基于SolidWorks的激光打标机支架模态分析

0引言
激光打标作为激光加工技术应用中最为成熟的一种高新技术，具有加工对象广、环境污染少、加工精度高和材料损耗小等特点，目前已逐渐取代传统的喷码打标技术，广泛应用于工业制成品上字符、商标等标识的印刷标记。

该项技术的推广和使用，符合当前我国产业转型升级和节能减排的号召。

因此，由该技术和计算机控制技术结合衍生的全自动激光打标机，具有广阔的发展空间和市场应用前景。

自动化机械设备在运行过程中，由于设备精度的原因，不可避免会产生振动，当振动频率与设备中零部件的固有频率一致时，即产生破环性的共振。

对自动化设备开展振动研究，找出其易产生共振的固有频率，并在设计阶段采取有效措施，避免设备中任何零部件因共振而产生破坏，能够极大地提高设备的稳定性和可靠性。

本文旨在研究全自动激光打标机中物料输送横梁固定支架发生振动时的稳定性，保证其末端物料抓取机械手的芯片抓取精度和可靠性，避免其在设备运行过程中和工作频率发生共振，通过使用SolidWorks 软件对该支架进行自由和约束两种状态下的有限元模态分析，验证零件及机构布局的合理性，提高设备的稳定性和可靠性。

1自由状态下模态分析
在SolidWorks 软件中对全自动激光打标机的固定横梁支架进行自由状态下的模态分析，其有限元参数设置及计算过程如下：首先，在Simulation 模块中选择“频率分析”功能菜单，设定固定支架的材料为AISI2010钢，其材料属性如下：弹性模量E=200GPa ，泊松比μ=0.29，屈服强度为σs =352MPa ，密度ρ=7900kg/m 3；其次，对固定支架进行有限元网格划分，共生成451218个自由度、150406个节点和93927个单元，划分网格后得到如图1所示的固定支架有限元模型；最后，点击“运行”命令对固定支架进行有限元模态分析计算。

全自动激光打标机的固定支架因振动产生的破坏，可通过对其固有频率是否与设备工作频率的分析找出问题，其值与工作频率越接近，固定支架产生结构共振的可能性就越大；并通过振型图发现部件因振动而变形的趋势。

本次研究在通过SolidWorks 软件对固定支架进行有限元模态分析，得到如表1所示固定支架在自由状态下的前5阶固有频率，以及图2所示的前5阶振型图。

——————————————————————
—基金项目:2019年江阴职业技术学院大学生科研基金项目“全自
动激光打标机关键机构的设计与优化”（XJ2019DXS001）；2019年全国大学生科研项目“全自动激光打标机关键机构的设计与优化”（2019QDS054）；2019年江苏省大学生创新创业训练项目“全自动封装芯片激光打标机的研制与市场推广”（201913137027T ）。

作者简介:孙移（1976-），男，江苏江阴人，硕士，江阴职业技术学
院副教授，研究方向为虚拟制造、机电控制。

基于SolidWorks 的激光打标机支架模态分析
The Modal Analysis of Laser Marking Machine's Bracket Based on SolidWorks
孙移SUN Yi ;张嘉伟ZHANG Jia-wei ;李正烨LI Zheng-ye
（江阴职业技术学院机电工程系，江阴214405）
（Department of Electrical and Mechanical Engineering ，Jiangyin Polytechnic College ，Jiangyin 214405，China ）
摘要:自动化机械设备在其运行过程中由于自身固有频率和工作频率相接近而发生共振现象,有必要对设备中的关键零部件进
行模态分析,优化改进部件中零件的布局或结构尺寸,由此避免共振现象的产生。

针对全自动激光打标机中的固定支架部件,以其自由状态下的模态分析结果为对照,进行约束状态下的模态分析,发现固定支架可能发生共振的频率,以及可能发生的变形状态,通过改进固定支架中关键零件的结构布局及连接方式,避免振动现象的产生,以此提升设备结构的稳定性、可靠性和综合性能。

Abstract:The resonance occurs were happened when the natural frequency was close to the working frequency in the process of operation of automatic mechanical equipment.In order to avoid the resonance,it was necessary to carry out the modal analysis on key parts of the equipment,optimize and improve the layout or structural dimension of parts in the assembly.The modal analysis in the constrained state was carried out based on the results of modal analysis in the free state of the fixed bracket in the full -automatic laser marking machine.And it found that the frequency of resonance and the possible deformation state of the fixed bracket may occur.In order to improve the stability,reliability and comprehensive performance of the equipment structure,the structural layout and connection mode of the key parts in the fixed support were improved to avoid the occurrence of vibration.
关键词:SolidWorks ;激光打标机;固定支架;模态分析
Key words:SolidWorks ;laser marking machine ;fixed bracket ;modal analysis
图1自由状态下固定支架有限元
模型
Internal Combustion Engine &Parts
由表1可知，固定支架的前3阶振型没有发生变化，可以忽略不计。

当激光打标机静止状态时固定支架的固有频率接近于表中3-5阶所示的频率时，固定支架有可能因发生共振而导致结构破坏，影响设备的结构稳定性。

振动可能发生的位置位于支架的连接部位，可通过修改固定支架支柱与设备的连接方式，以及增加连接用固定垫片和连接螺钉数量，改变固定支架固有频率的振动范围，保证其工作的可靠性、稳定性和使用寿命。

