熊彬州 吳海波 陳久朋

摘? 要： 光學(xué)膜片供給是顯示器生產(chǎn)線的重要環(huán)節(jié)，其中懸臂結(jié)構(gòu)在自動(dòng)化設(shè)備上有著不可替代的作用。因?yàn)閼冶劢Y(jié)構(gòu)的重要性，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化是必要的。本文設(shè)計(jì)了一種龍門式自動(dòng)化設(shè)備，對(duì)其關(guān)鍵部件懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力分析，其應(yīng)力應(yīng)變均滿足設(shè)計(jì)要求。為了節(jié)省材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，采用workbench提供的Design Exploration模塊對(duì)該懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果顯示：懸臂結(jié)構(gòu)的厚度對(duì)總變形和應(yīng)力最為敏感，且長(zhǎng)寬高的最優(yōu)參數(shù)為340.44 mm，寬為330.64 mm，厚度為10.186 mm。為了減輕懸臂結(jié)構(gòu)質(zhì)量，設(shè)定目標(biāo)為減少20%重量，優(yōu)化后和優(yōu)化前相比質(zhì)量減少21.7%，而應(yīng)力和變形均在合理范圍內(nèi)。對(duì)該懸臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可為自動(dòng)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了借鑒意義。

關(guān)鍵詞： 懸臂結(jié)構(gòu);workbench;靜力分析;優(yōu)化設(shè)計(jì)

【Abstract】： Optical diaphragm supply is an important part of display production line， in which cantilever structure plays an irreplaceable role in automation equipment. Because of the importance of cantilever structure， it is necessary to design and optimize its structure. In this paper， a gantry type automation equipment is designed， and the cantilever structure of its key components is analyzed. The stress and strain meet the design requirements. In order to save material and optimize structure， the Design Exploration module provided by workbench is used to optimize the cantilever structure. The results show that the thickness of cantilever structure is most sensitive to the total deformation and stress， and the optimal parameters of length， width and height are 340.44 mm， width is 330.64 mm and thickness is 10.186 mm. In order to reduce the mass of the cantilever structure， the goal is to reduce the weight by 20%. After optimization， the mass of the cantilever structure is reduced by 21.7% compared with that before optimization， while the stress and deformation are within a reasonable range. The optimum design of the cantilever structure can provide a reference for the design and application of the automatic production line.

【Key words】： Cantilever structure; Workbench; Static analysis; Optimal design

0? 引言

顯示器內(nèi)屏主要由工廠人工線來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)，不僅需要將各類光學(xué)膜片在生產(chǎn)節(jié)拍的要求下整齊的放入顯示器內(nèi)屏中，還要保證在生產(chǎn)過(guò)程中光學(xué)膜片的連續(xù)供給。如果光學(xué)膜片的供給跟不上則生產(chǎn)節(jié)拍將大大增加，這對(duì)生產(chǎn)要求大的企業(yè)將產(chǎn)生很嚴(yán)重的后果。經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前光學(xué)膜片的供給是由人工完成，這對(duì)內(nèi)屏的生產(chǎn)效率大大折扣。然而在膜片供給過(guò)程中需要用到懸臂結(jié)構(gòu)，因此對(duì)懸臂結(jié)構(gòu)的靜力分析顯得尤為重要。

在目前的分析中，藺曉建通過(guò)ANSYS Workbench對(duì)薄壁二極鐵真空室進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，為薄壁二極鐵真空室的后續(xù)設(shè)計(jì)提供一定的參考[1]。趙元提出了一種新的柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，并證明了該方法的有效性[2]。吳祥臻利用Workbench對(duì)H型號(hào)齒輪箱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為齒輪箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的參考和理論支持[3]。劉毓希利用ADAMS建立杠桿平衡式起豎機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)，再運(yùn)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對(duì)三角臂進(jìn)行輕量化處理，這減輕了機(jī)構(gòu)質(zhì)量，節(jié)約了成本[4]。夏學(xué)文利用ANSYS軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能對(duì)某一鋼架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算，為工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù) [5]。唐躍采用Pro/E優(yōu)化設(shè)計(jì)出了一種新型內(nèi)抓外撐抓胎機(jī)器手，驗(yàn)證了新型內(nèi)抓外撐抓胎機(jī)器手對(duì)解決胚胎變形不均勻和變形量大問(wèn)題的可行性[6]。關(guān)玉明基于Workbench的優(yōu)化設(shè)計(jì)得出幾種優(yōu)化方案，通過(guò)對(duì)比和驗(yàn)證表明優(yōu)化后的整體結(jié)構(gòu)在剛度和強(qiáng)度上有了顯著的改善[7]。查云飛通過(guò)有限元分析軟件對(duì)機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，討論了應(yīng)用有限元分析軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本方法，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)[8]。王林軍采用ANSYS Workbench有限元軟件對(duì)液壓機(jī)機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，確定了方案的可行性[9]。吳小釗結(jié)合設(shè)計(jì)制造薄板結(jié)構(gòu)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了薄板結(jié)構(gòu)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置制造中有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，有效的促進(jìn)了薄板結(jié)構(gòu)在彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用[10]。

