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摘要：通过采用虚拟样机技术，对自动化设备的执行机构进行分析研究，避免物理样机因设计缺陷而重复制造的问题。使用Solid Works软件对全自动激光打标机的物料抓取机构进行有限元静态分析和疲劳分析，发现机构中结构设计的薄弱环节，针对性地提出了优化方案，验证机构的疲劳寿命，对机构材料的选用提出了合理的建议，以此保证了物料抓取机构在激光打标机使用过程中的稳定性和可靠性。同时降低了设备的研发成本，缩短了研发周期，也为后续设备整机虚拟样机的分析研究奠定了理论与实践基础。
Abstract： In order to avoid the problem of repeated manufacturing of physical prototype due to design defects， the actuator of automation equipment was analyzed and studied by using the virtual prototype technology. This article introduced the finite element static analysis and fatigue analysis of automatic laser marking machine's material grabbing mechanism by using solidworks software. The weakness of structure design in mechanism was found， and the optimization scheme was also put forward. Then it verified the fatigue life of the mechanism， and put forward the reasonable suggestions for the selection of mechanism materials， so as to ensure the stability and reliability of the material grabbing mechanism in the use of the laser marking machine. At the same time， it reduced the R&D cost of the equipment， shortened the R&D cycle， and laied a theoretical and practical foundation for the subsequent analysis and research of the virtual prototype of the whole equipment.
关键词：Solid Works;物料抓取机构;静态分析;疲劳分析
Key words： SolidWorks;material grabbing mechanism;static analysis;fatigue analysis
0 引言
隨着计算机仿真技术的高速发展和应用，采用虚拟样机技术中的模拟仿真手段，验证关键零部件结构设计的合理性和产品性能，已成为一种较为普遍的现代机械设计方法。通过构建三维虚拟模型，采用有限元方法快速地分析机械零部件的结构合理性和疲劳强度，分析振动、热响应对整机工作性能的影响，实现机械产品的最优化设计，从而大大缩短了机械产品的研发周期和成本。激光打标作为激光加工技术中的一种重要应用技术，与传统的喷码技术相比，除了打标图案防伪性能极好外，还具有环保、打标质量高、速度快、成本低等显著特点。项目组研发的全自动封装芯片激光打标机，采用激光进行集成电路的表面字符刻制，属于一种全新的图形字符标识方式。
本文针对全自动激光打标机中的关键执行机构——物料抓取机构进行分析研究，利用Solid Works软件建立该机构的三维虚拟模型，并对该机构进行静态强度分析和在此基础上的疲劳强度分析，以此验证物料抓取机构设计的合理性和可靠性。
1 建立物料抓取机构模型
在Solid Works软件中建立物料抓取机构的三维模型，首先需完成机构中各零件的三维造型设计，同时为便于后续仿真分析计算，在进行建模时对机构中的零件进行了必要的简化，如省略了螺纹、螺钉等对结构分析结果影响较小的特征等，在此基础上按照零件的装配关系进行物料抓取机构的虚拟装配，最后为避免在后续有限元分析中出现干涉问题，还需对装配完成的机构进行干涉检查。装配完成的全自动激光打标机物料抓取机构模型如图1所示。
2 机构的静应力分析
在现代机械设计方法中，为缩短机械产品的研发周期，通常使用仿真软件对所设计产品的关键零部件或机构进行运动仿真、有限元分析和优化设计，在完成一系列模拟真实环境的计算后，制造物理样机进行产品的最终验证。全自动激光打标机中的物料抓取机构，承担将集成电路抓取后从输送机构传送至打标位置的作用，属于激光打标机的关键执行机构，该机构机械结构及性能的好坏，对于激光打标机能否实现集成电路的精准自动输送具有重要的作用。为便于项目团队对于该款全自动激光打标机整机虚拟样机的分析，本次研究通过使用Solid Works软件的Simulation模块，对物料抓取机构进行静应力计算，研究其正常工作时物料抓取机构承受的静强度和结构可靠性能是否满足设备的设计使用要求。
