周琦，張惜君

（1.江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 江陰214405；2.江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校 機(jī)電工程系，江蘇 江陰214433）

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用，采用有限元分析和仿真的方法，對(duì)其中關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，可以較好地縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，目前已成為一種較為普遍的現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段。使用三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)零件進(jìn)行應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)零件使用中的危險(xiǎn)位置并分析改進(jìn)措施，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行疲勞分析，研究零件的使用壽命以確保設(shè)備使用的可靠性。通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)零件在設(shè)備運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生共振的頻率，并加以分析，采取相應(yīng)措施以避免共振的產(chǎn)生[1]。以此提升設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性，縮短設(shè)備的研發(fā)周期和成本。

激光切割作為激光加工技術(shù)中的一種重要應(yīng)用技術(shù)，運(yùn)用于集成電路芯片封裝生產(chǎn)中的管腳溢料去除，相較于傳統(tǒng)的模具沖裁和高壓水噴淋技術(shù)，具有溢料去除率高、去除工藝簡(jiǎn)單和去溢料后芯片品質(zhì)好等顯著特點(diǎn)。項(xiàng)目組研發(fā)的全自動(dòng)激光去溢料機(jī)，針對(duì)集成電路發(fā)展的小型化、多排和超薄等特點(diǎn)，采用激光切割技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片管腳溢料的完全快速切割，使得芯片管腳的零溢料成為可能，大大提高了產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率。

本文針對(duì)全自動(dòng)激光去溢料機(jī)中物料抓取機(jī)械爪的連接零件開展有限元分析研究，通過使用SolidWorks 軟件對(duì)零件進(jìn)行應(yīng)力分析和疲勞分析，分析零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度問題、可靠性和使用壽命。通過模態(tài)分析找出零件工作中易產(chǎn)生共振的頻率并加以分析，以避免共振破壞的產(chǎn)生[2]。

1 連接件應(yīng)力分析

為適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備研發(fā)中對(duì)于縮短研發(fā)周期的要求，對(duì)已設(shè)計(jì)完成的激光去溢料機(jī)的連接件零件進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析，通過有限元仿真的方法完成零件在真實(shí)工作環(huán)境中的承載情況分析驗(yàn)證，減少了物理樣機(jī)的試驗(yàn)內(nèi)容與設(shè)計(jì)返工修改的時(shí)間，從而達(dá)到縮短去溢料機(jī)研發(fā)周期的目的，本次研發(fā)通過使用SolidWorks 軟件中的simulation 模塊，對(duì)激光去溢料機(jī)中物料抓取機(jī)構(gòu)的連接件零件進(jìn)行應(yīng)力分析，驗(yàn)證零件在正常載荷作用下的可靠性和安全性。

對(duì)激光去溢料機(jī)的機(jī)械爪連接件進(jìn)行靜應(yīng)力分析，首先是在前期設(shè)計(jì)的三維模型基礎(chǔ)上構(gòu)建其有限元模型[3]。在SolidWorks 軟件中，點(diǎn)擊打開simulation 菜單，在算例顧問菜單中選擇“新建”→“靜態(tài)”，建立連接件零件的靜態(tài)分析算例，對(duì)該零件的有限元參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，定義材料屬性，選擇連接件零件的材料為AISI1020 鋼，查表導(dǎo)出得到材料ρ＝7900 kg/m3，彈性模量E=200 GPa, 泊松比μ=0.29，屈服強(qiáng)度σs=352 MPa。2）根據(jù)連接件在機(jī)械爪中的位置與作用，連接件在物料抓取機(jī)械爪中的作用主要是連接兩對(duì)抓取集成電路板的卡爪，同時(shí)為便于卡爪的靈活運(yùn)動(dòng)，連接件通過中間的圓孔實(shí)現(xiàn)其在機(jī)械爪中的定位，兩端凹槽則實(shí)現(xiàn)了兩對(duì)卡爪的短距離移動(dòng)，因此設(shè)定中間圓孔和兩側(cè)凹槽孔為約束位置。3）根據(jù)機(jī)械爪的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，對(duì)連接件零件施加載荷。如圖1 所示，在連接件兩側(cè)安裝卡爪位置施加175 N的約束力，在兩側(cè)凹槽底部施加65 N 的壓力。4）網(wǎng)格劃分。連接件零件的網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格形式，且允許網(wǎng)格自由過渡，劃分網(wǎng)格后的連接件有限元模型單元數(shù)為55 381 個(gè)，自由度數(shù)為為250 047，節(jié)點(diǎn)數(shù)為84 819。網(wǎng)格劃分后的連接件零件有限元模型如圖1 所示。

在完成上面4個(gè)步驟的設(shè)置后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)連接件零件的有限元模型構(gòu)建，點(diǎn)擊“運(yùn)行”圖標(biāo)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行該零件的有限元分析與計(jì)算，得到了連接件零件的應(yīng)力、位移和應(yīng)變，如圖2所示。

