ADAMS大功率高速懸臂激光切割機(jī)動(dòng)態(tài)精度分析

2013-06-24 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線(xiàn)

關(guān)鍵字:動(dòng)態(tài)精度結(jié)合部剛度激光切割機(jī)

激光切割機(jī)作為激光加工設(shè)備之一,市場(chǎng)前景好,是國(guó)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(jī)可以分為龍門(mén)式和懸臂式,按傳動(dòng)方式可分為直線(xiàn)電機(jī)、絲杠、齒輪齒條等。自20世紀(jì)70年代激光技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于材料切割領(lǐng)域,至今國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn),同時(shí)成長(zhǎng)起來(lái)一批激光切割設(shè)備制造商,比較著名的有德國(guó)的TRUMPF、意大利的PRIMA、瑞士的BYSTRONIC、日本的MAZAK、AMADA、MITSUBISHI等。我國(guó)激光技術(shù)的基礎(chǔ)研究始終緊跟國(guó)際頂尖水平,但在激光加工設(shè)備方面明顯落后,國(guó)內(nèi)現(xiàn)在規(guī)模較大的激光設(shè)備制造商有大族激光、華工激光、廣州團(tuán)結(jié)等。

激光加工技術(shù)一直是國(guó)家重點(diǎn)支持和推動(dòng)的高新技術(shù),而且在國(guó)家制定的中長(zhǎng)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(shí)期內(nèi),激光加工設(shè)備的市場(chǎng)也將處于井噴狀態(tài),這為我國(guó)激光加工技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了優(yōu)越的發(fā)展機(jī)遇。

激光切割機(jī)的加工精度受多種因素影響,切割頭的動(dòng)態(tài)精度決定加工精度,本文主要研究結(jié)合部剛性對(duì)切割頭動(dòng)態(tài)精度的影響。

2 大功率高速懸臂激光切割機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本文所研究的大功率高速懸臂激光切割機(jī)如圖1所示,此切割機(jī)采用懸臂式結(jié)構(gòu),開(kāi)放性好,XY軸以直線(xiàn)電機(jī)和直線(xiàn)導(dǎo)軌作為傳動(dòng)部件,使用光柵尺精確定位,能達(dá)到真正意義上的高精度、高速度、高性能,最大運(yùn)行速度120m/min,定位精度±0.03mm/m,重復(fù)定位精度±0.03mm。此切割機(jī)可以應(yīng)用于金屬切割、模切板加工、電氣開(kāi)關(guān)制造、航空航天、糧食機(jī)械、紡織機(jī)械、工程機(jī)械、機(jī)車(chē)制造、農(nóng)林機(jī)械、電梯制造、特種汽車(chē)、家用電器制造、工具加工、IT制造、石油機(jī)械制造、食品機(jī)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(duì)外加工服務(wù)等各種機(jī)械制造加工行業(yè)。此切割機(jī)專(zhuān)業(yè)用于切割多種中薄金屬板材,通過(guò)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(xiàn)電機(jī),2-操作臺(tái),3-床身,4-工作臺(tái),5-Y向運(yùn)動(dòng)部分,6-懸臂,7-激光器
圖1 大功率高速懸臂激光切割機(jī)

3 虛擬樣機(jī)建模與仿真

MSC.ADAMS軟件是專(zhuān)門(mén)用于機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的仿真分析軟件,以其完備的零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù),可以創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī),通過(guò)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(xiàn)。同時(shí),通過(guò)IGES、STEP等標(biāo)準(zhǔn)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(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的支持。

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

式中 F,T——力和力矩

R——I,J標(biāo)記之間的相對(duì)位移

θ——I,J標(biāo)記之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角

v——I,J標(biāo)記之間的相對(duì)速度

ω——I,J標(biāo)記之間的相對(duì)角速度

k,c——?jiǎng)傂院妥枘嵯禂?shù)

下標(biāo) x,y,z——x、y、z方向

下標(biāo)x0,y0,z0——x、y、z方向的初始值

在A(yíng)DAMS中建立的激光切割機(jī)虛擬樣機(jī)如圖2,只考慮主要的結(jié)構(gòu)部分,忽略不必要的細(xì)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(jiàn)圖3,其中Y向運(yùn)動(dòng)部分全部固定于懸臂之上;直線(xiàn)電機(jī)定子和動(dòng)子間有20000N吸力,以單點(diǎn)力形式施加于動(dòng)子質(zhì)心;X向每根導(dǎo)軌上有三個(gè)滑塊,每個(gè)滑塊與滑板間用一個(gè)Bushing連接;實(shí)際中懸臂和滑板利用上下各四個(gè)螺釘連接,虛擬樣機(jī)中每個(gè)螺釘用一個(gè)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(xiàn)電機(jī)動(dòng)子,
7-X向直線(xiàn)電機(jī)定子,8-切割頭,9-Marker_191
圖2 虛擬樣機(jī)