在Solid Works软件中进行全自动激光打标机物料抓取机构的静态应力分析，首先，进入软件的办公室产品界面选择“Simulation”菜单，在算例顾问的下拉菜单中选择“新建”，类型选择静态，建立物料抓取机构的静态分析算例;其次，对物料抓取机构有限元计算的参数进行设置，具体过程如下： ①定义材料属性，根据设计要求选择物料抓取机构材料为AISI1020钢，设置材料属性：密度ρ=7900kg/m3，弹性模量E=200GPa，泊松比μ=0.29，屈服强度为？滓s=352MPa。
②设置约束条件，根据全自动激光打标机工作时物料抓取机构的运行过程添加约束，机构中的移动支架由步进电机驱动沿固定横梁的直线导轨作往复直线运动，设定此处的导轨槽为约束施加位置，其底部通过滚轮与固定横梁接触，不需施加约束。
③施加载荷，根据物料抓取机构的设计计算数据和运动情况，设定滚轮与固定横梁的接触在何为75N，步进电机对抓取机械手移动的驱动力矩为28.56N·m，机械手抓取集成电路的活动块承受64N的正压力，忽略抓取机械手自重所产生的重力。
④网格划分，物料抓取机构的网格划分采用自由网格形式，允许网格自由过渡，划分网格后有限元模型的单元数为127945个，自由度数为633312个，节数为211203个。网格划分后的物料抓取机构有限元模型如图2所示。
完成以上物料抓取机构有限元参数设置以后，初步实现了对物料抓取机构的有限元建模，点击“运行”图标对该机构进行有限元静应力计算，得到如图3-图5所示的物料抓取机构应力、位移和应变图。
由图3可知，物料抓取机构在正常工作状态下，承受载荷所产生的最大应力发生在机构中移动支架和抓取机械手的连接位置，其值为81.95MPa，远小于机构中移动支架材料的屈服极限352MPa，项目组设计的物料抓取机构从结构强度的角度考虑，完全能够满足工作要求。由图4可以看出，物料抓取机构在工作载荷作用下产生的最大位移主要位于抓取机械手远离移动支架的末端，其值为0.002075mm，由于抓取机械手的爪子结构布局上属于对称分布，且位移量相对于设备精度而言可以忽略不计，因而无需对该处位置的结构施加任何强化措施。从图5的应变图可知，机构的最大应变发生在移动支架与抓取机械手的连接位置，与图3所示的最大应力位置一致，可能对机构的工作产生一定的影响，可通过延长加强肋的高度尺寸优化其强度。另外，機构中连接板中部在图3和图5中均显示应力和应变较大，也许对该处结构进行优化。
3 机构的疲劳强度分析
机械设备中某些关键零部件在设备运行过程中，由于交变应力的反复作用，导致其逐渐形成裂纹乃至发生疲劳断裂，影响设备的正常使用。全自动激光打标机的物料抓取机构，在设备运行时高速往复运动，其关键零部件容易产生疲劳破坏，有必要对该机构进行静力分析基础上的疲劳强度分析。
在Solid Works软件中对物料抓取机构进行疲劳分析，首先为疲劳分析算例关联前述完成的静态分析，根据AISI1020钢的抗拉强度计算得到物料抓取机构的理论S-N曲线，根据材料实际情况修正后的S-N曲线如图6所示。在完成以上操作后点击“运行”图标，系统自动进行疲劳强度分析计算，得到如图7所示的物料抓取机构损坏百分比图和图8所示的生命总数图。
由图7可以看出，物料抓取机构在1000次交变载荷循环作用下，其损坏百分比均小于1，说明该机构在设备运行过程中发生疲劳破坏的概率较小。其主要原因由于抓取集成电路过程中所需承担的载荷较小，对机构的材料可以考虑选用更加经济实惠的钢材或铝合金材料。
由图8可知，物料抓取机构几乎所有部位疲劳次数接近于3×106，远高于机构材料的无限疲劳次数，满足机构的设计使用要求。
因此，综合图7和图8的分析可知，采用AISI1020钢所设计的物料抓取机构，其中任一零件产生疲劳裂纹的概率几乎为零，有必要对该机构的材料进行重新选用，以降低设备的生产成本。
4 结语
本文针对全自动激光打标机中物料抓取机构的工作要求与过程，使用Solid Works软件对其进行静态应力分析，发现机构中可能发生屈服破坏的位置主要集中在连接支架上，提出重新对其进行结构优化设计以满足工作强度要求，通过疲劳强度分析，得到机构的损坏百分比和生命总数图，并由此分析得出该机构发生疲劳破坏的概率几乎为零，有必要重新选用合适的材料以降低成本。
项目组采用有限元分析的方法，对全自动激光打标机的物料抓取机构进行静态分析和疲劳分析，以及在此基础上的优化设计，验证了设计的合理性和可靠性。该方法同样适用于本设备中其他关键零部件的设计与优化，以降低设备研发成本，缩短研发周期，同时也为后续激光打标机整机虚拟样机的分析研究提供了理论和实践依据。
参考文献：
[1]刘阳.基于ANSYS的采煤机截割部关键零件有限元分析[J].煤矿机械，2018（11）：164-166.
[2]任甲举，王庆雷，刘卫，等.基于Workbench的链条拆节机撞针疲劳寿命分析[J].机械传动，2019（1）：130-132.
[3]张晓军.矿井绞车关键结构的有限元模拟研究[J].能源与节能，2017（4）：159-160.
