分揀機L型擺臂的靜動態特性分析及結構優化

陳 磊，孟新宇

(沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110000)

0 引言

擺臂是分揀機中核心機構的關鍵功能部件之一，工作時擺臂帶動吸嘴來完成芯片的分揀。由于分揀機的運行速度很高，所以要求擺臂的靜動態特性必須足夠才能實現芯片的分揀精度和分揀效率[1]，因此，要求擺臂具有足夠的剛度和強度。根據實際工程背景，某芯片分揀機擺臂采用L型擺臂，目前很少有文獻對類似于L型懸臂梁的擺臂進行研究。為了提高芯片分揀機的分揀精度，本文使用ANSYS Workbench軟件對L型擺臂進行瞬態動力學分析以及分選位置的靜動態特性分析，并根據靜動態特性分析結果，以減輕擺臂質量并提高擺臂的靜剛度為目標，對擺臂進行結構優化研究。

1 分揀機構擺臂有限元分析

1.1 分揀機擺臂有限元模型的建立

L型擺臂材料為7075鋁合金[2]，其密度為2 810 kg/m3、彈性模量為72 GPa、泊松比為0.33，經計算擺臂的質量為80 g。將L型擺臂模型導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中[3]，為模擬真實的工作情況，在安裝吸嘴孔下沿建立質量點來模擬吸嘴重量，大小為10 g。在ANSYS Workbench中，選擇使用計算速度快且能保證精度的四面體網格對擺臂進行網格劃分，網格劃分結果如圖1所示。得到的網格單元數為117 738、節點數為176 573。

1.2 擺臂瞬態動力學分析

擺臂通過4個螺栓連接在直線電機帶動的滑塊上，假設擺臂擺動和滑塊滑動的運動規律保持一致[4]。直線電機的驅動力為283 N，假設電機先以恒定的驅動力加速，然后瞬間制動，其速度-時間關系如圖2所示。圖2中，t0為電機勻加速時間，t0=0.1 s；vmax為最大速度，約為7 m/s；t1為勻減速時間，t1=0.02 s。

圖1 擺臂有限元模型網格劃分 圖2 電機的速度-時間關系

在ANSYS中約束擺臂的4個螺栓孔，施加上述載荷，得到吸嘴處(擺臂末端)的位移響應曲線，如圖3所示。

圖3 擺臂末端的位移響應曲線

由圖3可以看出：擺臂在加載過程中的最大位移為2.3 μm左右，加載結束后擺臂的末端仍在振動，且最大振幅為1.3 μm左右，說明擺臂的剛度不足，需要對其優化，使其吸嘴處的振幅滿足工作要求的振幅低于0.8 μm。

1.3 擺臂靜力學分析

在ANSYS Workbench中約束擺臂的4個螺栓孔，將直線電機制動后的加速度(即瞬態動力學分析得到的加速度，約為4 m/s2)施加到擺臂質心，得到擺臂的總體變形云圖和等效應力云圖，如圖4和圖5所示。

圖5 擺臂等效應力云圖

由圖4可知：分揀機擺臂的最大變形為0.152 49 μm，發生在擺臂的頭部，且安裝吸嘴處的變形最大。由圖5可知：擺臂的最大等效應力為0.045 979 MPa，且擺臂大部分區域的等效應力都比較小，說明擺臂有很大的優化空間。

1.4 擺臂模態分析

模態分析不受載荷的影響，故只需約束4個螺栓孔，得到的擺臂前4階模態振型結果如表1所示。

表1 擺臂前4階模態振型結果

由模態分析結果可知，擺臂的前3階振型主要表現為擺臂橫梁部分的擺動，變形最大處發生在擺臂安裝吸嘴的位置，而擺臂的第2階擺動方向和擺臂工作時的移動方向一致，所以要特別關注擺臂的2階固有頻率和振型。分揀機實際工作時，工作頻率大致為10 Hz～20 Hz，遠遠小于擺臂的1階固有頻率，說明擺臂的動態特性很好，有很大的優化空間。

2 分揀機擺臂的結構優化及優化結果

2.1 擺臂的結構優化

為提高擺臂的剛度，采用ANSYS Workbench中的拓撲優化模塊對擺臂的形狀進行優化。以擺臂剛度最大化為優化目標，保留質量為50%作為約束條件對擺臂進行優化。將靜態特性分析的求解數據共享到拓撲優化模塊中，設置優化目標和約束條件后進行求解，結果如圖6所示。

圖6 以剛度最大化為目標的拓撲優化結果

拓撲優化后的形狀很不規則，考慮到吸嘴和各種傳感器的安裝，先大概建立擺臂的模型，接下來對擺臂進行尺寸優化，以確定合理的尺寸，通過靈敏度分析確定對擺臂靜剛度和固有頻率影響較大的尺寸，如圖7所示。

圖7 擺臂結構及設計參數

2.2 擺臂優化結果

使用優化設計模塊對拓撲優化后的擺臂進行靜剛度優化，以靜力學分析和模態分析為基礎，將靜力學分析結果中的最大變形、最大應力和模態分析結果中的1階固有頻率設置為參數并進行約束。具體約束條件如下：①使擺臂的最大應力值小于鋁合金的材料許用應力；②優化后擺臂最大變形量小于工作允許的最大變形量；③把通過靈敏度分析得到的對擺臂參數影響較大的尺寸限制在合理范圍內。

在ANSYS中設置完畢求解得到三組候選點，對比三組候選點，選擇較優的一組候選點作為結果。為便于加工，將所得數據圓整后重新建模進行分析，靜態分析得到的擺臂結構優化前、后的結果如表2所示，瞬態動力學分析得到的擺臂末端位移響應如圖8所示。

由表2可知：優化后的擺臂1階固有頻率較優化前增加了65.62 Hz，質量減少了26%，擺臂吸嘴處的最大變形減少了38.9%，應力減少了39%，靜剛度得到了提高。

對比圖3與圖8可知：擺臂在加載過程中吸嘴處的最大變形降低了39%左右，振動幅值降低了51%左右，而且在等待時間內，末端吸嘴處的振動在規定時間基本降為0，擺臂末端的振動不可避免，但達到了工作允許的振動范圍內，這種優化結果可以接受。

表2 靜態分析得到的擺臂結構優化前、后的結果

3 結論

在典型工況下，對某型號的芯片分揀機擺臂進行瞬態動力學分析和靜動態特性分析，得到了擺臂末端的位移響應以及靜動態特性，為擺臂優化提供依據。采用ANSYS Workbench中的優化模塊對L型擺臂進行結構優化，并結合實際的工作情況對擺臂進行改進。改進后擺臂的質量減少26%，而擺臂的靜剛度增加了38.9%，應力減少了39%，達到了優化設計的目的，可以為其他L型擺臂的優化分析提供參考。

圖8 優化后擺臂末端的位移響應曲線