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    激光加工機(jī)床定梁龍門系統(tǒng)設(shè)計(jì)與模態(tài)分析研究

    2022-10-28 05:03:38磊,蔡
    機(jī)械工程與自動(dòng)化 2022年5期
    關(guān)鍵詞:床身龍門固有頻率

    賀 磊,蔡 勇

    (1.西安尚泰光電科技有限責(zé)任公司,陜西 西安 710065;2.中國科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,陜西 西安 710119)

    0 引言

    激光加工技術(shù)具有非接觸、柔性制造、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高熔點(diǎn)、高硬脆性等金屬和非金屬材料的快速加工,廣泛應(yīng)用于石油化工、航空航天、醫(yī)藥工程以及軍事裝備等各個(gè)行業(yè)[1-3]。激光加工機(jī)床是典型的光、機(jī)、電一體化設(shè)備,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,技術(shù)含量高,制造難度大[4,5],因此,激光加工機(jī)床的設(shè)計(jì)方法被國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。采用傳統(tǒng)機(jī)床設(shè)計(jì)方法對激光加工機(jī)床進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不合理、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)不足等問題,嚴(yán)重影響激光加工機(jī)床的加工質(zhì)量和加工精度。龍門系統(tǒng)是激光加工機(jī)床的主要組成部件之一,不僅支撐著床身重要的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及主軸,而且還承受著激光加工機(jī)床各構(gòu)件在工作過程中運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)負(fù)載,可以說龍門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性將直接影響激光加工機(jī)床的加工精度[6,7],故需對其進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并進(jìn)行模態(tài)分析。

    1 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

    機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后,對應(yīng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程為:

    [M]{ü}+[C]{ü}+[K]{u}={F(t)}.

    (1)

    其中:[M]、[C]和[K]分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;{ü}、{ü}和{u}分別為結(jié)構(gòu)的加速度、速度和位移;{F(t)}為結(jié)構(gòu)的動(dòng)載荷。

    對于線性系統(tǒng),若結(jié)構(gòu)做自由振動(dòng),不考慮阻尼情況下,質(zhì)量矩陣和剛度矩陣均為常數(shù),自由振動(dòng)為簡諧運(yùn)動(dòng),有:

    {u}={Ф}i(ωit).

    (2)

    其中:{Ф}i為特征向量;ωi為i階模態(tài)的固有頻率。

    對式(2)進(jìn)行求解,即可得結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的n階固有頻率:

    (3)

    2 激光加工機(jī)床定梁龍門系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    FPC(Flexible Printed Circuit,柔性電路板)超精細(xì)激光切割鉆孔機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)作為機(jī)床的關(guān)鍵組成部件,包含定梁龍門床身和三軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(X、Y、Z軸)。三軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)安裝在床身上,X軸驅(qū)動(dòng)工作臺做縱向移動(dòng);Y軸在龍門橫梁上驅(qū)動(dòng)激光導(dǎo)引系統(tǒng)做橫向運(yùn)動(dòng);Z軸在Y軸滑枕上做橫向運(yùn)動(dòng),高精度二維掃描振鏡、精密測距傳感器等安裝在Z軸工作臺上,實(shí)現(xiàn)精密掃描加工。床身支撐傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主軸及機(jī)床工作過程中運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)負(fù)載,將直接影響激光光斑位置精度,最終影響零件的加工質(zhì)量。

    考慮到FPC超快激光微加工系統(tǒng)的特性和機(jī)床結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定可靠性,尤其機(jī)床系統(tǒng)的剛性、穩(wěn)定性及精度等直接影響光束的傳輸精度,而光束相當(dāng)于是機(jī)床的“主軸”,所以主要從機(jī)床精度和機(jī)床對光束導(dǎo)引系統(tǒng)精度的影響兩方面來進(jìn)行設(shè)計(jì)及分析。從高剛性、長期穩(wěn)定性和成本方面考慮,機(jī)床可采用定梁龍門三軸標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。由于天然大理石符合定梁龍門系統(tǒng)的高剛度和穩(wěn)定性需求,故定梁龍門選擇天然大理石材料加工而成,采用的天然大理石主要性能參數(shù)如表1所示。

    表1 天然大理石的主要性能參數(shù)

    3 定梁龍門系統(tǒng)應(yīng)力和模態(tài)分析

    在機(jī)床床身設(shè)計(jì)初期,須對其進(jìn)行剛性和模態(tài)分析。本文采用ANSYS軟件對設(shè)計(jì)的定梁龍門系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力和模態(tài)分析。定梁龍門系統(tǒng)主要承載力來自激光導(dǎo)引系統(tǒng)和X、Y、Z三軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等自重。橫梁所承載質(zhì)量約40 kg,考慮到Y(jié)軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)需在橫梁上做往復(fù)的加減速運(yùn)動(dòng),為了提高其安全性能,將橫梁承載質(zhì)量增加至60 kg;大理石底座所承載質(zhì)量約為120 kg,考慮到X軸的往復(fù)加減速運(yùn)動(dòng)的影響,大理石底座承載質(zhì)量增加至140 kg。計(jì)算時(shí)分別對定梁龍門系統(tǒng)的橫梁施加600 N、大理石底座施加1 400 N的等效均布載荷進(jìn)行分析。使用有限元分析方法在 ANSYS 平臺上建立定梁龍門系統(tǒng)的有限元模型,并基于應(yīng)力和模態(tài)分析理論,求解得到該結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖、位移云圖和前4階固有頻率及振型。定梁龍門系統(tǒng)應(yīng)力云圖如圖1所示,位移云圖如圖2所示,前4階固有頻率如表2所示。

    圖2 定梁龍門系統(tǒng)位移云圖

    表2 定梁龍門系統(tǒng)前4階固有頻率

    4 結(jié)論

    由上述分析結(jié)果可得以下結(jié)論:施加載荷后,龍門系統(tǒng)的最大應(yīng)力71 788 N/m2,遠(yuǎn)小于大理石的屈服強(qiáng)度;最大變形量為0.000 390 92 mm,滿足設(shè)計(jì)要求;龍門系統(tǒng)的1階固有頻率為255.44 Hz,2階固有頻率為463.48 Hz,說明設(shè)計(jì)的龍門系統(tǒng)2階固有頻率較高,3階及其以上固有頻率更高,表明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)剛度足夠高,其結(jié)構(gòu)尺寸滿足實(shí)際工況的要求;通常,機(jī)床的工作頻率都在40 Hz以內(nèi),本文設(shè)計(jì)的機(jī)床的工作頻率與機(jī)床床身固有頻率相差較大,能夠有效地避免機(jī)床床身發(fā)生共振,確保了機(jī)床工作的穩(wěn)定性。

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