分析

為了確定瞬態(tài)分析中的時間步長，在柔體動力學(xué)分析之前需要首先進行系統(tǒng)的模態(tài)分析，進而確定所關(guān)心的最高階的模態(tài)頻率。初始時間步長選擇采用以下方程確定：

圖3 網(wǎng)絡(luò)劃分效果

圖4 單元質(zhì)量統(tǒng)計

圖5 畸變程度統(tǒng)計

f是所關(guān)心的最高階模態(tài)振型的頻率。對龍門架進行模態(tài)分析，找出最重要的模態(tài)振型，頻率為51.166 Hz，f取整后得到初始步長為0.001 s。

初始條件為默認(rèn)，無初始速度和加速度。分析步長為1 s，初始步長設(shè)為0.001 s，最小步長設(shè)為0.000 5 s，最大步長設(shè)為0.001 5 s，進行求解。龍門立柱采用兩根方鋼管焊接而成，首先檢查整個過程的立柱變形大?。ㄒ妶D7、圖8）。

圖6 龍門架主體一階模態(tài)振型

圖7 近端立柱變形-時間曲線

圖8 遠端立柱變形-時間曲線

從圖7以及圖8中可以看出方鋼管立柱在啟動階段初期的變形最大，不過最大只有0.03 mm。在整個運動過程中，由方鋼管做龍門立柱完全可靠，分析圖見圖9～圖14。

圖9 橫梁變形-時間圖

圖10 橫梁變形分布

圖11 橫梁等效應(yīng)力曲線

圖12 初始階段橫梁最大應(yīng)力分布

圖13 中間階段橫梁最大應(yīng)力分布

圖14 結(jié)束階段橫梁最大應(yīng)力分布

從以上三個階段橫梁最大應(yīng)力分布圖中可以看出初始和結(jié)束階段應(yīng)力最大處為靠近載荷的橫梁和立柱結(jié)合處，中途階段應(yīng)力最大處為載荷附近?？梢栽诹⒅c橫梁連接處增加加強筋，以改善應(yīng)力分布，見圖15。

絲杠安裝板的運動設(shè)定為加速時間0.1s，勻速時間0.8 s，減速時間0.1 s。從結(jié)果來看，由于橫梁為兩段支撐，整個加速和減速過程均伴隨著上下波動。絲杠板的變形圖中可以看出所有階段的變形值均為負值，這是由于運動過程中橫梁會向下彎曲。根據(jù)圖9橫梁變形時間圖和圖16絲杠安裝板加速度-時間曲線可以看到在1 s的運動過程中，橫梁共有約40次小幅振動。如此對取料手的設(shè)計就提出了要求，上料手的模態(tài)頻率應(yīng)該避開40 Hz。

本結(jié)構(gòu)中共有7個部件進行連接，每個部件安全系數(shù)取1.4，7個部件的安全系數(shù)應(yīng)該是1.4的7次方，約10.6。分析結(jié)果中整體安全系數(shù)為15，可以知道整個上料手龍門架的結(jié)構(gòu)是比較可靠的。

圖15 改善應(yīng)力分布效果圖

圖16 絲杠安裝板加速度-時間曲線

4 總 結(jié)

本研究通過Ansys Workbench提供的瞬態(tài)分析模塊對自動化設(shè)備龍門型上下料機械結(jié)構(gòu)在運動中的結(jié)構(gòu)特性。得出龍門架結(jié)構(gòu)的安全性和合理性，找出了橫梁應(yīng)該加固的部位，對設(shè)計取料手的模態(tài)頻率提出要求并提供了依據(jù)，為下一步的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

[1] 全大鵬，李建勇，王恒，等.基于ANSYS Workbench的固晶臂機構(gòu)柔性動力學(xué)分析[J].機電工程，2012， 29(10)：1146-1149.

[2] 姜振廷，鄭忠才，董旭.基于ANSYS WORKBENCH的六自由度機械臂有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].制造業(yè)自動化，2014，36(1)：122-123.

[3] 楊志敏，周健，李立君，等.基于ANSYS Workbench的采摘機器人臂架模態(tài)分析[J].農(nóng)機化研究2013，12(12)：56-58.

[4] 黃志新，劉成柱.Ansys Workbench14.0超級學(xué)習(xí)手冊[M].B北京：人民郵電出版社，2013-4.

吳文濤

吳文濤（1981-），男，武漢人，碩士，工程師，主要從事半導(dǎo)體設(shè)備維護與維修。

王振亞（1981-），男，南京人，本科，工程師，主要從事半導(dǎo)體設(shè)備維護與維修。

徐 磊（1984-），男，鹽城人，碩士，工程師，主要從事半導(dǎo)體設(shè)備維護與維修。

Analysis of Feeding Device of Gantry Based on Ansys Workbench

JIA Long，LIU Jian，F(xiàn)ENG Xiaohu

(The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China)

Mobile phone screen module,as one of the most important part of smart phone，the production volume increases rapidly.It requires a series of tests and has the trend of the development of the automation,by designing automatic feeding manipulator to complete the automated testing.In this paper feeding dynamic analysis was carried out on the gantry with finite element method based on the Ansys Workbench,to test the rationality of the design.

Finite element method；Gantry；Dynamic analysis

TN948.43

B

1004-4507(2016)12-0049-06

賈龍（1988-），男，山西太原人，碩士研究生，畢業(yè)于華中科技大學(xué)，助理工程師。主要從事于電子專用設(shè)備的研究。

2016-09-12