[4]王海军，殷国富，何波，等.基于SolidWorks Simulation的球磨机转轴有限元分析[J].机械，2014（1）：44-48.
[5]王清强，郝磊，何盼，等.起重机吊钩的疲劳寿命分析[J].煤矿机械，2018（12）：58-61.
Abstract： In order to avoid the problem of repeated manufacturing of physical prototype due to design defects， the actuator of automation equipment was analyzed and studied by using the virtual prototype technology. This article introduced the finite element static analysis and fatigue analysis of automatic laser marking machine's material grabbing mechanism by using solidworks software. The weakness of structure design in mechanism was found， and the optimization scheme was also put forward. Then it verified the fatigue life of the mechanism， and put forward the reasonable suggestions for the selection of mechanism materials， so as to ensure the stability and reliability of the material grabbing mechanism in the use of the laser marking machine. At the same time， it reduced the R&D cost of the equipment， shortened the R&D cycle， and laied a theoretical and practical foundation for the subsequent analysis and research of the virtual prototype of the whole equipment.
关键词：Solid Works;物料抓取机构;静态分析;疲劳分析
Key words： SolidWorks;material grabbing mechanism;static analysis;fatigue analysis
0 引言
隨着计算机仿真技术的高速发展和应用，采用虚拟样机技术中的模拟仿真手段，验证关键零部件结构设计的合理性和产品性能，已成为一种较为普遍的现代机械设计方法。通过构建三维虚拟模型，采用有限元方法快速地分析机械零部件的结构合理性和疲劳强度，分析振动、热响应对整机工作性能的影响，实现机械产品的最优化设计，从而大大缩短了机械产品的研发周期和成本。激光打标作为激光加工技术中的一种重要应用技术，与传统的喷码技术相比，除了打标图案防伪性能极好外，还具有环保、打标质量高、速度快、成本低等显著特点。项目组研发的全自动封装芯片激光打标机，采用激光进行集成电路的表面字符刻制，属于一种全新的图形字符标识方式。
本文针对全自动激光打标机中的关键执行机构——物料抓取机构进行分析研究，利用Solid Works软件建立该机构的三维虚拟模型，并对该机构进行静态强度分析和在此基础上的疲劳强度分析，以此验证物料抓取机构设计的合理性和可靠性。
1 建立物料抓取机构模型
在Solid Works软件中建立物料抓取机构的三维模型，首先需完成机构中各零件的三维造型设计，同时为便于后续仿真分析计算，在进行建模时对机构中的零件进行了必要的简化，如省略了螺纹、螺钉等对结构分析结果影响较小的特征等，在此基础上按照零件的装配关系进行物料抓取机构的虚拟装配，最后为避免在后续有限元分析中出现干涉问题，还需对装配完成的机构进行干涉检查。装配完成的全自动激光打标机物料抓取机构模型如图1所示。
2 机构的静应力分析
在现代机械设计方法中，为缩短机械产品的研发周期，通常使用仿真软件对所设计产品的关键零部件或机构进行运动仿真、有限元分析和优化设计，在完成一系列模拟真实环境的计算后，制造物理样机进行产品的最终验证。全自动激光打标机中的物料抓取机构，承担将集成电路抓取后从输送机构传送至打标位置的作用，属于激光打标机的关键执行机构，该机构机械结构及性能的好坏，对于激光打标机能否实现集成电路的精准自动输送具有重要的作用。为便于项目团队对于该款全自动激光打标机整机虚拟样机的分析，本次研究通过使用Solid Works软件的Simulation模块，对物料抓取机构进行静应力计算，研究其正常工作时物料抓取机构承受的静强度和结构可靠性能是否满足设备的设计使用要求。
