电阻蒸发镀膜机构设计及有限元仿真

(3.由于该泵的真空泵速度高于机械真空泵的速率，因此在设计时可少安装几个泵。因此，本次设计选用ZJY-300型罗茨泵2台。t总3.扩散泵选型及其抽气时间的计算。扩散泵是抽真空高低的最后关键，起到至关重要的作用，而前级泵将真空室抽真空到一定程度时，可将真空室的真空数量级逐步提升至110-3级，满足大多数工程被镀件的电阻蒸发镀膜要求。通过查阅真空设计手册，依据真空度要求，然后合理选择K-800型油扩散泵，抽气速率为21000（L·s-1）,K-800油扩散真空泵的极限压力为P≤6.7*10^-5Pa，将真空室抽真空后压力大约为10^-4Pa左右，满足要求。根据上述论点并对真空设计手册进行查阅，可以得出在高真空区域可以忽略真空设备内材料的排气的结论。高真空室中的真空泵的计算与低真空室中的相同。这是因为高真空室的泵效率比较高，泵时间太短。真空泵送的实际时间主要由真空室材料和涂层材料的气体释放量决定，其中真空室材料厚度高，材料致密。可以忽略气体输出。因此，真空泵式仍然可以用于计算扩散泵泵时间。将上述数值代入公式（3.15）计算所得时间如下： t=2.3×4×π×12×1.6×10321000lg10−6.7×10−510−4−6.7×10−5由于K-800油扩散泵抽气速率较快，故本次设计只需选用一台扩散泵，真空效率足够。则所有的泵加起来抽真空时间为：机械泵（抽气时间）=190.021s罗茨泵（抽气时间）=154.347s扩散泵（抽气时间）=12.071sT(总抽气时间)=190.021+154.347+12.071=356.439s≈5.94min计算结果符合行业内现有水平，合理。3.4箱体内部结构创新设计构想本次创新设计主要目的是为了实现镀膜通用化，减少镀膜浪费，节约生产成本等，为此需根据被镀膜零件形状来进行设计。因为矩形板材方便装夹以及结构简单，方便尺寸调节等优点，故本次的创新结构设计以矩形镀膜板材为被镀膜零件。但由于矩形板材结构太过简单运用不广泛，为此先设计了矩形镀膜板材的其他拓展，包括批量镀膜，3D形状镀膜等，如下图3-3所示普通矩形镀膜板材3D异型镀膜板材批量零件镀膜板材图3-3镀膜板材此外，镀膜板材还需满足通用化设计，也就是设计夹具需适合多种尺寸的板材，故在设计时夹具需要满足可夹3D异型镀膜板材和尺寸调节的功能，同时不同镀材的蒸发温度不同，故还需蒸发源温度（电流）调节的功能和蒸发舟方便更换的设计。为此，本次创新设计需设计的机构有尺寸调节机构，压夹机构，转架机构，温度调节设计，蒸发源位置调节设计。其中温度调节设计较为简单，直接与蒸发舟串联一个圆环式滑动变阻器即可，圆环式滑动变阻器方便用电机或手动控制，而尺寸调节机构，压夹机构，转架机构，蒸发源位置调节机构均需要建模设计。尺寸调节机构：采用一个主锥齿轮带动4个锥齿轮和丝杆驱动丝杆套做直线运动进而带动夹具运动调节尺寸范围；压夹机构：需满足与尺寸调节机构共转和相对滑动的同时，还需满足上下夹紧和放松的功能，当然此功能也可满足被镀膜板材厚度的调节；转架机构：采用直齿轮内啮合传动，齿轮组使尺寸调节机构和压夹机构转动进而使板材旋转使其镀膜均匀；蒸发源位置调节机构：结构相对简单，可手动更换和调节蒸发舟位置，一般采用套杆和螺纹松紧结合的方式来移动或固定蒸发舟位置。3.5电机参数选择本次机构设计需要选择电机参数的是尺寸调节机构，压夹机构和转架机构，由于电机选用较多，为控制方便，统一采用同类型直流电机，通过PLA进行控制。这里选择N20电机的原因是此电机具有价格便宜，控制方便，节省空间，运行稳定，力矩较大，同类型电机参数较多方便选择等优点，参数如表3-4，电机外形和尺寸如图3-4所示。