基于Solidworks Simulation焊線機平臺頻率分析優(yōu)化設計

葉國能，梁榮輝

（廣東科杰機械自動化有限公司，廣東江門 529000）

0 引言

現(xiàn)代機械產品結構日益復雜，提高產品質量和縮短產品開發(fā)周期，成為決定企業(yè)成敗興衰的關鍵問題。LED焊線機是高速、高精度半導體封裝設備，高加速度運動平臺容易出現(xiàn)噪聲和振動。其運動部件的結構設計非常關鍵。

固有頻率是彈性結構固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析方法得到結構物在某一易受影響的頻率范圍內的各階主要模態(tài)的特性，就可以得到結構在此頻段內外部或內部各種振源作用下產生的實際振動響應。因此，模態(tài)分析是結構動態(tài)設計的重要方法[1]。

解耦板是焊線機高加速度運動平臺的最關鍵的運動部件，其性能直接影響焊線機的焊線速度和焊線品質。同時，對其質量也有一定的要求。傳統(tǒng)的設計是在CAD中建立模型，依靠工程師的經驗進行結構設計，一般流程為設計、校核、再設計、再校核的反復設計及改進過程，開發(fā)周期長。

本文利用Solidworks Simulation頻率分析軟件對LED焊線機高加速度運動平臺的解耦板進行模態(tài)分析，并與原結構進行對比分析，找出設計上的不足，之后對其結構及質量分布進行了改進，建立解耦板最終優(yōu)化模型，有助于縮短開發(fā)周期。

1 固有頻率

物體作自由振動時，其位移隨時間按正弦規(guī)律變化，又稱為簡諧振動。簡諧振動的振幅及初相位與振動的初始條件有關，振動的周期或頻率與初始條件無關，而與系統(tǒng)的固有特性有關，稱為固有頻率或者固有周期。固有頻率其實是物體的一種震動時才能體現(xiàn)的特性，在震動時才能表現(xiàn)出來，即：每個物體在有規(guī)律的震動時候，頻率都是一定的，反過來可以說，只有用一定頻率的動力才能使這個物體發(fā)生規(guī)律震動。每個物體在規(guī)律震動中獲得能被影響的震動的頻率是一定的，這個頻率就是這個物體的固定震動頻率[1]。

2 固有頻率影響因素

固有頻率是由物體的密度、外形等物理因素所決定的振動頻率。而施加外力使其振動的頻率叫策動頻率，屬于受迫振動。當策動頻率等于固有頻率時，物體產生共振，到達最大振幅，可能對物體造成損害。特體頻率與其硬度、質量、外形尺寸有關，當其發(fā)生形變時，彈力使其恢復。彈力主要與尺寸和硬度有關，質量影響其加速度。同樣外形時，硬度高的頻率高，質量大的頻率低。但要注意：質量大、頻率低，只是針對一種材料在各力學性能大致一樣的情況下的。另一方面，在相同外形的情況下，材質會起決定性的作用，更改材質，力學性能會也隨之改變，會出現(xiàn)質量和硬度都會發(fā)生變化，這就可能會出現(xiàn)質量大的頻率也大（例如：材質用鋁和鋼的區(qū)別）[2]，也可能會出現(xiàn)質量輕了，但頻率基本不變（例如：材質用鈦和鋼的區(qū)別）。

彈簧的固有頻率：

式中：m為彈簧質量；k為彈簧剛度。

3 焊線機平臺解耦板設計

首套焊線機XY平臺如圖1所示，采取了比較保守的設計方法。首套平臺沒有出現(xiàn)剛性不足的問題，而其主要缺點是：（1）運動部件質量太大，在平臺音圈電機推力不變的情況下，根據(jù)F＝ma，平臺加速度達不到設計要求；（2）解耦板跨度不夠，電機磁力對兩邊導軌滑塊的影響，需增加解耦板跨度。

圖1 首套XY平臺

第二套焊線機平臺如圖2所示，在減輕三軸質量的同時，將Y軸跨度加寬，目的是減少電機磁力對兩邊導軌滑塊的影響。通過FRF頻率分析，發(fā)現(xiàn)解耦板固有頻率只有首套解耦板的1/2，因此，Y軸比例增益超過80時，頻域的裕度已接近飽和，加速度調不上去[3]。

圖2 第二套平臺（減重設計）

為了減少反復設計的過程，借助Solidworks Simula?tion頻率分析軟件進行設計，也跟首套平臺進行了數(shù)據(jù)對比，如表1所示。優(yōu)化解耦板，既解決了首套平臺的問題，也沒有出現(xiàn)優(yōu)化前的共振問題，如圖3所示。