由图3中固定支架的4、5阶振型可知，固定支架的最大变形发生在立柱及其与设备固定台面的连接位置，原因在于该处位置为固定立柱与设备床身的接合位置，承担整
个物料抓取机构的固定，需要进行连接方式的改进以增加
强度，横梁位置发生的振动变形较小，对设备的运行及打标精度几乎没有影响，可以忽略不计。

2约束状态下模态分析
前述对全自动激光打标机固定支架在自由状态下的模态分析，主要研究固定支架处于静止状态时自身结构的振动情况，与激光打标机工作状态时固定支架的固有频率无关，仅可作为固定支架约束状态下振动研究的对比参考。

因此，针对激光打标机固定支架的工作状态下的振动分析，需根据固定支架在设备中的动作情况，对其施加必要的约束后进行模态分析。

针对固定支架自由状态下模态分析的结果，对支架两侧的立柱及其连接方式进行改进，增加固定垫片以增加接触面，提升连接的可靠性和刚性。

在此基础上，对固定支架施加约束对其进行约束状态下的模态分析。

其中，除了约束设置外，固定支架有限元模型构件的参数与自由状态下的完全一致。

根据固定支架在设备中的位置和作用，设定固定支架两侧立柱的底部为约束端，以此完成固定支架约束状态下的有限元模型构建，具体模型如图3所示。

对全自动激光打标机的固定支架进行约束状态下的有限元模态分析，得到如表2所示的前5阶固有频率和振动状态，其变形位置主要位于固定支架横梁，以及如图4所示的前5阶振型图。

由表2可知，固定支架在约束状态下的第2阶振动频
率与设备中步进电机的工作效率接近，设备运行中固定支架有可能产生共振，导致支架抖动甚至影响设备的工作精度。

第4、5阶振动频率有可能导致固定支架的严重变形，产生该现象的原因主要在于横梁与立柱的厚度尺寸过渡不均衡，有必要对此结构进行改进。

由图4的前2阶振型图看出，虽然其固有频率接近于
表1自由状态下固有频率及振型
阶
数固有频率（Hz ）
振型
12345
3.3539e-009
0.000102210.00010713
刚体平动刚体平动近似于刚体平动固定支
柱Z 轴方向移动固定支架连接部位变形
（a ）第3阶振型
（b ）第4阶振型
（c ）第5阶振型
图2自由状态下第3-5阶振型
图3约束状态下固定支架有限元模型
表2约束状态下固有频率及振型
阶数固有频率
（Hz ）振型
1
2345
84.892224.33245.6287.37325.29
横梁中间向两侧延伸横梁两端向中间压缩横梁中间沿Z 轴弯曲横梁沿Y 轴波浪变形横梁中间的弯曲变形
设备的固有频率，但该部件的变形主要在于横梁的微量延
伸与压缩，对其上物料抓取机构的直线运动不会造成影响，无须对此进行深入研究；第3阶振型主要是横梁下侧与物料抓取机构的滚轮接触段的弯曲变形，但由于滚轮的主要作用是对移动中的物料抓取机构辅助支承作用，横梁底部的微量弯曲不会影响物料抓取机构运动轨迹的直线度，可忽略不计。

第4、5阶振型主要发生在横梁上部，从振型图中看物料抓取机构的直线导轨已发生严重变形，若在工作过程中发生这两种固有频率的振动，会直接影响物料抓取机构的运动直线度，导致抓取机械手不能精准的抓取或放置集成电路，造成设备的工作故障。

因此在设备的研发过程中需要注意避免选择与这两种频率接近的电气元件，以免因振动而造成不必要的损失。

3结语
本文对全自动激光打标机的固定支架进行自由状态下的模态分析，发现固定支架两侧立柱因连接关系而容易产生振动破坏，通过改进立柱底部的结构增进其连接结构的强度、刚度和可靠性。

对全自动激光打标机的固定支架进行约束状态下的模态分析，发现该部件在工作过程中横
梁零件产生振动变形的可能性较大，且由于变形方向的
原因会严重影响其末端物料抓取机构运动的直线度，进而影响激光打标进程中集成电路搬送的精度，有必要对该零件的结构布局进一步的开展研究，以此提高全自动激光打标机的工作精度和综合性能，也为该款设备中其他关键零部件的性能分析和优化改进奠定了一定的理论和实践基础。

参考文献院
[1]王向克，刘力，张洪涛.变压器中性点接地保护装置底座有限元模态分析[J].机械工程与自动化，2019（4）：81-83.
[2]任声泰，王伯铭.悬挂式单轨车辆转向架构架振动模态分
析[J].机械工程与自动化，2019（12）：60-62.
[3]康鹏桂，彭善飞，周克媛.护套线剥线机双头滚珠丝杠静力学及模态分析[J].北京工业职业技术学院学报，2019（10）：17-20.[4]焦国敏，李俊刚，阂超.基于SolidWorks 的汽车起重机臂架
静态与模态仿真分析[J].北京工业职业技术学院学报，2019（12）：
116-117.
[5]宁廷州，马时凯，侯书林.基于SolidWorks Simulation 的生
物质蜂窝煤成型试验装置有限元分析[J].重庆科技学院学报（自然科学版），2019（8）：108-111
.
（a ）第1阶振
型
（b ）第2阶振
型
（c ）第3阶振
型（d ）第4阶振
型
（e ）第5阶振型
图4约束状态下第1-5阶振型。