本文首先設(shè)計(jì)一臺(tái)膜片自動(dòng)供給裝置，并針對(duì)關(guān)鍵零件使用有限元軟件進(jìn)行分析從而保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)膜片自動(dòng)供給裝置的關(guān)鍵部位的優(yōu)化設(shè)計(jì)將會(huì)對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線提供指導(dǎo)和借鑒意義。

1? SolidWorks結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿足生產(chǎn)線要求，設(shè)計(jì)龍門式三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人如圖1所示。其主要由主體與鋼架組成，鋼架起到支撐主體的作用，而主體由直線運(yùn)動(dòng)單元、氣缸和吸盤(pán)組成。設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)吸盤(pán)在X、Y平面的運(yùn)動(dòng)，并能夠在Z方向上下運(yùn)動(dòng)，可以滿足對(duì)膜片料盒的運(yùn)載要求。

2? 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)分析

為了簡(jiǎn)化分析，在保留設(shè)備的重要部件忽略次要部分的前提下，獲得了圖2的簡(jiǎn)化裝置，可以知道機(jī)構(gòu)主體由能實(shí)現(xiàn)x，y運(yùn)動(dòng)的直線單元、氣缸和吸盤(pán)組成，其中末端執(zhí)行器吸盤(pán)與氣缸連接主要依靠板1、加強(qiáng)筋以及懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，其中工字型懸臂結(jié)構(gòu)具有懸臂的特點(diǎn)，為了保證設(shè)備的強(qiáng)度和剛度，需要對(duì)懸臂結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行分析并給出最佳的設(shè)計(jì)方案。

2.1? 模型導(dǎo)入

懸臂結(jié)構(gòu)的實(shí)體建模是在SolidWorks中完成的，為了在workbench中降低網(wǎng)格劃分的難度和減少計(jì)算量，在建模時(shí)對(duì)設(shè)備模型進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，并選取懸臂結(jié)構(gòu)的模型導(dǎo)入workbench中并刪去多余的零件，定義懸臂結(jié)構(gòu)的材料為6061鋁合金，材料泊松比為0.33，彈性模量為6.89×1010 Pa，密度為2.8×103 Kg/m3，模型總重為2.0448 kg。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分生成62125個(gè)節(jié)點(diǎn)和35501個(gè)單元。圖3是懸臂結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分后的結(jié)果。

2.2? 結(jié)構(gòu)的受力分析

懸臂結(jié)構(gòu)通過(guò)螺栓與加強(qiáng)筋、板1進(jìn)行連接，并通過(guò)螺栓螺母與吸盤(pán)連接件連接。實(shí)際懸臂結(jié)構(gòu)受到的作用力和約束不是均勻的，因此需要在模型上加上印記面來(lái)模擬接觸約束條件。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，料盒重量為60 kg，對(duì)懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力情況如圖4所示。

2.3? 后處理

圖5是靜力分析的變形與應(yīng)力圖，可知遠(yuǎn)離加強(qiáng)筋的末端部位變形最大，其最大變形量為0.87767 mm，而最大應(yīng)力在與加強(qiáng)筋螺栓連接部位的螺紋孔除去螺紋孔其他部位的應(yīng)力大致為17 MPa左右，而其螺紋孔附近最大應(yīng)力為31.932 MPa。

因?yàn)閼冶劢Y(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)懸臂結(jié)構(gòu)，在工作過(guò)程受到自身重力、X方向的慣性作用力，對(duì)其遠(yuǎn)離加強(qiáng)筋的末端部位受力變形應(yīng)為最大。在工程技術(shù)上一般要求剛體變形量要小于1 mm，懸臂結(jié)構(gòu)的最大變形量為0.87767 mm，結(jié)合后處理的結(jié)果可以看出該懸臂結(jié)構(gòu)的變形與應(yīng)力均在合理范圍內(nèi)，故滿足力學(xué)性能要求。