從圖2(a）所示的連接應(yīng)力圖中可以看出，零件承受靜態(tài)載荷時(shí)的最大應(yīng)力值為3.476 MPa， 且主要集中于連接中間孔上端兩側(cè)和耳機(jī)內(nèi)側(cè)，該中間孔上端兩側(cè)位置發(fā)生應(yīng)力集中的主要原因是零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了尖角，可通過設(shè)計(jì)過渡圓角避免此處應(yīng)力集中現(xiàn)象的產(chǎn)生。耳孔內(nèi)側(cè)下端發(fā)生應(yīng)力集中的主要原因是連接件在應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形，考慮到此處應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的許用值，可以忽略不計(jì)。另外從連接件零件因應(yīng)力而產(chǎn)生的變形趨勢(shì)來(lái)看，中間耳孔的設(shè)計(jì)可適當(dāng)延長(zhǎng)或改為兩側(cè)3 個(gè)對(duì)稱的耳孔，以避免因零件厚度過渡不均而造成的應(yīng)力集中。

圖1 機(jī)械爪連接件模型

圖2 連接件應(yīng)力、位移和應(yīng)變圖

從圖2(b）的位移圖中可以看出，連接件因應(yīng)力作用而產(chǎn)生的位移主要發(fā)生在零件兩端與卡爪連接的部位，其最大值為1.893×10-5mm。該處位置位移量偏大的主要原因是連接件主體兩側(cè)設(shè)計(jì)了耳孔，從而導(dǎo)致零件的剛度降低，在遠(yuǎn)離約束位置的零件兩端因靜應(yīng)力作用而產(chǎn)生位移，結(jié)合前面連接件應(yīng)力變形的問題，此處解決位移量的最佳方式可通過改變耳孔的形狀或者布局實(shí)現(xiàn)，即縮短耳孔長(zhǎng)度方向尺寸的同時(shí)，增加另一對(duì)耳孔，同時(shí)應(yīng)使連接件的厚度過渡均勻，從而使得零件的剛度得到加強(qiáng)，應(yīng)力作用位移降低，保證零件設(shè)計(jì)的剛度和強(qiáng)度。連接件的應(yīng)變發(fā)生反置，與前述應(yīng)力圖一致。因此，通過增設(shè)過渡圓角和改變耳孔布局就可使零件的應(yīng)變值降低，這里不再贅述[4]。

2 連接件模態(tài)分析

利用SolidWorks 軟件對(duì)激光去溢料機(jī)的連接進(jìn)行有限元模態(tài)分析，首先須在三維模型的基礎(chǔ)上建立其有限元模型，如圖3 所示。

在完成對(duì)連接件零件的有限元模型 建 立后，點(diǎn)擊“運(yùn)行”菜單系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行有限元模態(tài)分析，得到表1 所示的前5 階固有頻率，以及圖4 所示的連接件振型圖。

由表1 可知，連接件零件在共振頻率下發(fā)生的振動(dòng)變形主要是零件兩端安裝機(jī)械卡爪位置的偏移與擺動(dòng)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是由于零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中耳孔的尺寸過長(zhǎng)，影響了零件的整體剛度和強(qiáng)度，與前述應(yīng)力分析結(jié)果一致，可通過耳孔的結(jié)構(gòu)布局來(lái)改善這一現(xiàn)象，從共振發(fā)生的幅值而言，激光溢料機(jī)本身工作過程中發(fā)生表中幅值共振的可能性很小，這一現(xiàn)象可作為零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參考，進(jìn)一步提高所設(shè)計(jì)零件的剛度[5]。

由圖5 中的前5 階振型圖可以看出，機(jī)械爪連接件零件在正常工作狀態(tài)下最易因振動(dòng)而發(fā)生變形的部位主要是其兩端與卡爪連接位置，屬于零件結(jié)構(gòu)的薄弱位置，可以對(duì)該處位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化或改進(jìn)。第1 階振型的變形發(fā)生在連接件的右側(cè)末端，主要是Y 向的偏移；第2 階振型的變形與第一階振型相反，主要是連接件左側(cè)末端Y 向的偏移；第3、4 階振型的變形是沿Z 向的彎曲變形，與前2 階振型相比，對(duì)零件在設(shè)備中的正常使用會(huì)產(chǎn)生較大的影響；第5 階振型的變形是繞X 軸的扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生此種共振的原因與表1 中所述一致，連接件零件耳孔長(zhǎng)度尺寸的增加導(dǎo)致其剛度降低，共振變形概率增大，項(xiàng)目組可通過改進(jìn)該零件的耳孔結(jié)構(gòu)布局，同時(shí)注意零件厚度尺寸的均勻過渡，盡可能使設(shè)計(jì)的零件能夠在滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的同時(shí)提供足夠的剛度。

圖3 連接件有限元模型

表1 1～5階固有頻率及振型

圖4 連接件1～5 階振型圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)全自動(dòng)激光去溢料機(jī)中物料抓取機(jī)械手的工作過程，對(duì)其連接零件進(jìn)行靜應(yīng)力有限元分析，發(fā)現(xiàn)零件可能發(fā)生破壞的位置主要集中在連接件的固定孔兩側(cè)，但能夠滿足零件的使用強(qiáng)度要求。通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)零件可能發(fā)生共振破壞的部位在其兩端，主要原因是零件的耳孔結(jié)構(gòu)尺寸過大導(dǎo)致剛度降低。

以上方法驗(yàn)證了連接板零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，也適用于設(shè)備中其他關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)研發(fā)，以此降低研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期，同時(shí)也為后續(xù)激光去溢料機(jī)整機(jī)虛擬樣機(jī)的研究提供了一定的理論和實(shí)踐依據(jù)。