表3-4N20电机参数电压DC/V空载转速rpm/min负载转速rpm/min额定力矩kg/cm额定电流MA堵转力矩kg/cm堵转电流MA减速比1:0065004000.151601.201003063002400.201601.601005061501200.301602.401001006100800.401603.20200150674700.601203.20200200660481.001207.00200250650401.5012010.002002981210008000.303002.4030030126004800.403003.2030050123002400.503004.00300100122001601.003007.00300150121481181.203009.0030020012120962.0030016.0030025012100802.0030016.00300298N20实体外形N20电机尺寸图3-4N20电机各机构电机参数选择：转架机构：为满足转架转速在1~30rpm/min，本次设计齿轮组齿数为Z30和Z320，模数m2，电机选择12v负载转速160rpm/min，则转速为：n=30320×160r/min=15r/min压夹机构：电机驱动直齿轮组，齿数为Z20和Z40，模数m1.5，大齿轮造型包括螺距2.5，直径20mm的孔，大齿轮旋转驱动动直径20mm螺距2.5的丝杆升降进而带动其他部分运动。升降距离设计为40mm，电机选择12v负载转速96r/min，则升降速度v=96r/min÷60s×2040×2.5mm/r=2mm/s，最大升降时间t=尺寸调节机构：电机驱动锥齿轮组，齿数为Z20和Z12，模数m1.5，4个小锥齿驱动4个螺距为52的丝杆，此结构需要大力矩驱动，故选用堵转力矩为16.00kg/cm，尺寸调节范围设计为1m，故丝杆调节范围为5002mm，电机选择12v负载转速96r/min，则调节速度为v=96r/min÷60s×2012×6mm/r=16mm/s，最大调节时间为t=5003.6本章小结本章对电阻蒸发镀膜机进行功能模块的大致设计以及3个机构电机的选择，通过查阅真空设计手册、机械设计、机械原理和材料力学等方面的书籍，对设计的参数和结构进行验算与校核，以及对选用的部件是否合适进行评估确定。最后大致定下镀膜机的整体雏形，为后续的实体三维设计与分析提供参数和理论上的支持。其中，3个机构电机的选择都是同型号但转速和扭矩不相同的电机，目的是方便后续电机的建模。第4章实体三维设计综上，本次设计进度已经完成对电阻蒸发镀膜机各个结构和各个重要零件的尺寸等的参数设计，本章就需要根据以上设计参数通过各种制图软件，如SolidWorks,中望3D等进行三维实体模型的建模与装配，然后进行装配爆炸图的设计，最后通过中望3D和CAD机械版进行二维图纸的制作。4.1三维建模软件简介本次设计主要使用两种建模软件，即中望3D和SolidWorks，主要原因是SolidWorks标准件生成方便，部分结构也能正常设计，如螺纹，丝杆等，但SolidWorks草图繁琐，建模文件大小也大于中望3D，故大多非标准设计通过中望3D设计。以下是对两种软件的基本介绍。SolidWorks：可以轻松实现复杂三维零件的实体建模、复杂装配和工程图生成。该软件可应用于以规则几何形状为主的机械产品的设计和生产准备。SolidWorks使设计师和工程师设计机械结构更加方便和高效，使他们能够在比使用类似软件更短的时间内获得更精致、更具吸引力、更受市场欢迎的产品。强大的功能、易于学习和使用以及技术创新是SolidWorks的三个主要特点，使其成为3D解决方案的首选。中望3D：是基于中望三维几何建模核心的集成三维CAD/CAM软件，具有强大的混合建模能力，支持各种几何和建模算法，支持30多年的工业设计验证。它集成了“固态建模、表面建模、装配设计、绘图、钣金、模具制造、车削、2-5轴加工”等功能模块，涵盖了产品设计和开发的全过程。这是中国CAD行业首次完全拥有高端三维CAD/CAM软件的全球知识产权。这也是中国CAD行业中最昂贵的外国收购。与SolidWorks相比，中望草图模块侧重于添加“线剪裁”和“重叠检查”等功能，使编辑效果更加直观和智能，能减少大量的重复工作。