基于CAE分析的激光雕刻機設計

周黎明++華洋++左忠棟++郭華鋒++倪琪++閆士長

摘 要：激光雕刻屬于先進制造技術的重要分支，在金屬、木材、毛皮、玻璃等行業應用日益廣泛?；贑reo3.0平臺設計了一種同步帶傳動式小型激光雕刻機，完成整機的3D建模、裝配及干涉檢驗等。采用ANSYS軟件進行了激光雕刻機橫梁的靜力學分析及傳動軸模態分析。結果表明：橫梁最大變形位于中部，最大應力遠小于材料許用應力；傳動軸最大共振區位于中部，合理安裝同步帶輪可有效避開共振。

關鍵詞：激光雕刻機 ANSYS 靜力學分析 模態分析

中圖分類號：TG386.41 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（c）-0070-03

激光雕刻技術是先進制造技術的重要分支，相比傳統的機械雕刻方式，能實現復雜結構、高硬脆性等金屬和非金屬材料進行快速雕刻，具有加工效率高、材料范圍廣泛、無切削力、能耗小等優點，在金屬制品、工藝品、木材加工業等領域應用日益廣泛。

在文獻和實際調研基礎上，基于Creo軟件設計了一臺基于同步帶傳動的小型激光雕刻機，完成了整機的建模和裝配，在此基礎上進行了靜力學分析和模態分析。

1 激光雕刻機總體設計

綜合考慮整體剛強度及穩定性，結合設計要求，激光雕刻機采用龍門式結構。其結構主要包括：底座、電機、支架、激光器、同步帶等。平面雕刻運動由X方向和Y方向導軌實現，Y方向由兩個平行導軌構成，X方向由一個導軌構成，X方向導軌是垂直緊固在Y方向的兩平行導軌上。激光器安裝在X方向導軌上，由同步傳動帶帶動在X方向導軌上運動；通過步進電動機驅動帶輪旋轉使同步帶帶動激光器在X、Y方向上運動，實現對材料的雕刻。

根據設計要求，X和Y軸向導軌選用GGB16AA型四方向等載荷滾動直線導軌副，通過校核和計算選用的該型導軌滿足設計要求；選用型號為35BYJ412的四相步進電機；采用帶有雙邊擋圈的同步帶輪。最后按照裝配要求完成整機裝配。

2 基于ANSYS Workbench的關鍵零部件CAE分析

橫梁是激光雕刻機的重要組成部件，傳統設計采用材料力學與經驗設計相結合的方法，為保證可靠性，一般都加大安全系數，從而導致橫梁笨重且增加成本。采用現代優化設計方法通過對結構進行有限元分析，定量獲取應力和變形值，為結構優化提供理論依據。同時，為使激光雕刻機能夠精準定位，要求激光頭到達指定位置時，同步傳輸帶停止運動，這就對步進電機的速度控制提出較高的要求。由于步進電機轉速的不同，可能會引起傳動光軸產生不同程度的振動幅度，進而影響步進電機的控制精度。通過模態分析可以有效避免這一問題。

2.1 橫梁的靜力學分析

（1）橫梁有限元模型與加載。

橫梁材料采用鋁合金5052-H112，該材料密度為2.7 kg/m3，彈性模量E，泊松比μ=0.32。在有限元分析前需要對模型進行必要的簡化，忽略鍵槽、螺紋孔等結構[1]，簡化后的橫梁模型如圖1所示。在設計過程中，根據激光雕刻機的設計要求，設計橫梁的軸向長度1 300 mm，端面為長38 mm、寬28 mm的長方形端面，厚度為2 mm。

（2）模型的參數化和網格分析。

為了優化結構，需要對橫梁模型進行參數化設置。在CAD軟件中建立橫梁模型，并以“DS”開頭重命名需要優化的參數，使得模型導入ANSYS Workbench中時優化變量就可以被識別，實現模型參數雙向互動。橫梁結構比較復雜，采用軟件自動網格劃分，單元大小設為0.06 m。

（3）約束與載荷。

橫梁通過立柱、螺母與激光雕刻機的Y軸向導軌連接，激光雕刻機工作時，橫梁主要受上方零部件的壓力。壓力均勻分布在與橫梁接觸的壁上方向垂直于上壁表面。橫梁兩端施加固定約束，橫梁為簡支梁結構。

