降低UV激光打孔機Z軸振幅的瞬態(tài)動力學(xué)有限元分析技術(shù)研究

林小夏 高 壘 余廷勛（廣東正業(yè)科技股份有限公司，廣東 東莞 523808）

降低UV激光打孔機Z軸振幅的瞬態(tài)動力學(xué)有限元分析技術(shù)研究

Paper Code: S-084

林小夏 高 壘 余廷勛
（廣東正業(yè)科技股份有限公司，廣東 東莞 523808）

針對UV激光打孔機Z軸系統(tǒng)在加減速運動過程中的振動問題，文章運用瞬態(tài)動力學(xué)有限元分析技術(shù)，建立了UV激光打孔機Z軸系統(tǒng)瞬態(tài)動力學(xué)有限元模型，對Z軸系統(tǒng)進行瞬態(tài)動力學(xué)分析。分析了Z軸系統(tǒng)的主要零部件（包括振鏡，各反射鏡以及CCD相機機座等）的振動特性。根據(jù)分析結(jié)果，對UV激光打孔機Z軸系統(tǒng)進行了優(yōu)化和改進，很好控制了Z軸系統(tǒng)主要零部件在加減速運動過程中的振幅。從而提高激光打孔的精度，有效提升產(chǎn)品的性能。

紫外激光打孔機；有限元分析；瞬態(tài)動力學(xué)；振動特性；優(yōu)化設(shè)計

1 引言

有限元法就是將一個復(fù)雜的連續(xù)體求解問題，采用先分后合的方法，將它的求解區(qū)域劃分為有限個形狀相對簡單的單元所組成的集合體（或稱離散化），每個單元之間通過其節(jié)點相互聯(lián)系。使得原先是無限自由度的連續(xù)問題，變成了有限個自由度的問題。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展， 有限元技術(shù)作為一種工程分析工具，在工程技術(shù)領(lǐng)域得到了迅速推廣和廣泛應(yīng)用[1]-[3]，受到越來越多企業(yè)的青睞。通過有限元分析，能夠在產(chǎn)品加工制造前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題，確保產(chǎn)品設(shè)計的合理性，并通過優(yōu)化設(shè)計，找出產(chǎn)品設(shè)計最佳方案。通過有限元分析，能模擬各種試驗方案，有效減少試驗時間和經(jīng)費，為快速研發(fā)和提高產(chǎn)品性能提供理論支持。

UV激光打孔機主要應(yīng)用于HDI板、撓性板鉆一階盲孔、二階盲孔、通孔等。UV激光打孔機鉆孔速度快，孔型質(zhì)量好，可靠性穩(wěn)定性高。由于UV激光打孔機Z軸系統(tǒng)需要在橫梁上作快速往返運動。在較大的加速度和慣性力等作用下，Z軸系統(tǒng)的零部件（包括振鏡，各反射鏡以及CCD相機機座等）會產(chǎn)生振動，振鏡和反射鏡的微小振動，都會影響激光束光路的走向以及聚焦，從而影響激光打孔的精度和效果。為此，通過有限元仿真技術(shù)，對UV激光打孔機Z軸系統(tǒng)進行瞬態(tài)動力學(xué)有限元分析，分析UV激光打孔機Z軸系統(tǒng)在加減速運動過程中的振動特性。并對UV激光打孔機Z軸系統(tǒng)進行了優(yōu)化和改進，降低了Z軸系統(tǒng)主要零部件在加減速運動過程中的振幅。從而提高激光打孔的精度，有效提升產(chǎn)品的性能。

2 Z軸系統(tǒng)瞬態(tài)動力學(xué)有限元模型的建立

瞬態(tài)動力學(xué)分析能夠得到任何結(jié)構(gòu)關(guān)于時間載荷的響應(yīng)[4][5]。不同于一般的瞬態(tài)分析，瞬態(tài)動力學(xué)模型還可以添加運動副。零件與零件之間可以產(chǎn)生宏觀的相對位移。運動副是兩構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生相對運動的活動聯(lián)接。不同于剛體動力學(xué)分析，瞬態(tài)動力學(xué)的模型可以是剛體，也可以是柔性體，對于柔性體，還可以考慮材料的非線性特征，最終就能得到柔性體的應(yīng)力，應(yīng)變以及位移的響應(yīng)。

建立UV激光打孔機有限元分析模型，既要保證建模的準確性，同時也要對模型進行必要的簡化，以提高建模和求解效率。

對Z軸系統(tǒng)添加一個X方向的移動副。允許Z軸系統(tǒng)可以在X軸直線電機上進行來回運動。Z軸系統(tǒng)的運動速度曲線如圖1所示。

由Z軸系統(tǒng)速度曲線可得，在0.004 s到0.006 s，Z軸系統(tǒng)作勻加速運動，加速度為12/(0.006-0.004)=6000 mm/ s2，在0.006s到0.008s，Z軸系統(tǒng)作勻減速運動，加速度為-12/(0.008-0.006)=-6000 mm/s2。Z軸系統(tǒng)運動的位移為12(0.008-0.002)/2=0.024 mm。UV激光打孔機瞬態(tài)動力學(xué)有限元分析模型，載荷以及約束如圖2所示。各實體部分的材料的參數(shù)表如表1所示。

圖1 Z軸系統(tǒng)的運動速度曲線

表1 材料參數(shù)

3 UV激光打孔機Z軸系統(tǒng)振動特性分析

對UV激光打孔機Z軸系統(tǒng)進行瞬態(tài)動力學(xué)有限元分析。得到Z軸系統(tǒng)在加減速狀態(tài)下的動力學(xué)響應(yīng)。表2分別是振鏡，第二反射鏡機座，第三反射鏡機座以及CCD相機機座在三個方向上的振幅。