4.2关键零部件三维建模4.2.1镀膜机箱体及底座的三维建模本次建模使用的是SolidWorks和中望3D三维建模软件,部分零件使用SolidWorks建模比较方便，而中望3D装配时运行稳定，二者零件格式统一，solidworks导出stp格式即可在中望3D软件中使用，故采用双软件建模设计。箱体三维设计：使用SolidWorks建模，在视图选项选择上视基准面开始绘图：在上视基准面上使用绘制草图选择绘制圆命令绘制R1000和R1009mm的圆,设定最大工作区域及镀膜理论范围为S=2R2sin2θ，当θ=45°时镀膜理论范围达到最大值Smax=2R2,即边界尺寸为2R，如下图4.1所示。双向拉伸R1000和R1009mm圆环,高度为1.6R，再在薄壁圆筒一端绘制R1009的圆单向拉伸40mm并通过上视基准面镜像，然后选择薄壁命令在离圆心2R再在底座的下表面绘制出一个外2018mm*1720mm内1818mm*1520mm的矩形框然后拉伸40mm长，形成一个矩形体底座。再然后就是对合页安装的位置进行设计，从门框中心作图距离中心395mm为起点画一个50*30（mm）的矩形拉伸切除10mm。再在合页安装位置钻4个M8*1.0的螺纹孔，钻孔位置离边缘均为8mm，最后再将合页安装位置与螺纹孔进行关于上视基准面的镜像。具体如下图4-1所示:分界线和最大工作区域箱体和箱盖毛坯底座箱体合页安装孔箱体初步模型图4-1镀膜机箱体设计然后箱体底部转架电机机架安装位置d=38（mm）的圆与转架支撑柱安装位置20*20（mm）的矩形根据转架齿轮设计，转架齿轮中心距为a=320-30=32、0mm，同时底部中心需设计一个r=10的引线孔，然后根据草图拉伸切除5mm，r=10的引线孔拉伸切除贯穿，造型如下图4-2所示：图4-2转架电机机架与转架支撑柱安装位置与造型蒸发源安装位置为一个圆心离箱体底部中心850mm，外径15和内径10mm的圆环，拉伸切除10mm，内径10mm圆柱加螺纹m10*1.5，造型如下图4-3所示：图4-3蒸发源安装位置与造型最后在箱体顶部进以箱体中心绘制一个R150mm的圆拉伸切除10mm作为封头安装位置，再以中心绘制160*80（mm）的辅助矩形框，然后使用孔命令距离辅助矩形框边界均为10mm处打4个直径为10mm深30mm的孔作为悬挂杆的安装位置，造型如下图4-4所示：图4-4封头和悬挂杆安装位置与造型图4-5镀膜机箱体设计4.2.2箱盖及观察窗的三维建模箱盖设计及建模：依照箱体的设计，使用SolidWorks在箱体毛坯基础上拉伸一个25mm厚，外1680*1540（mm）内1600*10002的矩形框做门框。然后从门框一边的中心（与箱体对应）作图距离中心395mm为起点画一个50*30（mm）的矩形拉伸切除10mm。再在合页安装位置钻4个M8*1.0的螺纹孔，钻孔位置离边缘均为8mm，再将合页安装位置与螺纹孔进行关于上视基准面的镜像。然后从门框另一边的中心离边缘25mm作一个M20*2.0深20mm的螺纹孔作为把手的安装位置。最后以门框中心绘制外1660*1474框距为10mm的矩形框，拉伸切除10mm。具体如下图4-6所示:a）箱盖合页安装孔b）把手安装孔c）磁封条安装位置d）箱盖初步造型图4-6镀膜机箱盖设计观察窗设计及建模：先添加一个相切箱盖外圆的基准面，在基准面上绘制一个R70mm的圆方向1拉伸成型到箱盖外圆面上方向2向外拉伸12mm，再在拉伸体中心绘制一个R60mm的圆拉伸切除贯穿，然后绘制一个R65mm的圆拉伸切除12mm。具体如下图4-7所示:图4-7箱盖观察窗造型4.2.3箱体箱盖的其他配件三维建模合页的建模：使用中望3D建模，草图如下，R10圆均拉伸25mm，合页1的R5圆与页片均拉伸50mm,合页2的R5圆切除25mm。