ADAMS大功率高速懸臂激光切割機動態精度分析

2013-06-24 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

關鍵字:動態精度結合部剛度激光切割機

激光切割機作為激光加工設備之一,市場前景好,是國內外企業大力發展的品種。按結構形式激光切割機可以分為龍門式和懸臂式,按傳動方式可分為直線電機、絲杠、齒輪齒條等。自20世紀70年代激光技術開始應用于材料切割領域,至今國外已經開始大規模應用于工業生產,同時成長起來一批激光切割設備制造商,比較著名的有德國的TRUMPF、意大利的PRIMA、瑞士的BYSTRONIC、日本的MAZAK、AMADA、MITSUBISHI等。我國激光技術的基礎研究始終緊跟國際頂尖水平,但在激光加工設備方面明顯落后,國內現在規模較大的激光設備制造商有大族激光、華工激光、廣州團結等。

激光加工技術一直是國家重點支持和推動的高新技術,而且在國家制定的中長期發展規劃中,激光加工技術也被列為關鍵支撐技術,一段時期內,激光加工設備的市場也將處于井噴狀態,這為我國激光加工技術的發展帶來了優越的發展機遇。

激光切割機的加工精度受多種因素影響,切割頭的動態精度決定加工精度,本文主要研究結合部剛性對切割頭動態精度的影響。

2 大功率高速懸臂激光切割機的結構特點

本文所研究的大功率高速懸臂激光切割機如圖1所示,此切割機采用懸臂式結構,開放性好,XY軸以直線電機和直線導軌作為傳動部件,使用光柵尺精確定位,能達到真正意義上的高精度、高速度、高性能,最大運行速度120m/min,定位精度±0.03mm/m,重復定位精度±0.03mm。此切割機可以應用于金屬切割、模切板加工、電氣開關制造、航空航天、糧食機械、紡織機械、工程機械、機車制造、農林機械、電梯制造、特種汽車、家用電器制造、工具加工、IT制造、石油機械制造、食品機械、金剛石工具焊接、齒輪焊接、金屬材料表面處理、裝飾廣告、激光對外加工服務等各種機械制造加工行業。此切割機專業用于切割多種中薄金屬板材,通過配置不同功率大小的激光器,可優質切割0.5~40mm碳鋼板,0.5~25mm不銹鋼板,還可切割PVC、密度板、壓克力、ABS、木材等多種非金屬材料。

1-直線電機,2-操作臺,3-床身,4-工作臺,5-Y向運動部分,6-懸臂,7-激光器
圖1 大功率高速懸臂激光切割機

3 虛擬樣機建模與仿真

MSC.ADAMS軟件是專門用于機械系統動力學的仿真分析軟件,以其完備的零件庫、約束庫、力庫,可以創建完全參數化的機械系統虛擬樣機,通過后處理器,可以方便的輸出位移、速度、加速度以及反作用力曲線。同時,通過IGES、STEP等標準文件格式可以方便的與其他CAD/CAM/CAE軟件交換數據,為機械系統設計提供了強有力的支持。

ADAMS中提供了一種Bushing(軸套力)連接方式,軸套力實際上是模擬兩構件之間的力和力矩大小,它作用在主動體與反作用體的I marker 和J marker上。軸套力的計算公式如下:

式中 F,T——力和力矩

R——I,J標記之間的相對位移

θ——I,J標記之間的相對轉角

v——I,J標記之間的相對速度

ω——I,J標記之間的相對角速度

k,c——剛性和阻尼系數

下標 x,y,z——x、y、z方向

下標x0,y0,z0——x、y、z方向的初始值

在ADAMS中建立的激光切割機虛擬樣機如圖2,只考慮主要的結構部分,忽略不必要的細節。各構件間利用軟件中定義的約束、力建立連接關系,具體見圖3,其中Y向運動部分全部固定于懸臂之上;直線電機定子和動子間有20000N吸力,以單點力形式施加于動子質心;X向每根導軌上有三個滑塊,每個滑塊與滑板間用一個Bushing連接;實際中懸臂和滑板利用上下各四個螺釘連接,虛擬樣機中每個螺釘用一個Bushing替代。滑塊、懸臂與滑板間的Bushing如圖4所示。

1-懸臂,2-床身,3-滑板,4-X向導軌,5-滑塊,6-X向直線電機動子,
7-X向直線電機定子,8-切割頭,9-Marker_191
圖2 虛擬樣機

圖3 主要構件間約束及載荷

1-懸臂,2-滑塊與滑板連接Bushing,3-滑板,4-滑塊,5-X向導軌,
6-X向直線電機動子,7-X向直線電機定子,8-床身,9-懸臂與滑板連接Bushing
圖4 結合部連接示意圖

4 仿真結果分析

4.1 動態精度分析

本文只分析滑塊結合部剛度對切割頭動態精度的影響,故只改變滑塊與滑板間Bushing的移動剛度和轉動剛度值,分析切割頭端點(Marker_191,見圖2)相對滑塊質心X、Y方向的位移。Bushing的初始數據取自經驗值,Bushing參數值見表1。為研究切割頭動態精度,對機床進行短行程分析,即在X向加速到最大速度再減速至零,驅動力為正弦輸入(見圖5),施加在X向直線電機動子質心上。在此驅動力下,Bushing參數值取表1中的初始數據時,滑塊質心位移、速度、加速度曲線如圖6。

表1 結合部參數

圖5 驅動力曲線

圖6 滑塊質心位移、速度、加速度曲線

在同樣驅動力下,依據表1采用不同的Bushing參數值進行仿真,輸出相應的切割頭端點X方向的位移如圖7。從圖中可以看到,不同的Bushing參數值導致切割頭端點X方向的位移出現差別。

1-改進1,2-初始數據,3-改進2
圖7 不同Bushing參數對應的切割頭端點X向位移

對每次分析結果,輸出切割頭端點相對滑塊質心的X、Y方向的位移,結果如圖8所示,此結果即為不同Bushing參數值所對應的切割頭動態精度。

1-初始數據,2-改進1,3-改進2
圖8 切割頭動態精度

從圖8可以看到,三種不同的Bushing參數,使得切割頭動態精度差別較大。采用初始數據時,精度在0.0075mm內;改進1即提高Bushing剛性,精度在0.003mm內,改進2即降低Bushing剛性,精度大于0.03mm。可見隨著滑塊與滑板結合部剛性增強,切割頭動態精度提高。目前所選用的滑塊其結合部剛度能滿足精度要求。

4.2 振動分析

依據表1,對不同Bushing參數值的虛擬樣機分別進行振動分析,具體做法是,在X向直線電機動子質心加幅值為1G(9.8m/s2)大小的正弦加速度,從1HZ至1000HZ正弦掃頻,考察其對切割頭X向激勵。對不同的分析結果分別輸出切割頭端點X向加速度的頻率響應,結果如圖9。隨著滑塊與滑板連接Bushing剛性增強,切割頭端點起振頻率逐漸增大。

1-改進2,2-初始數據,3-改進1
圖9 切割頭振動響應

5 結論

本文利用MSC.ADAMS軟件建立了大功率高速懸臂激光切割機整機虛擬樣機,其中滑塊與滑板的連接采用Bushing連接,并對采用不同的Bushing參數值的虛擬樣機進行了整機動態精度分析和振動分析。結果顯示結合部剛度對切割頭動態精度影響顯著,隨著結合部剛度增強,切割頭動態精度提高,而且在振動激勵下切割頭起振頻率相應增大。本文的研究結果為合理選擇滑塊剛度值及優化切割頭動態精度提供了理論依據。

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