表2 Z軸系統(tǒng)各零部件三個方向上的振幅

振鏡X方向的振幅為0.0247 mm-0.024 mm=0.0007 mm，Y方向的振幅為0.0022 mm，Z方向的振幅為0.0045 mm。位移振幅曲線可知，Z方向的振幅屬于整體振動。對于振鏡以及各反射鏡，我們一般要將X、Y、Z三個方向的振幅控制在0.005 mm之內(nèi)。因此振鏡X、Y、Z三個方向振幅都比較小，滿足要求。

第三反射鏡機座X方向的振幅為0.0246 mm-0.024 mm=0.0006 mm，Y方向的振幅為0.003 mm，Z方向的振幅為0.0045 mm。從圖4中位移振幅曲線可知，Y、Z方向的振幅屬于整體振動。因此第三反射鏡機座X、Y、Z三個方向振幅也比較小，滿足要求。

CCD相機座X方向的振幅為0.0376 mm-0.024 mm=0.0136 mm，Y方向的振幅為0.0118 mm，Z方向的振幅為0.089 mm。因此CCD相機座X、Y、Z三個方向振幅都比較大。需要對其進行加強改進。

第二反射鏡機座X方向的振幅為0.0034 mm，Y方向的振幅為0.0027 mm，Z方向的振幅為0.0071 mm。第二反射鏡機座X、Y方向的振幅比較小，但Z方向的振幅比較大。因此需要對其進行加強改進。

4 UV激光打孔機改進設(shè)計以及分析

由以上分析可得，振鏡和第三反射鏡機座X、Y、Z三個方向的振幅都比較小。CCD相機座三個方向的振幅都比較大。第二反射鏡機座Z方向的振幅也比較大。需要對其進行改進和優(yōu)化。改進優(yōu)化方案主要包括以下幾方面：（1）在CCD相機座根部增加一塊加強筋；（2）增加第二反射鏡機座三角肋板的高度；（3）對橫梁的底座進行了加強。

通過改進優(yōu)化后，振鏡，第二反射鏡，第三反射鏡機座以及CCD相機機座在三個方向上的振幅都有所減小。特別是CCD相機機座以及第三反射鏡機座，其振幅有了明顯的減小。Z軸系統(tǒng)在加減速狀態(tài)下的振動性能得到提高。表3是Z軸系統(tǒng)各零部件改進前與改進后的振幅對比。

表3 Z軸系統(tǒng)各零部件改進前與改進后的振幅對比

通過改進和優(yōu)化，薄弱的地方得到了加強。Z軸系統(tǒng)各零部件在加減速狀態(tài)下的振幅得到了控制，從而提高激光打孔的精度，有效提升產(chǎn)品的性能。

5 結(jié)語

本文運用瞬態(tài)動力學(xué)有限元仿真分析技術(shù)，對UV激光打孔機Z軸系統(tǒng)進行了有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研究工作的成果有以下兩個方面：

（1）運用有限元方法，建立了UV激光打孔機Z軸系統(tǒng)瞬態(tài)動力學(xué)有限元模型，對Z軸系統(tǒng)進行瞬態(tài)動力學(xué)分析。分析了Z軸系統(tǒng)的主要零部件（包括振鏡，各反射鏡以及CCD相機機座等）的振動特性。

（2）根據(jù)分析結(jié)果，對UV激光打孔機Z軸系統(tǒng)進行了優(yōu)化和改進，提出改進方案，對CCD相機座，第二反射鏡機座以及橫梁底座進行加強。優(yōu)化和改進后，降低了Z軸系統(tǒng)主要零部件在加減速運動過程中的振幅。從而提高激光打孔的精度，有效提升產(chǎn)品的性能。

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[2] YAGMUR L, BAGLIE F. Experimental and dimensional characterization of a Prototype Piston-cylinder unit and validation using finite element analysis (FEA) [J]. Measurement, 2009, 42(5)∶ 678-684.

[3] H. Pries and H. Chr. Wille, Some examples of modern vehicle design analysis by the finite element method, Int. J. of Vehicle design, Vol. S, nos. l/2, 1984, Printed in U.K

[4] 王玉飛. 拆除機器人結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)動力學(xué)分析[J]. 裝備制造技術(shù), 2010, 8∶ 30-32.

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林小夏，博士，廣東正業(yè)科技股份有限公司仿真高級工程師，從事產(chǎn)品設(shè)計，性能分析與仿真優(yōu)化工作。

Transient dynamic finite element analysis technology research for reducing the amplitude of UV laser drilling machine Z axes system

LIN Xiao-xia GAO Lei YU Ting-xun

Aiming at the problem of vibration to the UV Laser Drilling Machine Z axes system, applying the transient dynamic finite element method, a transient dynamic finite element analysis model of the UV Laser Drilling Machine Z axes system has been set up. This paper first makes research on the vibration characteristic of the UV Laser Drilling Machine Z axes system (includes the scanning mirror, each speculums and CCD camera base). Then, according to the simulation results, it does the optimization and improvement design to the Z axes system. After the improvement design, the amplitude of the scanning mirror, each speculums and CCD camera base has been reduced during acceleration and deceleration. So the Laser drilling accuracy and the product performance has been improved a lot effectively.

UV Laser Drilling Machine; Finite Element Analysis; Transient Dynamic; Vibration Characteristic; Optimization Design

TN41

A

1009-0096（2015）03-0060-04