基于Solidworks的激光去溢料机固定架模态分析

周琦 张惜君

摘要：针对全自动激光去溢料机中的固定架零件进行结构设计与三维造型，并以此为对象利用Solidworks软件的仿真模块，对该零件分别进行自由和约束状态下的模态分析，研究其前5阶固有频率和振型图，较为准确地预测固定架零件的变形情况，发现其结构设计缺陷并加以改进，以此保证了零件设计的合理性，避免了复杂的理论分析与计算过程，也为进一步开展零件优化设计和激光提升去溢料机整机工作性能提供了理论依据。

Abstract： In this paper the structure design and three-dimensional modeling of the fixing frame parts in the automatic laser overflow removing machine were carried out. And for this reason by using the simulation module of SolidWorks software， the modal analysis of the part under free and constrained States were also carried out. By studying the first five natural frequencies and mode shapes， the deformation of the fixed frame parts can be predicted accurately， and the structural design defects can be found and improved， so as to ensure the rationality of the part design and avoid the complicated theoretical analysis and calculation process. It also provided a theoretical basis for the further optimization design of the parts and the laser enhanced performance of the whole machine.

關键词：Solidworks;激光去溢料机;固定架;模态分析

Key words： SolidWorks;laser de overflow machine;fixed rack;modal analysis

中图分类号：TN249                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）21-0026-03

0  引言

随着计算机仿真技术在现代机械产品设计中的高度应用，采用有限元分析和仿真的方法，对其中关键零部件的结构和运动准确性进行验证，可以较好地缩短产品研发周期，目前已成为一种较为普遍的现代机械产品设计手段。使用三维软件完成零部件的结构造型设计，在此基础上模拟零部件在设备运行中的运动和受力情况，分析零部件结构设计中可能存在的问题或缺陷，以及在确保设备稳定性和可靠性的前提下开展优化设计，有助于提升设计方案的准确性，缩短设备的研发周期和成本。

激光切割作为激光加工技术中的一种重要应用技术，运用于集成电路芯片封装生产中的管脚溢料去除，相较于传统的模具冲裁和高压水喷淋技术，具有溢料去除率高、去除工艺简单和去溢料后芯片品质好等显著特点。项目组研发的全自动激光去溢料机，针对集成电路发展的小型化、多排和超薄等特点，采用激光切割技术实现芯片管脚溢料的完全快速切割，使得芯片管脚的零溢料成为可能，大大提高了产品品质和生产效率。

1  零件的三维造型设计

考虑到物料抓取机械手的使用性能及产品的经济性要求，在设计机械手中的固定架时，尽可能采用对称结构以简化机械手的零部件组成。因此，根据去溢料芯片的形状特点和抓取过程以及机械爪快速移动对重量的要求，设计零件中间的两对孔为该零件在机械手中的定位、固定孔，其两侧为移动丝杠螺母的安装孔，用以保证机械爪的松紧。下端则开槽以减轻自重。在使用Solidworks软件进行固定架的三维造型时，只需简单的拉伸、切除操作即可完成，设计完成的固定架零件结构如图1所示。

2  自由状态下模态分析

固定架零件自由状态下的模态分析，主要是为了验证零件安装在设备中后处于静态时的自由振动变形，并以此作为研究去溢料机工作时固定架零件振动变形的参考。依照有限元模态分析的一般流程，选择固定架零件的材料为AISI1020钢，进行网络划分后得到的零件单元数为79587，自由度数为354651，节点数为118217。通过Simulation的有限元计算功能得到固定架零件的前5阶固有频率和振型图如表1和图2所示。

由表1和图2可知，固定架在自由状态下的前3阶振型为刚体，这里不作研究。当去溢料机的工作频率接近表中的第4、5阶频率时，固定架可能发生共振破坏，其主要形式分别是宽度方向和长度方向的延伸，该两处变形均会改变物料抓取机构的工作状态和精度，需要避免。其中对于第5阶振型的长度延伸变形，可通过缩短下端面凹槽长度尺寸来提升固定架两端的强度和刚度，避免共振现象的产生。

3  约束状态下模态分析

前述固定架在自由状态下的模态分析发现，固定架零件在去溢料机空置状态下发生振动的可能性几乎为零，仅需缩短下侧凹槽尺寸以保证其强度，零件结构设计合理，针对工作状态下的固定架零件，需施加合适的约束进一步分析其振动变形情况。根据固定架零件在机械手工作时的状态与需求，在其两侧的固定孔施加约束，再次对其进行模态分析，得到表2所示的前5阶固有频率，以及图3所示的振型图。

由表2和图3，固定架在物料抓取机构工作过程中产生振动破坏的频率均在2300Hz以上，需要注意设备工作中综合振动频率对零件的影响。固定架的第1阶振型产生的变形主要是零件中间弯曲而导致的两端翘起，产生该现象的主要原因在于上下侧凹槽尺寸过大而导致零件中间位置的强度降低;第2阶振型与前述一致，为防止这两种变形的产生，在不改变上端凹槽尺寸的前提下可通过缩短下侧凹槽的长度尺寸，使上下两侧凹槽的尖角距离变远，以提升零件的强度和刚度。第3阶段振型则主要是零件两端的弯曲，该阶变形量较小，对零件的影响不大;第4、5阶振型则导致了固定架中间两侧的严重弯曲，该变形导致零件在机构过程中失效，必须避免该2阶固有频率的发生。

4  结语

根据物料抓取机械手在激光去溢料机中的作用及动作，完成其固定架零件的结构设计与三维造型。为了保证机械手抓取集成芯片的准确性和稳定性，对该固定架零件分别进行了自由和约束状态下的模态分析，发现该零件在工作过程中有可能发生的振动变形及共振频率，发现缩短底侧凹槽尺寸提高零件的结构强度，可有效避免该共振变形的发生。

通過对设计的零件进行自由和约束状态下的模态分析，能够从振动变形的角度有效地发现零件结构设计缺陷，以及提高零件设计的准确性和设备的整机工作性能。该方法同样适用于激光去溢料机中其他关键零部件的设计与合理性验证，也为全自动激光去溢料机的进一步动力学分析和零件优化设计奠定了一定的基础。

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