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(xiàn)電機(jī)動(dòng)子,7-X向直線(xiàn)電機(jī)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(dòng)態(tài)精度分析

本文只分析滑塊結(jié)合部剛度對(duì)切割頭動(dòng)態(tài)精度的影響,故只改變滑塊與滑板間Bushing的移動(dòng)剛度和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度值,分析切割頭端點(diǎn)(Marker_191,見(jiàn)圖2)相對(duì)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(yàn)值,Bushing參數(shù)值見(jiàn)表1。為研究切割頭動(dòng)態(tài)精度,對(duì)機(jī)床進(jìn)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(dòng)力為正弦輸入(見(jiàn)圖5),施加在X向直線(xiàn)電機(jī)動(dòng)子質(zhì)心上。在此驅(qū)動(dòng)力下,Bushing參數(shù)值取表1中的初始數(shù)據(jù)時(shí),滑塊質(zhì)心位移、速度、加速度曲線(xiàn)如圖6。

表1 結(jié)合部參數(shù)

圖5 驅(qū)動(dòng)力曲線(xiàn)

圖6 滑塊質(zhì)心位移、速度、加速度曲線(xiàn)

在同樣驅(qū)動(dòng)力下,依據(jù)表1采用不同的Bushing參數(shù)值進(jìn)行仿真,輸出相應(yīng)的切割頭端點(diǎn)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(dǎo)致切割頭端點(diǎn)X方向的位移出現(xiàn)差別。

1-改進(jìn)1,2-初始數(shù)據(jù),3-改進(jìn)2
圖7 不同Bushing參數(shù)對(duì)應(yīng)的切割頭端點(diǎn)X向位移

對(duì)每次分析結(jié)果,輸出切割頭端點(diǎn)相對(duì)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(duì)應(yīng)的切割頭動(dòng)態(tài)精度。

1-初始數(shù)據(jù),2-改進(jìn)1,3-改進(jìn)2
圖8 切割頭動(dòng)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(dòng)態(tài)精度差別較大。采用初始數(shù)據(jù)時(shí),精度在0.0075mm內(nèi);改進(jìn)1即提高Bushing剛性,精度在0.003mm內(nèi),改進(jìn)2即降低Bushing剛性,精度大于0.03mm?？梢?jiàn)隨著滑塊與滑板結(jié)合部剛性增強(qiáng),切割頭動(dòng)態(tài)精度提高。目前所選用的滑塊其結(jié)合部剛度能滿(mǎn)足精度要求。

4.2 振動(dòng)分析

依據(jù)表1,對(duì)不同Bushing參數(shù)值的虛擬樣機(jī)分別進(jìn)行振動(dòng)分析,具體做法是,在X向直線(xiàn)電機(jī)動(dòng)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(duì)切割頭X向激勵(lì)。對(duì)不同的分析結(jié)果分別輸出切割頭端點(diǎn)X向加速度的頻率響應(yīng),結(jié)果如圖9。隨著滑塊與滑板連接Bushing剛性增強(qiáng),切割頭端點(diǎn)起振頻率逐漸增大。

1-改進(jìn)2,2-初始數(shù)據(jù),3-改進(jìn)1
圖9 切割頭振動(dòng)響應(yīng)

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(jī)整機(jī)虛擬樣機(jī),其中滑塊與滑板的連接采用Bushing連接,并對(duì)采用不同的Bushing參數(shù)值的虛擬樣機(jī)進(jìn)行了整機(jī)動(dòng)態(tài)精度分析和振動(dòng)分析。結(jié)果顯示結(jié)合部剛度對(duì)切割頭動(dòng)態(tài)精度影響顯著,隨著結(jié)合部剛度增強(qiáng),切割頭動(dòng)態(tài)精度提高,而且在振動(dòng)激勵(lì)下切割頭起振頻率相應(yīng)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(dòng)態(tài)精度提供了理論依據(jù)。

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