3? 懸臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1? 建立約束方程

圖6是懸臂結(jié)構(gòu)的二維尺寸圖，根據(jù)懸臂結(jié)構(gòu)的連接方式和設(shè)計(jì)方案可以列出下列約束方程：

3.2? 懸臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型建立

為了減少懸臂結(jié)構(gòu)在workbench中的計(jì)算量，

在建立模型時(shí)候?qū)冶劢Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，比如將倒角以及對(duì)分析影響不大的部分進(jìn)行刪除，并且建立相應(yīng)的印記面來(lái)對(duì)應(yīng)載荷面和約束面。為了減少優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算中可能會(huì)導(dǎo)致形狀不規(guī)則，為了防止計(jì)算中的錯(cuò)誤，這里采用智能劃分網(wǎng)格以及單元。計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

從圖7分析可知，在去掉螺紋孔等對(duì)分析結(jié)果影響不大的特征后，最大應(yīng)力為16.511 MPa，最大變形量為0.85263 mm，誤差不超過(guò)2%，同時(shí)簡(jiǎn)化后懸臂結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為2.0718 kg，與原始板材質(zhì)量相差不超過(guò)1%，這與之前分析的結(jié)果基本一致。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，將需要優(yōu)化的參數(shù)拾取出來(lái)，如結(jié)構(gòu)參數(shù)、最大應(yīng)力、最大形變和最小安全系數(shù)。

3.3? 對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化

其中workbench提供了Design Exploration（設(shè)計(jì)探索）模塊。該模塊可以幫助設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段掌握不確定因素對(duì)產(chǎn)品性能的影響，而最大限度地提高產(chǎn)品性能。在Design of Experiment在輸入?yún)?shù)中選擇之前拾取的x、y、z，并對(duì)輸入?yún)?shù)設(shè)置約束的上下限（330≦x≦350，340≦y≦360，9≦z≦11，單位：mm）。

設(shè)置完成后，在設(shè)計(jì)探索類型中選擇Custom自定義的方法，該實(shí)驗(yàn)方法定義實(shí)驗(yàn)點(diǎn)總數(shù)，輸出一定量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別計(jì)算輸出值來(lái)模擬出最優(yōu)工藝。最終按照約束上下限得到31個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)和原始值，如表1所示。

3.4? 參數(shù)影響

以懸臂結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度y，寬度x和厚度z作為輸入?yún)?shù)，通過(guò)輸出結(jié)果可以得到各個(gè)參數(shù)對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的敏感度以及相應(yīng)的響應(yīng)曲線如圖8和圖9所示。敏感度是設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響程度的體現(xiàn)，從圖中可知加強(qiáng)板厚對(duì)質(zhì)量的影響遠(yuǎn)大于長(zhǎng)度y，寬度x對(duì)其的影響;板厚對(duì)應(yīng)力、變形和安全系數(shù)的影響也是大于長(zhǎng)度y，寬度x。而相應(yīng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

曲線則是表現(xiàn)各個(gè)輸入?yún)?shù)對(duì)輸出參數(shù)的影響趨勢(shì)，從圖8可知，厚度對(duì)板的應(yīng)力、變形量和安全系數(shù)影響最大。而從圖9可知，長(zhǎng)度、寬度和高度均對(duì)應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生影響，隨著板厚度的增加，板的總質(zhì)量有增加的趨勢(shì)。所以可以得出結(jié)論，板的寬度與長(zhǎng)度在取值范圍內(nèi)時(shí)，厚度取值較大則板的質(zhì)量會(huì)較大，而應(yīng)力和變形會(huì)變小，但是厚度越小時(shí)則會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力和變化會(huì)變大。

3.5? 優(yōu)化求解

根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)要求，在載荷和約束條件下取應(yīng)力、總變形在合理范圍而質(zhì)量最小作為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化分析得到四組優(yōu)化候選結(jié)果，如表2所示，選擇候選點(diǎn)1為優(yōu)化結(jié)果，并將其尺寸作為正式設(shè)計(jì)點(diǎn)對(duì)原模型進(jìn)行響應(yīng)，對(duì)新生成的模型進(jìn)行靜力分析，從表格可知，最大應(yīng)力下降到15.654 MPa，下降5.19%，最大變形下降至0.72759 mm，下降14.67%，板質(zhì)量下降到1.9656 Kg（原質(zhì)量：2.0718 Kg），下降5.12%，質(zhì)量下降不是很明顯，安全系數(shù)基本沒(méi)變化滿足工程要求。所以板的應(yīng)力和變形優(yōu)化? ?效果較好，但質(zhì)量不是很好，需要進(jìn)一步的優(yōu)? ? 化。候選點(diǎn)1的應(yīng)力、變形和安全系數(shù)云圖如圖10所示。