合页螺栓孔为d1=8，h1=10，d2=10，h2=4的沉头孔，圆心离边界均为8mm，具体如下图4-8所示:合页1和2整体草图合页1造型合页2造型图4-8合页设计观察镜的建模：本次观察镜采用凹透镜设计，能使观察窗视野更广，其曲率半径为1000mm，使用中望3D以xoy面绘制草图如下，旋转造型，具体如下图4-9所示:观察镜草图观察镜造型图4-9观察镜设计观察窗磁盖的建模:使用中望3D建模，以xoy面绘制草图如下，d150和d120拉伸-5mm，d150和d140拉伸12mm，具体如下图4-10所示:观察窗磁盖草图观察窗磁盖造型图4-10观察窗磁盖设计磁封头的建模:使用中望3D建模，以xoy面绘制草图如下，R170拉伸28mmR150拉伸-10mm，4个d20切除10mm具体如下图4-11所示:磁封头草图磁封头造型图4-11磁封头设计磁封条的建模：使用中望3D建模，以xoy面绘制草图如下，草图拉伸3mm具体如下图4-12所示:磁封条草图磁封条造型图4-12磁封条设计把手的建模：使用中望3D建模，以xoy面绘制草图如下，外切圆R40的正六边形拉伸20mm两边倒圆角r5，R15拉伸-20mm，R10拉伸-40mm，螺纹为M20*2.0，具体如下图4-13所示:把手草图把手造型图4-13把手磁盖设计4.2.4内部结构的三维建模电机：本次设计的3个电机均使用12v直流电源，依照草图进行三维建模，建模软件采用中望3D建模，φ12拉伸15mm，12*10矩形拉伸12.5mm，φ4拉伸1mm，R1.5D型拉伸9mm，草图及造型如下图4-14所示：电机草图电机造型图4-14电机设计蒸发源：使用中望3D进行本次设计的蒸发源，是根据镀膜厚度和镀膜面积以及镀膜效益，计算出镀膜材料的体积，进而设计出蒸发源的蒸发舟和耐高温绝缘座的形状。若镀膜厚度所需值大于工业运用的查阅值，可在蒸发源调节杆上增加多套可调蒸发源和松紧头满足要求，同时多套该装置也可加入不同材料的蒸发圆盘实现复合镀膜以满足不同需求。其中工业镀膜厚度查阅值p=50~150μm，镀膜面积设计为最大为A=2㎡的板材两面，镀膜效益（即到达基体表面粒子数占总粒子数的占比）查阅值N=36%则镀膜材料的体积V=p∗A÷N=0.15×2×106÷0.36=2.5×106mm蒸发源调节杆可调蒸发源草图可调蒸发源造型蒸发源松紧头蒸发源装配图4-15蒸发源设计各机构部分：尺寸调节机构采用一个20齿大锥齿轮驱动4个12齿小锥齿轮，压夹升降机构采用Z20直齿轮驱动Z40直齿丝杆轮带动螺距为2.5的升降丝杆，转架机构为Z30的直齿轮驱动Z320内啮合齿轮带动其他机构旋转，齿轮模数为2。其中直齿丝杆轮和丝杆，丝杆套座，使用SolidWorks建模，其他采用中望3D建模，具体如下所示：尺寸调节机构：锥齿采用一个20齿大锥齿轮驱动4个12齿小锥齿轮，带动4个螺距为6√2的丝杆驱动套座进而调节尺寸，而电机负载转速为96r/min，则尺寸调节速度为:v=n×Z1Z尺寸调节机构锥齿安装尺寸丝杆，套座，导轨（调节部分）装配调节机构驱动锥齿与丝杆锥齿装配调节部分与转架盘和承重杆等的装配图4-16尺寸调节机构设计升降压夹机构：升降架设计如下图4-16和4-17所示，通过添加灯泡与右边齿轮进行配重平衡的同时增加了照明功能。虚线直径d1=60和d2=30mm为齿轮啮合线，24和35mm分别为其推力球轴承尺寸，45mm为两齿轮的中心距a=（d1+d2）/2=45。虚线48mm为小灯泡的最大尺寸轮廓线，28mm灯座最小尺寸，55mm为灯座的安装尺寸。悬挂杆直径为10mm，其圆心离边界均为10mm。矩形12*10为电机安装位置。通过造型得到下图设计升降架上下部分。上部分板厚5mm，下部分板厚12mm，推力球轴承安装圆槽深大齿轮为4mm，小齿轮为3mm，灯座安装孔拔模角度为20°，此外电机安装位置还需设计引线孔φ4，电机选择12v负载转速96r/min，则升降速度v=96r/min÷60s×2040×2.5mm/r=2mm/s，最大升降时间然后就是压夹机构与尺寸调节机构共转部分，采用滚珠轴承组成移轴器在转架导轨中滑动，移轴器与压夹轴销连接，移轴器和压夹轴跟随尺寸调节机构的承重杆移动和旋转。转架导轨的旋转栓与升降丝杆销M8连接，旋转栓和升降丝杆与转架导轨间存在推力球轴承，这样在转架导轨旋转时不会影响到升降机构。