ADAMS大功率高速懸臂激光切割機動態(tài)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(guān)鍵字:動態(tài)精度結(jié)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(nèi)外企業(yè)大力發(fā)展的品種。按結(jié)構(gòu)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(shù)開始應用于材料切割領域,至今國外已經(jīng)開始大規(guī)模應用于工業(yè)生產(chǎn),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(shù)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(nèi)現(xiàn)在規(guī)模較大的激光設備制造商有大族激光、華工激光、廣州團結(jié)等。

激光加工技術(shù)一直是國家重點支持和推動的高新技術(shù),而且在國家制定的中長期發(fā)展規(guī)劃中,激光加工技術(shù)也被列為關(guān)鍵支撐技術(shù),一段時期內(nèi),激光加工設備的市場也將處于井噴狀態(tài),這為我國激光加工技術(shù)的發(fā)展帶來了優(yōu)越的發(fā)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(tài)精度決定加工精度,本文主要研究結(jié)合部剛性對切割頭動態(tài)精度的影響。

2 大功率高速懸臂激光切割機的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),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(guān)制造、航空航天、糧食機械、紡織機械、工程機械、機車制造、農(nóng)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(yè)。此切割機專業(yè)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(yōu)質(zhì)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(tǒng)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(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)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(shù)據(jù),為機械系統(tǒng)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(gòu)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(zhuǎn)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(shù)

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(jié)構(gòu)部分,忽略不必要的細節(jié)。各構(gòu)件間利用軟件中定義的約束、力建立連接關(guān)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(zhì)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?；瑝K、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?qū)к?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(gòu)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?qū)к?
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(jié)合部連接示意圖

4 仿真結(jié)果分析

4.1 動態(tài)精度分析

本文只分析滑塊結(jié)合部剛度對切割頭動態(tài)精度的影響,故只改變滑塊與滑板間Bushing的移動剛度和轉(zhuǎn)動剛度值,分析切割頭端點(Marker_191,見圖2)相對滑塊質(zhì)心X、Y方向的位移。Bushing的初始數(shù)據(jù)取自經(jīng)驗值,Bushing參數(shù)值見表1。為研究切割頭動態(tài)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(qū)動力為正弦輸入(見圖5),施加在X向直線電機動子質(zhì)心上。在此驅(qū)動力下,Bushing參數(shù)值取表1中的初始數(shù)據(jù)時,滑塊質(zhì)心位移、速度、加速度曲線如圖6。

表1 結(jié)合部參數(shù)

圖5 驅(qū)動力曲線

圖6 滑塊質(zhì)心位移、速度、加速度曲線

在同樣驅(qū)動力下,依據(jù)表1采用不同的Bushing參數(shù)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(shù)值導致切割頭端點X方向的位移出現(xiàn)差別。

1-改進1,2-初始數(shù)據(jù),3-改進2
圖7 不同Bushing參數(shù)對應的切割頭端點X向位移

對每次分析結(jié)果,輸出切割頭端點相對滑塊質(zhì)心的X、Y方向的位移,結(jié)果如圖8所示,此結(jié)果即為不同Bushing參數(shù)值所對應的切割頭動態(tài)精度。

1-初始數(shù)據(jù),2-改進1,3-改進2
圖8 切割頭動態(tài)精度

從圖8可以看到,三種不同的Bushing參數(shù),使得切割頭動態(tài)精度差別較大。采用初始數(shù)據(jù)時,精度在0.0075mm內(nèi);改進1即提高Bushing剛性,精度在0.003mm內(nèi),改進2即降低Bushing剛性,精度大于0.03mm?？梢婋S著滑塊與滑板結(jié)合部剛性增強,切割頭動態(tài)精度提高。目前所選用的滑塊其結(jié)合部剛度能滿足精度要求。

4.2 振動分析

依據(jù)表1,對不同Bushing參數(shù)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(zhì)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(jié)果分別輸出切割頭端點X向加速度的頻率響應,結(jié)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(shù)據(jù),3-改進1
圖9 切割頭振動響應

5 結(jié)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(shù)值的虛擬樣機進行了整機動態(tài)精度分析和振動分析。結(jié)果顯示結(jié)合部剛度對切割頭動態(tài)精度影響顯著,隨著結(jié)合部剛度增強,切割頭動態(tài)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(jié)果為合理選擇滑塊剛度值及優(yōu)化切割頭動態(tài)精度提供了理論依據(jù)。

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