針劑擺藥機的結構設計研究

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針劑擺藥機主體框架結構承受電機旋轉沖擊，機架承受底板及相關組件造成的重量載荷，底板承受藥架、推拉機構、下導軌等組件的重量載荷，底板下表面主動軸孔處承受電機，減速器等器件的重量。考慮其剛度和強度的需要，采用的是機架、底座、基座螺栓相連接的方式，機架采用45×30×3的鋼管、30×30×3的鋼管、30×30×3的角鋼焊接而成，基座由45×30×3的鋼管、30×30×3的鋼管、1175×90×10的鋼板焊接而成，基座底板的下表面布筋。其結構，如圖3所示。

1模型參數

針劑機擺藥機主體結構所用材料為普通碳鋼[2]，材料密度為7.8kg/cm3，彈性模量206GPa，泊松比0.3，許用應力［σ］=161MPa。為提高有限元計算效率，在盡量不影響分析精度的前提下，基座與底板建模建為一體，忽略倒角和螺紋孔，簡化和去除了一些細小零件[3]。由于模型最小壁厚為1mm，采用的劃分網格單元尺寸為1mm。采用的是自動劃分法，接觸面采用細分網格的方法[4]。劃分完后模型節(jié)點數為68420，單元數為34699。

2針劑擺藥機主體結構靜態(tài)分析

基座底面施加固定約束，機架的頂端施加頂板及上導軌、兩軸、鏈輪的重量帶來的壓力4233.4N，基座底板上面分別施加藥架重量載荷4116N、推拉機構重量載荷650N、下軌道重量載荷744.8N，底板主動軸孔下面施加電機和加速器重量載荷490N，從動軸孔下面施加張緊機構載荷333.2N，在基座底板上下面上畫出其相應受力軌跡，分別施加力。有限元靜力學分析等效應變圖，如圖4、圖5所示。通過有限元靜力學分析可以得到：機架受力上端面最大變形為0.013μm；底板承受載荷的上端面最大變形為0.006μm；基座的底端最大為0.032μm，所用碳鋼鋼管的允許變形程度已滿足此要求。從靜力學分析應力云圖可以得到，最大應力為11.285MPa，發(fā)生在機架鋼管和基座鋼管的一些連接處，普通碳鋼的彎曲疲勞極限為0.43［σ］，值為69.23MPa，抗壓疲勞極限為0.3［σ］，值為48.3MPa，所以鋼管滿足其工作使用要求。在底板軸孔處的應力為5.0159MPa，軸采用的是調質45#鋼，許用應力為161MPa，也滿足軸的安全工作范圍[5]，所以在靜態(tài)作用下，針劑擺藥機主體結構工作在穩(wěn)定狀態(tài)。

3針劑擺藥機主體結構動態(tài)分析

為分析針劑擺藥機主體結構的穩(wěn)定性，需要分析其固有頻率，采用Ansys分析中的模態(tài)分析。在基座底面施加固定約束，劃分網格方法同靜態(tài)分析一樣，由于優(yōu)化后的主體結構第一階和第三階的振動發(fā)生在基座下端的矩形鋼板上，機架與基座主體沒有發(fā)生任何振動，電機轉動時產生的振動主要經由軸傳動到基座底板和機架上，不會影響到基座下端的矩形鋼板上，所以第一階振型與第三階振型不予考慮。針劑擺藥機主體結構的固有頻率、相應的振型與振幅，如圖6~圖11、表1所示。不考慮基座上下連接板振動，從振型圖和表中可以看到，針劑擺藥機主體結構第二階發(fā)生了沿y方向的一階彎曲。第四階振型是主體結構前后沿y方向的二階彎曲，左右沿x方向的二階彎曲，是類似于擴張、收縮的振動，這說明由于主體結構的鋼管立柱長度比較長，較之易發(fā)生彎曲。從第五階開始主體結構的上端部分發(fā)生二階彎曲和繞動，特別是第六階底板發(fā)生橫向振動，這會加劇機構的損壞程度，應避開外界激振頻率對此附近的影響。從整體的振型我們可以看到，設計的針劑擺藥機主體機構一階固有頻率為31.787Hz，所用電機的回轉頻率為159Hz，減速器為1：60，所以主動軸的回轉頻率為2.65Hz，遠低于主體機構的一階固有頻率，說明針劑擺藥機的主體結構在正常工作下有良好的動態(tài)特性。

采用ANSYS有限元分析軟件中的workbench模塊對針劑擺藥機主體結構進行動靜態(tài)仿真分析。當主體結構處在額定載荷下時，靜態(tài)最大變形為0.058um，最大應力為11.25MPa，低于材料的許用應力。動態(tài)分析下的模態(tài)分析中，主體結構的一階頻率為31.787Hz，二階頻率為31.902Hz，沿y方向發(fā)生一階彎曲，固有頻率隨階數上升而上升，針劑擺藥機采用的電機回轉頻率為16.7Hz，主動軸的工作頻率為0.28Hz，工作頻率遠小于機構的固有頻率。所以針劑擺藥機主體結構可以在正常工作下遠離共振區(qū)[6]，實現正常工作，動態(tài)特性良好。（本文作者：夏群、伍良生、屈重年、張寶柱 單位：北京工業(yè)大學機械工程與應用電子技術學院）