具体如下图4-17所示:升降架上下部分草图升降架下部分升降架上部分齿轮啮合部分升降杆齿轮及其升降丝杆压夹机构与尺寸调节机构共转部分升降压夹机构装配图4-17升降压夹机构设计转架机构：转架机构为Z30的直齿轮驱动Z320内啮合齿轮带动其他机构旋转，齿轮模数为2。齿轮通过中望3D工具里的圆柱齿轮命令生成，转架齿轮上R700mm处旋转阵列出8个m10的螺栓安装孔，使转架齿轮与尺寸调节机构的转架盘通过螺栓螺母连接，电机驱动转架驱动齿轮带动转架齿轮和转架盘旋转，进而使尺寸调节机构和压夹机构旋转，具体如下图4-18所示:转架齿轮转架驱动齿轮转架机构齿轮啮合于装配图4-18转架齿轮设计4.3装配爆炸图部分综上所述，电阻蒸发镀膜机总装配如下图所示，由于装配过程在中望3D中完成，装配完成后使用中望3D爆炸视图命令进行分解，具体如下图4-19所示:镀膜机总装配爆炸视图图4-19镀膜机总装配及爆炸视图4.4本章小结本章使用的两种三维建模软件，中望3D以及SolidWorks，通过对软件的使用和了解，然后对电阻蒸发镀膜机进行三维建模，部分建模步骤也进行了详细的说明，同时也对镀膜机的结构设计进行了大致的介绍，同时运用拓扑学知识对电机绕线问题以及3个机构共转干涉问题进行了结构上的修改，完成建模后再对镀膜机部件进行总装配，在电阻蒸发镀膜机成型后，最后进行爆炸视图分解与出图。第5章主要零部件的有限元分析5.1有限元分析软件简介ABAQUS是一种具有强大功能的工程模拟有限元软件，可以解决从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。它被广泛认为是最强大的有限元软件，可以分析复杂的固体力学-结构力学系统，特别是能够处理非常大和复杂的问题，模拟高度非线性的问题。ABAQUS不仅可以分析单个部件和多个物理场的力学，还可以进行系统级的分析和研究。与其他分析软件相比，ABAQUS系统地分析是独特的。由于ABAQUS卓越的分析能力和模拟复杂系统的可靠性，已被各国的工业和研究广泛采用。此次有限元分析过程在Abaqus2020中进行，对部分主要零件进行加载分析其载荷下是否安全可靠，主要分析箱体是否设计合理，以及承重杆的承受范围。通过SolidWorks,和中望3D建模的格式Abaqus无法直接使用，需将模型转换成stp或x_t格式，再通过Abaqus导入部件命令。在导入后需进行材料参数的定义如材料的弹性模量和材料的泊松比，然后附加在部件上，完成材料参数的定义。然后将定义好的部件进行网格化处理，完成网格化后，对部件施加约束和载荷。完成加载后再进行装配和分析步设置，最后再创建作业并提交作业等待计算结果，然后导出有限元分析云图，分析该图的应力应变来确定设计是否合理。5.2箱体的有限元分析由于箱体真空度抽真空后压力大约为10^-4Pa左右,加载时可视为加载一个大气压，其中箱体材料弹性模量为210GPa（软件默认单位MPa，则输入值为2.1e5）泊松比为0.3。首先是设置模型的弹性模量和泊松比，然后进行网格化，然后进行装配和分析步处理，进行约束和加载，最后提交作业进行计算，通过有限元分析，对比云图可知箱体设计相对合理，满足使用要求，有限元分析如下图5-1所示：网格图载荷图变形云图图5-1箱体有限元分析由箱体有限元分析可知箱体上部分的变形在再装夹镀件后由于压夹杆对箱体的自重拉力将变为对箱体的支撑力，这个支撑力能减少箱体上部分的一些应力应变。而壁厚设计合理，箱体圆筒壁无明显形变。总体来说，箱体的强度设计相对合理，尺寸符合使用要求。5.3承重杆的有限元分析对电阻蒸发镀膜机的承重杆进行分析分析，可确定该杆能支撑多少重的镀膜板材，可先加载一块1平米，厚1厘米，密度7.85的钢板的压力，重78.5kg，单杆受力196.25N,然后逐步加载得出该承重杆的最大承受值，其中弹性模量为2.1GPa泊松比为0.3，由有限元分析可设定杆的承重极限在80kg，满足工业设计要求，具体如下图5-2所示：