基于SolidWorks Simulation的潔凈機械手機身振動特性分析

摘 要：利用SolidWorks和SolidWorks Simulation軟件對潔凈機械手進行三維實體建模與動態特性分析。通過結構優化，改變了潔凈機械手的低階固有頻率，避免了共振的產生。通過改變潔凈機械手的振型，提高了潔凈機械手取放工件的搬運精度，為結構的改進提供了可靠的參考依據。

關鍵詞：潔凈 機械手 模態

中圖分類號：TQ051文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）04（b）-0250-02

半導體制造行業在我國的迅速發展，設備的自動化程度也越來越高。現代化的設備常常配置有潔凈機械手，以提高生產效率。潔凈機械手是為半導體生產自動化專門配備的機械手，它可以在保證產品質量、改善勞動條件、降低生產成本、增強企業的競爭力等方面起到及其重要的作用。

在實際工作過程中，潔凈機械手在低頻率下會產生劇烈的振動，影響潔凈機械手的工作可靠性，容易產生因潔凈機械手的誤操作而使被取工件報廢等事故。因此，降低潔凈機械手的低頻振動，對提高生產效率和穩定產品質量有著極其重要的作用。本文在分析某潔凈機械手取放工件特性的基礎上，結合其本身的結構特點，優化其動力特性，以期提高取放工件的定位精度。

鑒于潔凈機械手的取放工件定位精度與機身振動特性在實際產品開發中的重要作用，很多單位和學者對其展開了研究。謝志江[1] 通過對搬運機械手進行三維實體建模與動靜態特性分析和優化，提高了機械手的低階固有頻率，避免了共振的產生，此方法缺乏對實踐工藝的分析。李志剛[2]通過對機械手進行模態、諧響應等分析，并針對實際工況分析瞬態動力學特性，其方法復雜，不便于產品開發實踐。在潔凈機械手的產品開發中，由于受外形尺寸、潔凈度要求、剛度要求、元器件尺寸等因素的限制，產品設計難度大，所以需要一種適合于潔凈機械手機身振動特性分析方法，提高其取放工件的定位精度。本文以機械振動學為理論基礎，基于SolidWorks Simulation軟件，建立了潔凈機械手機身模型，分析了潔凈機械手振動模態與結構的規律，為潔凈機械手振動控制建立了理論依據。

1 機械振動學理論基礎及軟件介紹

1.1 機械振動學理論基礎

每種結構都有它固有的振動頻率，稱之為共振頻率。這樣的頻率都和特定形式的振動聯系在一起。當某一結構的共振頻率被激活時，將表現出一種振動的形態，稱之為振動模SolidWorks Simulation[3]與 SolidWorks完全集成的設計分析系統。SolidWorks Simulation提供了應力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優化分析等解決方案。所涉及的內容有線性靜態、頻率、動態等分析。該軟件采用了有限元方法（FEM）。FEM是一種用于分析工程設計的數字方法。FEM由于其通用性適合使用計算機來實現，因此已被公認為標準的分析方法。

2 潔凈機械手機身振動特性分析

2.1 潔凈機械手機身模型

潔凈機械手是一個比較復雜的結構，建模時應盡量簡化模型的規模，如管線、螺釘、倒角等對分析影響不大的部件或特征都可被忽略掉[4-5]。潔凈機械手主要由手臂、手指、手指左末端和手指右末端組成。在SolidWorks軟件中建立模型，簡化模型如圖1所示。材料選用6061鋁合金，其彈性模量E=69 GPa，泊松比μ=0.33，密度ρ=2700 kg/m3。實體轉化為有限元模型后，采用網格自由劃分，共含有54546個節點和29689個單元（如圖1）。

2.2 潔凈機械手模態分析

對產品進行模態分析，是產品新研制中不可缺少的重要步驟[6]。通過對潔凈機械手進行前5階的模態分析，獲得前5階固有頻率及振型，如表1所示。潔凈機械手第4階振型圖，如圖2所示。

固有頻率和振型是機械結構的固有特征，而低階固有頻率，尤其是前5階固有頻率決定了結構的剛度。因此，固有頻率應盡可能地避開工作頻率，避免共振的產生，提高結構的剛度[7-8]。機械手由伺服電機驅動，電機直接安裝在轉軸上，因此，當電機高速運轉時，對機械手的激勵作用是不可忽視的. 設為激振頻率；為電機轉；為上下浮動誤差，電機的激振頻率可由下式求得：

（3）

由模態分析可知，機械手的第4階固有頻率為161.49 Hz，接近電機的激振頻率，會發生共振。參考圖2，導致潔凈機械手抓取物體時手指左末端局部和手指右末端局部，不能同時吸附上側工件，導致定位不準確，嚴重影響了定位精度。因此，有必要對該結構進行優化，改變其低階固有頻率以避免工作時產生共振。

2.3 潔凈機械手優化設計及分析

通過對潔凈機械手結構進行優化，改變其振動特性，再次對潔凈機械手進行模態分析，獲得前5階固有頻率及振型，如表2所示。潔凈機械手第4階振型圖，如圖3所示。

由結構優化后的模態分析可知，機械手的第4階固有頻率為143.38 Hz ，遠離電機的激振頻率，不會發生共振，參考圖3，潔凈機械手抓取物體時手指右末端局部振動，當振動到上側時，可以和左側手指同時吸附上側工件，達到定位準確的目的。

3 結語

應用SolidWorks的Simulation功能，對潔凈機械手進行結構優化分析，通過潔凈機械手的結構優化，改變其低階固有頻率和振型，從而提高了潔凈機械手取放工件的搬運精度，為潔凈機械手的結構優化設計提供了一種高效、可行的方法。

參考文獻

[1]謝志江.基于ANSYS Workbench的搬運機械手結構優化設計[J].機械與電子，2010（1）：65-67.

[2]李志剛.注塑機械手振動控制研究[J].制造業自動化，2011（10）：27-30.

[3]陳超祥.SolidWorks Simulation高級教程[M].北京：機械工業出版社，2011.

[4]吳兆東，馬星國，尤小梅，等.基于ANSYS的某履帶式裝甲車懸掛裝置的模態分析與改進設計[J].沈陽理工大學學報，2008（4）：80-83.

[5] Tokhi M O，Mohamed Z.Modeling of a flexible robot manipulator using finite methods：a symbolic approach[J].Journal of Low Frequency Noise Vibration and Active Control，1999，18（2）：63-76.

[6]李兵，陸建輝.注塑機械手結構拓撲優化設計[J].機械，2009（2）：12-14.

[7]高東強，田振亞，郝大建，等.基于ANSYS的絲杠動態特性分析研究[J].起重運輸機械，2008（11）：54-57.

[8]張向宇，熊計，好鋅，等.基于ANSYS的立柱有限元分析與結構優化設計[J].機械科學與技術，2008（12）：1602-1605.