圖3 第二套平臺（解耦板優(yōu)化設計后）

表1 各平臺Y軸解耦板零件對照表

由表可見，第二套平臺借助Solidworks Simulation頻率分析優(yōu)化設計后，各個零件既減輕了質量，又提高了固有頻率。

4 焊線機平臺解耦板優(yōu)化設計

圖4所示為第二套平臺解耦板初始設計。Y軸解耦板與Y軸電機連接，將電機運動經解耦導軌傳遞給鞍座，從而完成焊線機Y軸的動作。在調試時，Y軸在11g加速度時，5 mm的最少單步時間是17 ms，頻率約59 Hz，這個動作所產生的頻率是比較低的。但Y軸運動是經解耦導軌傳遞，由于高速往復運動，使得導軌內部產生振動，雖然并沒有測出導軌所產生的振動頻率，經過上述第二套平臺的經驗，在Y軸進行8.5g加速度作5 mm間隔高速定位運動時，導軌的振動頻率不低于550 Hz[4]。

圖4 第二套平臺解耦板初始設計

解耦板A的固有頻率為550 Hz，質量為633 g。由于在電機調試中，Y軸在8.5g的加速度下，作5 mm定位高速運動時，定位時間為21 ms，且振動明顯。

根據(jù)以上情況，需要對解耦板A位置進行修改，以提高固有頻率，但由于電機推力的問題，所以質量不能提高太多。第一步，先通過Simulation對解耦板進行頻率分析，結果如圖5所示[5]。從圖中可以看出，在自由狀態(tài)下，零件的第7階頻率是此零件的固有頻率，從動畫可以看到，此頻率下的振型是兩連接臂上下擺動，而只要可以抑制這種擺動，就可以有效提高零件的頻率。如圖5的A位，只要提高這個位置的剛性，就可以有效抑制兩連接臂的上下擺動。通過多次試驗，最終將這部分改為如圖6所示的形式，將由中間加固形式改為底面封閉加固形式。

圖5 初始設計分析結果

圖6 第一步修改

分析結果如圖7所示，同樣振型的情況下，零件頻率已提高到808 Hz，質量693 g。但現(xiàn)在零件的最低頻率變?yōu)榱?96 Hz，振型為零件兩臂左右擺動。從振型的變形情況可以看出，兩臂中間的位置最為薄弱，所以，第二步修改則須要對兩臂中間位進行加固，如圖4的B處[6]。

圖7 第一步修改后（第7階頻率）

圖8 第一步修改后（第8階頻率）

修改后如圖9所示，在兩臂中間位下方封閉起來，從而抑制了兩臂的變形。第二次修改后的頻率分析如圖10～11所示，從中可以看出，第7階頻率已提高為759 Hz，質量為720 g，已基本達到要求，已將頻率提高了1/2，但質量只是小幅提升。但從目前振型來看，還是兩臂左右擺動，若要將頻率再提高，則必須再減小兩臂左右擺動的形變。由此，可以進行第三次修改，將兩臂根部加上三角斜位，如圖4的C處，旨在加強兩臂根部的剛度，減小兩臂的擺動[7－8]。

圖9 第二次修改

圖10 第二次修改（第7階頻率）

第三次修改后如圖12所示，兩邊深色橢圓部分。

圖12 第三次修改

圖11 第二次修改（第7階頻率）

第三次修改后的頻率分析圖如圖13所示，零件第8階頻率為903 Hz，振型為兩邊左右擺動，即經過2次改動后，振型一樣的振動頻率已由596 Hz提高到903 Hz。而現(xiàn)時零件的第7階頻率（即固有頻率）為884 Hz，振型已加到第一次分析的兩臂上下擺動，但頻率已由第一次的550 Hz升到第二次的808 Hz，再升到第三次的884 Hz，而質量則由663 g升到771 g。

圖13 第三次修改（第7階頻率）

圖14 第三次修改（第8階頻率）

在經過3次小修改后，解耦板的固有頻率已大幅提高了60%，但質量只是增加了1/6。這3次修改，雖然只是小幅改動，但中間還是經過多次Solidworks Simulation頻率分析，以及多次加固位的尺寸與對應的頻率增減情況，在質量及頻率增加量之間找到一個最為合適的值。

在上機安裝后，通過進行FRF頻率分析，采用自激勵方法。試驗模態(tài)分析是對結構物施加一定動態(tài)激勵，采集各點的振動響應信號及激振力信號，根據(jù)力及響應信號，用各種參數(shù)識別方法獲取模態(tài)振型[9]。

分析后發(fā)現(xiàn)比例增益達到140時，仍然有充足的頻域裕度，如圖15所示。Y軸已可以將加速度提升至11g，且并沒有出現(xiàn)之前的超調和共振情況。

圖15 FRF頻率分析圖

4 結束語

通過應用Solidworks Simulation軟件對焊線機解耦板進行頻率分析，從其固有頻率和模態(tài)振型，可以得到以下結論：焊線機解耦板固有頻率和模態(tài)振型取決于其外形結構和質量分布。在結構優(yōu)化前，解耦板質量為633 g，固有頻率為550 Hz，焊線機平臺加速度調至8g時，出現(xiàn)噪聲和振動現(xiàn)象。針對解耦板的固有頻率和模態(tài)振型，進行優(yōu)化設計后解耦板質量為773 g，固有頻率為884 Hz，焊線機平臺加速度提升至11g。運用Solidworks Simulation軟件進行頻率分析，提高了設計效率，對設計工作具有一定的指導意義。