基于CAE分析的激光雕刻機(jī)設(shè)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(jìn)制造技術(shù)的重要分支，在金屬、木材、毛皮、玻璃等行業(yè)應(yīng)用日益廣泛。基于Creo3.0平臺設(shè)計了一種同步帶傳動式小型激光雕刻機(jī)，完成整機(jī)的3D建模、裝配及干涉檢驗(yàn)等。采用ANSYS軟件進(jìn)行了激光雕刻機(jī)橫梁的靜力學(xué)分析及傳動軸模態(tài)分析。結(jié)果表明：橫梁最大變形位于中部，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力；傳動軸最大共振區(qū)位于中部，合理安裝同步帶輪可有效避開共振。

關(guān)鍵詞：激光雕刻機(jī) ANSYS 靜力學(xué)分析 模態(tài)分析

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

激光雕刻技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要分支，相比傳統(tǒng)的機(jī)械雕刻方式，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高硬脆性等金屬和非金屬材料進(jìn)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(yōu)點(diǎn)，在金屬制品、工藝品、木材加工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。

在文獻(xiàn)和實(shí)際調(diào)研基礎(chǔ)上，基于Creo軟件設(shè)計了一臺基于同步帶傳動的小型激光雕刻機(jī)，完成了整機(jī)的建模和裝配，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。

1 激光雕刻機(jī)總體設(shè)計

綜合考慮整體剛強(qiáng)度及穩(wěn)定性，結(jié)合設(shè)計要求，激光雕刻機(jī)采用龍門式結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)主要包括：底座、電機(jī)、支架、激光器、同步帶等。平面雕刻運(yùn)動由X方向和Y方向?qū)к墝?shí)現(xiàn)，Y方向由兩個平行導(dǎo)軌構(gòu)成，X方向由一個導(dǎo)軌構(gòu)成，X方向?qū)к壥谴怪本o固在Y方向的兩平行導(dǎo)軌上。激光器安裝在X方向?qū)к壣希赏絺鲃訋釉赬方向?qū)к壣线\(yùn)動；通過步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動帶輪旋轉(zhuǎn)使同步帶帶動激光器在X、Y方向上運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對材料的雕刻。

根據(jù)設(shè)計要求，X和Y軸向?qū)к夁x用GGB16AA型四方向等載荷滾動直線導(dǎo)軌副，通過校核和計算選用的該型導(dǎo)軌滿足設(shè)計要求；選用型號為35BYJ412的四相步進(jìn)電機(jī)；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(jī)裝配。

2 基于ANSYS Workbench的關(guān)鍵零部件CAE分析

橫梁是激光雕刻機(jī)的重要組成部件，傳統(tǒng)設(shè)計采用材料力學(xué)與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計相結(jié)合的方法，為保證可靠性，一般都加大安全系數(shù)，從而導(dǎo)致橫梁笨重且增加成本。采用現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計方法通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，定量獲取應(yīng)力和變形值，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。同時，為使激光雕刻機(jī)能夠精準(zhǔn)定位，要求激光頭到達(dá)指定位置時，同步傳輸帶停止運(yùn)動，這就對步進(jìn)電機(jī)的速度控制提出較高的要求。由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的不同，可能會引起傳動光軸產(chǎn)生不同程度的振動幅度，進(jìn)而影響步進(jìn)電機(jī)的控制精度。通過模態(tài)分析可以有效避免這一問題。

2.1 橫梁的靜力學(xué)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(jìn)行必要的簡化，忽略鍵槽、螺紋孔等結(jié)構(gòu)[1]，簡化后的橫梁模型如圖1所示。在設(shè)計過程中，根據(jù)激光雕刻機(jī)的設(shè)計要求，設(shè)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(shù)化和網(wǎng)格分析。

為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)，需要對橫梁模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置。在CAD軟件中建立橫梁模型，并以“DS”開頭重命名需要優(yōu)化的參數(shù)，使得模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中時優(yōu)化變量就可以被識別，實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)雙向互動。橫梁結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用軟件自動網(wǎng)格劃分，單元大小設(shè)為0.06 m。

（3）約束與載荷。

橫梁通過立柱、螺母與激光雕刻機(jī)的Y軸向?qū)к夁B接，激光雕刻機(jī)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(jié)構(gòu)。

（4）靜力學(xué)分析。

將橫梁受力簡化為兩端固定的簡支梁，當(dāng)受力集中于橫梁中點(diǎn)處時，橫梁最危。橫梁的應(yīng)力云圖如圖2所示。橫梁的最大變形在中部，最大的許用應(yīng)力為0.749 67 MPa，遠(yuǎn)小于材料自身的許用應(yīng)力，所以設(shè)計的橫梁的強(qiáng)度在安全范圍內(nèi)。

圖3為彎矩云圖，從有限元分析結(jié)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(nèi)，所以設(shè)計完全滿足要求。

2.2 傳動軸模態(tài)分析

（1）傳動軸有限元模型與加載。

通過CAD軟件將創(chuàng)建的模型直接導(dǎo)入ANSYS Workbench，為了提高對模型的分析效率，對模型進(jìn)行了簡化，鍵槽、兩端的孔按實(shí)體處理，忽略一些局部特征，簡化后傳動軸[2]。實(shí)體三維模型如圖4所示。設(shè)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(shè)計過程中，根據(jù)激光雕刻機(jī)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(yīng)按照實(shí)際情況進(jìn)行，這樣才能保證計算結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。根據(jù)實(shí)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(lián)軸器選用鋁合金，密度2.7 kg/m3，經(jīng)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(tài)分析。

模態(tài)分析的目的在于確定結(jié)構(gòu)的振動特性。在對前面靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析的傳動軸的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行模態(tài)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(yīng)的振型。一般情況下不必求出全部固有頻率和振型，而應(yīng)著重考慮輸送機(jī)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(jī)步進(jìn)電機(jī)的振動影響大。故該文關(guān)心的是低階模態(tài)。提取前6階振型結(jié)果如表1所示。同時在ANSYS Workbench中，由于得出的振幅是經(jīng)過處理的相對值，因此并不能真實(shí)反映實(shí)際振幅。

①傳動軸的最小頻率933.69 Hz。經(jīng)查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)四相感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在180～250 Hz（步距角1.80°），而且步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，則共振區(qū)向上偏移。因此為了保證同步傳輸帶傳送準(zhǔn)確可靠，必須保證步進(jìn)電機(jī)的工作頻率在300～900 Hz，從而避免傳動軸和步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生共振[4]。

②模態(tài)振型分析。經(jīng)分析前兩階的模態(tài)振型圖（圖5，圖6）。可以看出傳動軸中部產(chǎn)生較大的共振幅度。因此中部是輸送機(jī)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(cè)，以減小傳動軸在傳動過程中的變形。

在有限元分析的基礎(chǔ)上，該文選用型號為35BYJ412的四相步進(jìn)電機(jī)，避免傳動軸的共振。而傳動帶輪安裝在了傳動軸的兩側(cè)，減小了傳動軸在傳動過程中的變形，實(shí)現(xiàn)了傳動軸的優(yōu)化設(shè)計。

參考文獻(xiàn)

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