在Solid Works软件中进行全自动激光打标机物料抓取机构的静态应力分析，首先，进入软件的办公室产品界面选择“Simulation”菜单，在算例顾问的下拉菜单中选择“新建”，类型选择静态，建立物料抓取机构的静态分析算例;其次，对物料抓取机构有限元计算的参数进行设置，具体过程如下： ①定义材料属性，根据设计要求选择物料抓取机构材料为AISI1020钢，设置材料属性：密度ρ=7900kg/m3，弹性模量E=200GPa，泊松比μ=0.29，屈服强度为？滓s=352MPa。
②设置约束条件，根据全自动激光打标机工作时物料抓取机构的运行过程添加约束，机构中的移动支架由步进电机驱动沿固定横梁的直线导轨作往复直线运动，设定此处的导轨槽为约束施加位置，其底部通过滚轮与固定横梁接触，不需施加约束。
③施加载荷，根据物料抓取机构的设计计算数据和运动情况，设定滚轮与固定横梁的接触在何为75N，步进电机对抓取机械手移动的驱动力矩为28.56N·m，机械手抓取集成电路的活动块承受64N的正压力，忽略抓取机械手自重所产生的重力。
④网格划分，物料抓取机构的网格划分采用自由网格形式，允许网格自由过渡，划分网格后有限元模型的单元数为127945个，自由度数为633312个，节数为211203个。网格划分后的物料抓取机构有限元模型如图2所示。
完成以上物料抓取机构有限元参数设置以后，初步实现了对物料抓取机构的有限元建模，点击“运行”图标对该机构进行有限元静应力计算，得到如图3-图5所示的物料抓取机构应力、位移和应变图。
由图3可知，物料抓取机构在正常工作状态下，承受载荷所产生的最大应力发生在机构中移动支架和抓取机械手的连接位置，其值为81.95MPa，远小于机构中移动支架材料的屈服极限352MPa，项目组设计的物料抓取机构从结构强度的角度考虑，完全能够满足工作要求。由图4可以看出，物料抓取机构在工作载荷作用下产生的最大位移主要位于抓取机械手远离移动支架的末端，其值为0.002075mm，由于抓取机械手的爪子结构布局上属于对称分布，且位移量相对于设备精度而言可以忽略不计，因而无需对该处位置的结构施加任何强化措施。从图5的应变图可知，机构的最大应变发生在移动支架与抓取机械手的连接位置，与图3所示的最大应力位置一致，可能对机构的工作产生一定的影响，可通过延长加强肋的高度尺寸优化其强度。另外，機构中连接板中部在图3和图5中均显示应力和应变较大，也许对该处结构进行优化。
3 机构的疲劳强度分析
机械设备中某些关键零部件在设备运行过程中，由于交变应力的反复作用，导致其逐渐形成裂纹乃至发生疲劳断裂，影响设备的正常使用。全自动激光打标机的物料抓取机构，在设备运行时高速往复运动，其关键零部件容易产生疲劳破坏，有必要对该机构进行静力分析基础上的疲劳强度分析。
在Solid Works软件中对物料抓取机构进行疲劳分析，首先为疲劳分析算例关联前述完成的静态分析，根据AISI1020钢的抗拉强度计算得到物料抓取机构的理论S-N曲线，根据材料实际情况修正后的S-N曲线如图6所示。在完成以上操作后点击“运行”图标，系统自动进行疲劳强度分析计算，得到如图7所示的物料抓取机构损坏百分比图和图8所示的生命总数图。
由图7可以看出，物料抓取机构在1000次交变载荷循环作用下，其损坏百分比均小于1，说明该机构在设备运行过程中发生疲劳破坏的概率较小。其主要原因由于抓取集成电路过程中所需承担的载荷较小，对机构的材料可以考虑选用更加经济实惠的钢材或铝合金材料。
由图8可知，物料抓取机构几乎所有部位疲劳次数接近于3×106，远高于机构材料的无限疲劳次数，满足机构的设计使用要求。
因此，综合图7和图8的分析可知，采用AISI1020钢所设计的物料抓取机构，其中任一零件产生疲劳裂纹的概率几乎为零，有必要对该机构的材料进行重新选用，以降低设备的生产成本。
4 结语
本文针对全自动激光打标机中物料抓取机构的工作要求与过程，使用Solid Works软件对其进行静态应力分析，发现机构中可能发生屈服破坏的位置主要集中在连接支架上，提出重新对其进行结构优化设计以满足工作强度要求，通过疲劳强度分析，得到机构的损坏百分比和生命总数图，并由此分析得出该机构发生疲劳破坏的概率几乎为零，有必要重新选用合适的材料以降低成本。
项目组采用有限元分析的方法，对全自动激光打标机的物料抓取机构进行静态分析和疲劳分析，以及在此基础上的优化设计，验证了设计的合理性和可靠性。该方法同样适用于本设备中其他关键零部件的设计与优化，以降低设备研发成本，缩短研发周期，同时也为后续激光打标机整机虚拟样机的分析研究提供了理论和实践依据。
参考文献：
[1]刘阳.基于ANSYS的采煤机截割部关键零件有限元分析[J].煤矿机械，2018（11）：164-166.
[2]任甲举，王庆雷，刘卫，等.基于Workbench的链条拆节机撞针疲劳寿命分析[J].机械传动，2019（1）：130-132.
[3]张晓军.矿井绞车关键结构的有限元模拟研究[J].能源与节能，2017（4）：159-160.
[4]王海军，殷国富，何波，等.基于SolidWorks Simulation的球磨机转轴有限元分析[J].机械，2014（1）：44-48.
[5]王清强，郝磊，何盼，等.起重机吊钩的疲劳寿命分析[J].煤矿机械，2018（12）：58-61.