（4）靜力學分析。

將橫梁受力簡化為兩端固定的簡支梁，當受力集中于橫梁中點處時，橫梁最危。橫梁的應力云圖如圖2所示。橫梁的最大變形在中部，最大的許用應力為0.749 67 MPa，遠小于材料自身的許用應力，所以設計的橫梁的強度在安全范圍內。

圖3為彎矩云圖，從有限元分析結果可以看出，橫梁所受最大彎矩為1 625 N·mm，在鋁合金材料性能安全范圍內，所以設計完全滿足要求。

2.2 傳動軸模態分析

（1）傳動軸有限元模型與加載。

通過CAD軟件將創建的模型直接導入ANSYS Workbench，為了提高對模型的分析效率，對模型進行了簡化，鍵槽、兩端的孔按實體處理，忽略一些局部特征，簡化后傳動軸[2]。實體三維模型如圖4所示。設計的傳動軸選用45鋼，該材料彈性模量210 GPa，密度7.850 kg/m3，泊松比0.3。在設計過程中，根據激光雕刻機的加工面積，確定傳動軸的軸向長度159 mm，直徑6 mm。

（2）約束與載荷。

在對模型施加約束和載荷時，應按照實際情況進行，這樣才能保證計算結果的可靠性和準確性。根據實際情況加載位置有2處：（1）在傳動軸兩端軸承處施加邊界條件，由于承受軸承的支承力，因此施加X、Y、Z三方向的約束；（2）同步傳輸帶選用PU帶，其密度1.25 kg/m3，同步帶輪和聯軸器選用鋁合金，密度2.7 kg/m3，經計算得出傳動軸受到的重力載荷26.7 N，均勻分布在兩傳動軸上。

（3）模態分析。

模態分析的目的在于確定結構的振動特性。在對前面靜態結構分析的傳動軸的基礎上，對其進行模態計算。在ANSYS Workbench的Model模塊中得到了傳動軸各階固有頻率及相應的振型。一般情況下不必求出全部固有頻率和振型，而應著重考慮輸送機工作條件下所涉及的頻率[3]。低階固有振型要比高階振型對傳送機步進電機的振動影響大。故該文關心的是低階模態。提取前6階振型結果如表1所示。同時在ANSYS Workbench中，由于得出的振幅是經過處理的相對值，因此并不能真實反映實際振幅。

①傳動軸的最小頻率933.69 Hz。經查閱相關資料，發現四相感應式步進電機的共振區一般在180～250 Hz（步距角1.80°），而且步進電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，則共振區向上偏移。因此為了保證同步傳輸帶傳送準確可靠，必須保證步進電機的工作頻率在300～900 Hz，從而避免傳動軸和步進電機產生共振[4]。

②模態振型分析。經分析前兩階的模態振型圖（圖5，圖6）?？梢钥闯鰝鲃虞S中部產生較大的共振幅度。因此中部是輸送機傳動軸的薄弱部分。所以在不影響傳送精度的前提下，同步帶輪盡量布置在傳動軸的兩側，以減小傳動軸在傳動過程中的變形。

在有限元分析的基礎上，該文選用型號為35BYJ412的四相步進電機，避免傳動軸的共振。而傳動帶輪安裝在了傳動軸的兩側，減小了傳動軸在傳動過程中的變形，實現了傳動軸的優化設計。

參考文獻

[1] 李誠.基于Pro/E和ANSYS Workbench的懸掛夾具結構優化設計[J].機械工程師，2013（9）：107-109.

[2] 劉卿，鄭紅霞.基于ANSYS Workbench的采煤機截剖部扭轉剛度與角角速度分析[J].煤炭技術，2014，33（12）：282-284.

[3] 方鵬，李健，韋遼.基于ANSYS Workbench機床主軸有限元分析[J].裝備制造技術，2013（4）：28-30.

[4] 王迪迪，宋新旺，陳福洋，等.基于ANSYS Workbench傳動軸模態分析[J].煤炭技術，2015（9）：287-289.

[5] 劉曉婉.激光加工技術的研究發展現狀[J].中國新技術新產品，2016（18）：54-55.