基于SolidWorks Simulation的洁净机械手机身振动特性分析
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摘 要：利用SolidWorks和SolidWorks Simulation软件对洁净机械手进行三维实体建模与动态特性分析。通过结构优化，改变了洁净机械手的低阶固有频率，避免了共振的产生。通过改变洁净机械手的振型，提高了洁净机械手取放工件的搬运精度，为结构的改进提供了可靠的参考依据。
关键词：洁净 机械手 模态
中图分类号：TQ051 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）04（b）-0250-02
半导体制造行业在我国的迅速发展，设备的自动化程度也越来越高。现代化的设备常常配置有洁净机械手，以提高生产效率。洁净机械手是为半导体生产自动化专门配备的机械手，它可以在保证产品质量、改善劳动条件、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。
在实际工作过程中，洁净机械手在低频率下会产生剧烈的振动，影响洁净机械手的工作可靠性，容易产生因洁净机械手的误操作而使被取工件报废等事故。因此，降低洁净机械手的低频振动，对提高生产效率和稳定产品质量有着极其重要的作用。本文在分析某洁净机械手取放工件特性的基础上，结合其本身的结构特点，优化其动力特性，以期提高取放工件的定位精度。
鉴于洁净机械手的取放工件定位精度与机身振动特性在实际产品开发中的重要作用，很多单位和学者对其展开了研究。谢志江[1] 通过对搬运机械手进行三维实体建模与动静态特性分析和优化，提高了机械手的低阶固有频率，避免了共振的产生，此方法缺乏对实践工艺的分析。李志刚[2]通过对机械手进行模态、谐响应等分析，并针对实际工况分析瞬态动力学特性，其方法复杂，不便于产品开发实践。在洁净机械手的产品开发中，由于受外形尺寸、洁净度要求、刚度要求、元器件尺寸等因素的限制，产品设计难度大，所以需要一种适合于洁净机械手机身振动特性分析方法，提高其取放工件的定位精度。本文以机械振动学为理论基础，基于solidworks simulation软件，建立了洁净机械手机身模型，分析了洁净机械手振动模态与结构的规律，为洁净机械手振动控制建立了理论依据。
1 机械振动学理论基础及软件介绍
1.1 机械振动学理论基础
每种结构都有它固有的振动频率，称之为共振频率。这样的频率都和特定形式的振动联系在一起。当某一结构的共振频率被激活时，将表现出一种振动的形态，称之为振动模SolidWorks Simulation[3]与 SolidWorks完全集成的设计分析系统。SolidWorks Simulation提供了应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析等解决方案。所涉及的内容有线性静态、频率、动态等分析。该软件采用了有限元方法（FEM）。FEM是一种用于分析工程设计的数字方法。FEM由于其通用性适合使用计算机来实现，因此已被公认为标准的分析方法。
2.1 洁净机械手机身模型
洁净机械手是一个比较复杂的结构，建模时应尽量简化模型的规模，如管线、螺钉、倒角等对分析影响不大的部件或特征都可被忽略掉[4-5]。洁净机械手主要由手臂、手指、手指左末端和手指右末端组成。在SolidWorks软件中建立模型，简化模型如图1所示。材料选用6061铝合金，其弹性模量E=69 GPa，泊松比μ=0.33，密度ρ=2700 kg/m3。实体转化为有限元模型后，采用网格自由划分，共含有54546个节点和29689个单元（如图1）。
2.2 洁净机械手模态分析
对产品进行模态分析，是产品新研制中不可缺少的重要步骤[6]。通过对洁净机械手进行前5阶的模态分析，获得前5阶固有频率及振型，如表1所示。洁净机械手第4阶振型图，如图2所示。
固有频率和振型是机械结构的固有特征，而低阶固有频率，尤其是前5阶固有频率决定了结构的刚度。因此，固有频率应尽可能地避开工作频率，避免共振的产生，提高结构的刚度[7-8]。机械手由伺服电机驱动，电机直接安装在转轴上，因此，当电机高速运转时，对机械手的激励作用是不可忽视的. 设为激振频率；为电机转；为上下浮动误差，电机的激振频率可由下式求得：
（3）
由模态分析可知，机械手的第4阶固有频率为161.49 Hz，接近电机的激振频率，会发生共振。参考图2，导致洁净机械手抓取物体时手指左末端局部和手指右末端局部，不能同时吸附上侧工件，导致定位不准确，严重影响了定位精度。因此，有必要对该结构进行优化，改变其低阶固有频率以避免工作时产生共振。
2.3 洁净机械手优化设计及分析
通过对洁净机械手结构进行优化，改变其振动特性，再次对洁净机械手进行模态分析，获得前5阶固有频率及振型，如表2所示。洁净机械手第4阶振型图，如图3所示。
由结构优化后的模态分析可知，机械手的第4阶固有频率为143.38 Hz ，远离电机的激振频率，不会发生共振，参考图3，洁净机械手抓取物体时手指右末端局部振动，当振动到上侧时，可以和左侧手指同时吸附上侧工件，达到定位准确的目的。
3 结语
应用SolidWorks的Simulation功能，对洁净机械手进行结构优化分析，通过洁净机械手的结构优化，改变其低阶固有频率和振型，从而提高了洁净机械手取放工件的搬运精度，为洁净机械手的结构优化设计提供了一种高效、可行的方法。
参考文献
[1] 谢志江.基于ANSYS Workbench的搬运机械手结构优化设计[J].机械与电子，2010（1）：65-67.
[2] 李志刚.注塑机械手振动控制研究[J].制造业自动化，2011（10）：27-30.
[3] 陈超祥.SolidWorks Simulation高级教程[M].北京：机械工业出版社，2011.
[4] 吴兆东，马星国，尤小梅，等.基于ANSYS的某履带式装甲车悬挂装置的模态分析与改进设计[J].沈阳理工大学学报，2008（4）：80-83.
[5] Tokhi M O，Mohamed Z.Modeling of a flexible robot manipulator using finite methods：a symbolic approach[J].Journal of Low Frequency Noise Vibration and Active Control，1999，18（2）：63-76.
[6] 李兵，陆建辉.注塑机械手结构拓扑优化设计[J].机械，2009（2）：12-14.
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[8] 张向宇，熊计，好锌，等.基于ANSYS的立柱有限元分析与结构优化设计[J].机械科学与技术，2008（12）：1602-1605.