基于SolidWorks的激光去溢料機連接件有限元分析

周琦，張惜君

（1.江陰職業技術學院 機電工程系，江蘇 江陰214405；2.江蘇省江陰中等專業學校 機電工程系，江蘇 江陰214433）

0 引 言

隨著計算機仿真技術在現代機械產品設計中的廣泛應用，采用有限元分析和仿真的方法，對其中關鍵零部件的結構和運動準確性進行驗證，可以較好地縮短產品研發周期，目前已成為一種較為普遍的現代機械產品設計手段。使用三維設計軟件對零件進行應力分析，發現零件使用中的危險位置并分析改進措施，在此基礎上進行疲勞分析，研究零件的使用壽命以確保設備使用的可靠性。通過模態分析發現零件在設備運行過程中可能產生共振的頻率，并加以分析，采取相應措施以避免共振的產生[1]。以此提升設計方案的準確性，縮短設備的研發周期和成本。

激光切割作為激光加工技術中的一種重要應用技術，運用于集成電路芯片封裝生產中的管腳溢料去除，相較于傳統的模具沖裁和高壓水噴淋技術，具有溢料去除率高、去除工藝簡單和去溢料后芯片品質好等顯著特點。項目組研發的全自動激光去溢料機，針對集成電路發展的小型化、多排和超薄等特點，采用激光切割技術實現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，大大提高了產品品質和生產效率。

本文針對全自動激光去溢料機中物料抓取機械爪的連接零件開展有限元分析研究，通過使用SolidWorks 軟件對零件進行應力分析和疲勞分析，分析零件結構設計中的強度問題、可靠性和使用壽命。通過模態分析找出零件工作中易產生共振的頻率并加以分析，以避免共振破壞的產生[2]。

1 連接件應力分析

為適應現代機械設備研發中對于縮短研發周期的要求，對已設計完成的激光去溢料機的連接件零件進行靜態應力分析，通過有限元仿真的方法完成零件在真實工作環境中的承載情況分析驗證，減少了物理樣機的試驗內容與設計返工修改的時間，從而達到縮短去溢料機研發周期的目的，本次研發通過使用SolidWorks 軟件中的simulation 模塊，對激光去溢料機中物料抓取機構的連接件零件進行應力分析，驗證零件在正常載荷作用下的可靠性和安全性。

對激光去溢料機的機械爪連接件進行靜應力分析，首先是在前期設計的三維模型基礎上構建其有限元模型[3]。在SolidWorks 軟件中，點擊打開simulation 菜單，在算例顧問菜單中選擇“新建”→“靜態”，建立連接件零件的靜態分析算例，對該零件的有限元參數進行設置：1）根據設計要求，定義材料屬性，選擇連接件零件的材料為AISI1020 鋼，查表導出得到材料ρ＝7900 kg/m3，彈性模量E=200 GPa, 泊松比μ=0.29，屈服強度σs=352 MPa。2）根據連接件在機械爪中的位置與作用，連接件在物料抓取機械爪中的作用主要是連接兩對抓取集成電路板的卡爪，同時為便于卡爪的靈活運動，連接件通過中間的圓孔實現其在機械爪中的定位，兩端凹槽則實現了兩對卡爪的短距離移動，因此設定中間圓孔和兩側凹槽孔為約束位置。3）根據機械爪的運動關系，對連接件零件施加載荷。如圖1 所示，在連接件兩側安裝卡爪位置施加175 N的約束力，在兩側凹槽底部施加65 N 的壓力。4）網格劃分。連接件零件的網格劃分采用自由網格形式，且允許網格自由過渡，劃分網格后的連接件有限元模型單元數為55 381 個，自由度數為為250 047，節點數為84 819。網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個步驟的設置后，實現了對連接件零件的有限元模型構建，點擊“運行”圖標系統自動進行該零件的有限元分析與計算，得到了連接件零件的應力、位移和應變，如圖2所示。

從圖2(a）所示的連接應力圖中可以看出，零件承受靜態載荷時的最大應力值為3.476 MPa， 且主要集中于連接中間孔上端兩側和耳機內側，該中間孔上端兩側位置發生應力集中的主要原因是零件結構設計中出現了尖角，可通過設計過渡圓角避免此處應力集中現象的產生。耳孔內側下端發生應力集中的主要原因是連接件在應力作用下產生變形，考慮到此處應力值遠小于材料的許用值，可以忽略不計。另外從連接件零件因應力而產生的變形趨勢來看，中間耳孔的設計可適當延長或改為兩側3 個對稱的耳孔，以避免因零件厚度過渡不均而造成的應力集中。

圖1 機械爪連接件模型

圖2 連接件應力、位移和應變圖

從圖2(b）的位移圖中可以看出，連接件因應力作用而產生的位移主要發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設計了耳孔，從而導致零件的剛度降低，在遠離約束位置的零件兩端因靜應力作用而產生位移，結合前面連接件應力變形的問題，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現，即縮短耳孔長度方向尺寸的同時，增加另一對耳孔，同時應使連接件的厚度過渡均勻，從而使得零件的剛度得到加強，應力作用位移降低，保證零件設計的剛度和強度。連接件的應變發生反置，與前述應力圖一致。因此，通過增設過渡圓角和改變耳孔布局就可使零件的應變值降低，這里不再贅述[4]。

2 連接件模態分析

利用SolidWorks 軟件對激光去溢料機的連接進行有限元模態分析，首先須在三維模型的基礎上建立其有限元模型，如圖3 所示。

在完成對連接件零件的有限元模型 建 立后，點擊“運行”菜單系統自動進行有限元模態分析，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生的振動變形主要是零件兩端安裝機械卡爪位置的偏移與擺動，產生這種現象的主要原因是由于零件結構設計中耳孔的尺寸過長，影響了零件的整體剛度和強度，與前述應力分析結果一致，可通過耳孔的結構布局來改善這一現象，從共振發生的幅值而言，激光溢料機本身工作過程中發生表中幅值共振的可能性很小，這一現象可作為零件結構設計的參考，進一步提高所設計零件的剛度[5]。

由圖5 中的前5 階振型圖可以看出，機械爪連接件零件在正常工作狀態下最易因振動而發生變形的部位主要是其兩端與卡爪連接位置，屬于零件結構的薄弱位置，可以對該處位置進行結構優化或改進。第1 階振型的變形發生在連接件的右側末端，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，對零件在設備中的正常使用會產生較大的影響；第5 階振型的變形是繞X 軸的扭轉，產生此種共振的原因與表1 中所述一致，連接件零件耳孔長度尺寸的增加導致其剛度降低，共振變形概率增大，項目組可通過改進該零件的耳孔結構布局，同時注意零件厚度尺寸的均勻過渡，盡可能使設計的零件能夠在滿足強度設計要求的同時提供足夠的剛度。

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 結語

本文針對全自動激光去溢料機中物料抓取機械手的工作過程，對其連接零件進行靜應力有限元分析，發現零件可能發生破壞的位置主要集中在連接件的固定孔兩側，但能夠滿足零件的使用強度要求。通過模態分析發現零件可能發生共振破壞的部位在其兩端，主要原因是零件的耳孔結構尺寸過大導致剛度降低。

以上方法驗證了連接板零件結構設計的合理性和可靠性，也適用于設備中其他關鍵零部件的設計研發，以此降低研發成本、縮短研發周期，同時也為后續激光去溢料機整機虛擬樣機的研究提供了一定的理論和實踐依據。