微冲压系统结构设计及有限元分析

论文摘要

随着微机电系统的高速发展,对微型零件的需求越来越迫切。塑性微成形技术作为微加工的一种,在微型零件的精确、高效和批量成形中发挥着非常重要的作用。然而,MEMS技术的发展对微小型零件的批量加工和制造技术以及制造设备等提出了更高的要求,现有的塑性微成形设备还处于样机或者是单件生产的阶段,这阻碍了微型零件技术的发展和实际生产中的应用,因此,开展微型零件的塑性微成形制造系统的研究就显的尤为必要,这对微型零件的批量制造、降低生产成本以及扩大微小型零件应用范围具有重要意义。微冲压系统就是针对该类零件研究的一种专用微冲压设备。本文在详细阐述了微成形技术和微成形系统研究现状的基础上,研究了高速高精度的驱动方式,选定了直线电机作为微冲压系统的驱动器。分析并选定了直线滚珠导轨作为微冲压系统的导向机构。采用了缓冲器和制动器保证系统的运行安全,并采用了光栅尺作为位移反馈机构。完成了微冲压系统的整体结构设计。本文分析了微冲压系统机架的结构及其受力特点,用Solidworks完成机架的三维造型,导入有限元分析软件ANSYS中,进行了有限元静态分析,研究了机架的应力、位移分布规律,确定了机架受力及变形危险点的位置,得到了静态特性。选用兰索斯法(Lanczos),对机架进行了模态分析,获得了机架的前四阶固有频率及相应的固有振型等动态特性参数,并分析了各阶模态对所研究机架的工作性能的影响。根据分析结果对机架结构进行了改进,并对改进后的机架进行了静态和模态分析,结果表明,改进后机架优于改进前的机架,且满足设计的要求。滑块作为微冲压系统的重要部件,其应力和应变情况会直接影响微冲压系统和成形件的精度,由于其在高速的条件下工作,为了保证微冲压系统的精度,本文还对滑块进行了静态分析、模态分析和瞬态动力学分析,结果表明微冲压系统的滑块满足高速高精度要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 塑性微成形技术研究现状
• 1.2.1 体积塑性微成形
• 1.2.2 薄板塑性微成形
• 1.3 塑性微成形设备
• 1.3.1 国外塑性微成形设备的发展
• 1.3.2 国内塑性微成形设备的发展
• 1.4 有限元分析在设备设计中的应用
• 1.5 本课题来源及研究内容
• 第2章 微冲压系统结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 驱动方式对比分析
• 2.2.1 压电陶瓷驱动
• 2.2.2 伺服电机驱动
• 2.2.3 步进电机驱动
• 2.2.4 直线电机驱动
• 2.3 各种驱动方式的微成形设备性能参数对比
• 2.4 微冲压系统驱动方式的选择
• 2.5 导向机构设计
• 2.5.1 直线滚珠导轨
• 2.5.2 直线滚珠导轨导向的微冲压系统结构方案
• 2.6 微冲压系统结构方案
• 2.6.1 微冲压系统附件
• 2.6.2 微冲压系统简图
• 2.6.3 直线电机驱动的微冲压系统工作原理
• 2.7 本章小节
• 第3章 微冲压系统机架结构有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 ANSYS软件简介
• 3.2.1 ANSYS软件结构分析概述
• 3.2.2 ANSYS软件结构分析过程
• 3.3 微冲压系统机架结构设计
• 3.4 机架的几何建模
• 3.4.1 有限元分析的基本假设
• 3.4.2 建模方法的选择
• 3.4.3 单元的选择
• 3.4.4 机架的静态分析
• 3.4.5 机架的模态分析
• 3.5 机架结构改进
• 3.6 改进后机架有限元分析
• 3.6.1 改进后机架静态分析
• 3.6.2 改进前后机架静态分析结果对比
• 3.6.3 改进后机架模态分析
• 3.6.4 改进前后机架模态分析结果对比
• 3.7 本章小结
• 第4章 微冲压系统滑块结构有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 滑块有限元模型的建立
• 4.3 滑块的静态分析
• 4.3.1 静态计算结果一
• 4.3.2 静态计算结果二
• 4.4 滑块的模态分析
• 4.4.1 施加边界条件
• 4.4.2 滑块模态计算结果
• 4.5 滑块的瞬态响应
• 4.5.1 空载时滑块的瞬态响应
• 4.5.2 加载时滑块的瞬态响应
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