白建卫， 刘 健， 郭旭东

（1.中国电子科技集团公司第二研究所， 山西 太原 030024； 2.中电科风华信息装备股份有限公司，山西 太原 030024）

引言

随着人们对手机和平板电脑等电子产品的品质要求越来越高，其生产过程中质量检测环节显得尤为重要，其中核心组件液晶屏的检测更是重中之重。目前液晶屏点灯画面不良检测大部分靠人工目测检查，检测效率低、成本高，检测质量标准不统一，而且人眼极易疲劳，不适合长时间工作。中电科风华信息装备股份有限公司（以下简称“风华公司”）开发研制的CELLAOI自动点灯测试机可替代人工自动完成测试，有效解决人工检查存在的问题。

风华公司所设计的液晶屏自动点灯检测设备中的第一搬运机械手，为满足客户要求，在机械手臂上新增四套扫码机构，机械臂负载大大增加，导致原机械结构不能适应要求，本文运用SolidWorks软件中Simulation插件针对机械手结构中关键零部件进行有限元分析，找出结构薄弱点，对机械手结构进行优化改进[1]。

1 搬运机械手整体结构

本搬运机械手由电机驱动滚珠丝杠带动取料手和扫码机构运动，用于吸取液晶屏并搬运上料，其中取料手和扫码机构均有四套，重量较大如图1所示。

2 模型建立

2.1 三维模型建立

前端丝杠连接块连接滚珠丝杠与整个运动部件，在机械手中起着关键作用，其强度决定了机械手整体结构强度，图2为前端丝杠连接块结构图[2]。

图1 搬运机械手结构图

图2 前端丝杠连接块结构图

前端丝杠连接块材料是2A12，密度ρ=2.78 g/cm3，弹性模量 E=73 GPa，抗拉强度 σb=480 MPa，屈服强度σ0.2=375 MPa，泊松比为μ=0.3。

2.2 受力分析

由工作要求确定机械手运动参数如表1所示。

表1 机械手运动参数

加速时:

减速时:

由表1数据可计算出作用在丝杠上最大力为F2=145.85 N，远小于丝杠所能承受的轴向力。但丝杠轴挠曲载荷已超出其允许值。

2.3 连接块有限元模型网格划分

采用线性单元SOLID45，其支持非线性分析，在受力分析中可以得到良好的精度，把网格划分为5mm，并对重要区域，如连接部位可能出现应力集中的地方进行网格细化，网格划分效果如图3所示。

图3 网格划分结果

3 有限元分析结果

由图4分析结果云图可以得知，增加扫码机构后，重量增大，使得前端丝杠连接块受到较大作用力，最大形变为0.032 mm，其运行中的姿态变化会使丝杠受到较大的弯矩，滚珠丝杠将很快被损坏。因此需要对第一搬运机械手机构优化设计，避免滚珠丝杠承受弯矩[3]。

图4 前端丝杠连接块分析结果云图

4 结构改进设计

根据以上分析，第一搬运机械手需要从两方面进行优化设计。一方面，在滚珠丝杠上方增加一根导轨，来保护滚珠丝杠，避免其承受过大挠曲载荷和弯矩。另一方面，优化前端丝杠连接块结构，增加加强筋，减小零件形变，减小第一搬运机械手运行中的姿态变化，增强其运行过程的稳定性，如图5所示。

运动加速度和速度不变，优化后机械手总质量m=31 kg，增加2 kg，下面对优化后丝杠连接块进行有限元分析。优化后连接块网格划分如图6所示。

得到丝杠连接块受力变形情况如图7所示。

计算结果显示丝杠连接块最大形变从原来的0.032 mm减小到现在的2.25×10-3mm。变形量明显减小。小于丝杠轴挠曲载荷。

图5 优化后机械手结构图

图6 优化后连接块

图7 优化前端丝杠连接块分析结果云图

优化后，机械手强度明显得到加强，实际运行过程中通过采集电机负载曲线验证，结构非常平稳，达到设计要求[4]。

5 结语

通过运用理论计算和有限元分析插件Simulation相结合对大跨度搬运机械手关键零件进行分析，得到机械手薄弱环节，并指导改进机械手结构，运用Simulation插件辅助设计大大提高了设计效率，缩短了设计周期，有效地降低了设计成本，也为一些没有设计经验的人员提供了一种直观的方法。

参考文献

[1]高亮，刘江波.基于SolidWorks的采煤机截齿结构优化仿真分析[J].煤炭技术，2017，36（10）：257-258.

[2]杨刚，李臣友，于国辉，等.基于SolidWorks的吸嘴支撑臂有限元分析[J].机电产品开发与创新，2014，27（4）：79-80.

[3]李杨，李光.基于SolidWorks的托盘结构有限元分析及优化设计[J].包装工程，2011，32（19）：1-4.

[4]李威，李锦，吴斌.基于SolidWorks的弹头压入专机的有限元分析和结构优化[J].兵工自动化，2011，30（7）：36-38.