多功能激光切割焊接機的設計與研究

蔡知旺，文懷興，雷奇紅，胡傳波

（陜西科技大學機電學院，陜西 西安 710021）

多功能激光切割焊接機的設計與研究

蔡知旺，文懷興，雷奇紅，胡傳波

（陜西科技大學機電學院，陜西 西安 710021）

激光切割焊接機機械部分的設計是影響激光加工效率和質量的重要因素。本文設計了一種直線電機驅動的高速、高精度多功能激光切割焊接機，利用有限元分析軟件ANSYS研究了多功能激光切割焊接機橫梁的靜、動態特性。其方法和結論對激光切割焊接機產品的研發有一定的指導意義和參考價值。

激光切割機；直線電機；焊接；高速；高精；有限元分析

激光加工技術作為一種熱加工技術，以其加工速度快、加工質量好、熱影響區小和工作環境好等優點得到工業界的青睞。現有的激光切割機和焊接機是獨立的設備，限制了激光切割機和激光焊接機的使用范圍。而且由于激光加工的功能單一，導致激光切割和激光焊接需分別配置激光器，激光器一次性投資較大。另外，近幾年來，激光切割焊接技術不斷向汽車、航空航天、鈑金、模具等精密加工領域擴展，激光切割焊接機逐步向高精度、高速度、智能化趨勢發展。目前，關于激光切割焊接機的研究大多局限于控制系統，而對其機械結構部分仍然基于傳統結構設計，而且在國內由于技術儲備和認識不足，近幾年研發的激光切割焊接機大都采用傳統的滾珠絲杠加伺服電機的傳動方式，速度一般不超過100m/min，加速度不超過1.2g，定位精度不超過0.05mm，對切割焊接的效率和精度的提升效果不明顯。

本文采用直線電機驅動，直線電機是直接驅動從動負載，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。與傳統的滾珠絲杠加伺服電機傳動方式相比，具有以下優點：①速度范圍寬，可從1m/min到360m/min；速度特性好，速度偏差可達0.01%以下；②采用高分辨率光柵尺，定位精度可達0.1μm，定位精度高；③加速度大，可達 30g；④行程可以無限加長，可根據實際需求選擇定子的數量。⑤結構簡單，噪聲小，有散熱通道，沒有反向間隙，運行平穩。目前國外高端激光切割焊接機基本上都采用直線電機直接驅動的方式，定位速度達6m/s，加速度達5g，定位精度達0.01mm，激光加工效率和精度均處于領先水平。

1 整體結構設計

圖1 激光切割焊接機整體結構設計

多功能激光切割焊接機整體結構設計如圖1所示。整體設計采用橫梁移動式龍門雙邊同步驅動結構。橫梁移動式相比于龍門移動式、工作臺移動式具有很多優勢，如：更高的移動速度和加速度、更好的伺服運動性能、更快的響應速度等。龍門雙邊驅動與單邊驅動機構、懸臂結構相比具有剛度高、響應速度快等顯著優點，目前高精、高速激光切割焊接機都是采用這種結構形式。X、Y、Z軸均采用直線電機驅動。X、Y、Z軸設置有定位銷、基準面，保證零件之間相對的平行度和垂直度。特別是在安裝導軌時，可以用基準面、導軌調整塊、G型夾等保證精度。X、Y、Z軸的最高定位速度可達到240m/min，單軸最高加速度可達2g，如圖2所示。X軸對稱的水平安裝在大理石底座的兩端，采用光柵尺實時將運動位置反饋給控制系統，形成閉環控制，定位精度達0.02mm，重復定位精度達到0.01mm。在X、Y軸行程的極限位置分別設有PU材料的防撞裝置，防止操作者使用不當、突然斷電或者機器故障使運動部件失控，防止意外發生，保護人員安全。

圖2 直線電機速度和位置誤差監測界面

機身由大理石結構組成，剛性、防震性、高速穩定性好、平面度高、噪聲小。機架采用一定規格的方通焊接結構，先退火后進行機械加工，然后進行振動時效處理，完全清除焊接和機加工殘余內應力，保證高精度、長期穩定性。

2 橫梁設計與仿真

2.1 橫梁設計

橫梁是多功能激光切割焊接機關鍵部件，其靜、動態特性直接關系到整個設備的性能。與傳統的通過增加材料厚度和重量來提升剛度的設計方法不同，激光切割焊接機的橫梁在保證有良好的靜、動態剛度的同時，還要將厚度和重量控制在合理的范圍內。該橫梁采用鋁合金鑄造式結構，中間采用O形板筋結構設計，具有剛度高、抗振性好、重量輕、成本低等優點。

2.2 橫梁仿真

本節采用有限元法對橫梁的靜、動態力學特性進行計算和分析，包括重力作用下的變形分析、X向沖擊載荷作用下的變形分析、Y軸電機磁吸力作用下的變形分析。根據圣維南原理，在不影響計算精度的前提下，對結構做適當簡化。

利用三維建模軟件Solidworks建立多功能激光切割焊接機的橫梁幾何模型，如圖3所示。把Solidworks軟件中完成的多功能激光切割焊接機橫梁實體模型導入ANSYS Workench軟件中進行有限元模型的建立。然后進行橫梁材料參數的設定。利用 ANSYS Workench軟件自動網格劃分功能進行模型網格劃分。根據結構工作狀態，在約束邊界條件下研究龍門式機床橫梁的結構動態特性。根據機床的結構，橫梁是兩端局部固定約束，所以在固定約束的地方需要先做表面印記，因為是從外部導入的模型，所以在做表面印記之前必須要對模型進行解凍，做完表面印記之后，對橫梁進行固定約束。然后根據橫梁的實際受力情況，施加載荷。最后對橫梁進行計算和分析。

圖3 橫梁3D結構

圖4 橫梁靜態變形云圖

如圖4所示，橫梁在自身重力和負載重力作用下，最大變形量為0.005mm，變形量小，能夠滿足靜態剛度要求。通常，直線電機的電磁吸力約為電機峰值推力的 3～5倍，橫梁在電磁吸力的作用下，容易引起橫梁的彈性變形，導致動子和定子間機械氣隙的變化，對設備運行的穩定性影響會很大。本文中Y軸直線電機峰值推力1500N。Y軸電機磁吸力引起的橫梁彈性變形如圖5所示，橫梁的最大變形量（頂部）為0.025mm，最大變形量為紅色區域范圍比較小，且變形量不大，能夠滿足剛度要求，靜態特性較好。橫梁在X向2g加速度沖擊載荷作用下的變形如圖6所示，最大變形量（頂部）為0.026mm，最大變形量為紅色區域范圍比較小，且變形量在允許范圍之內，產生的變形量可以通過編程進行補償，以達到設計要求。

圖5 Y軸電機磁吸力引起的橫梁的變形

圖6 X向2g沖擊載荷作用下橫梁的變形云圖

3 結語

（1）設計了一種直線電機直接驅動的高速度、高精度的多功能激光切割焊接機。

（2）采用有限元法研究了橫梁的靜、動態特性。根據仿真結果分析得出，橫梁的靜、動態剛度特性較好，說明了橫梁結構的合理性。其研究方法和結論對激光切割焊接機的產品的研發具有指導意義。

（3）多功能激光切割焊接機采用一種全新的驅動方式——直線電機驅動，由于省略了中間傳動環節，其動態性能明顯提升，最高定位速度達到240m/min，單軸最高加速度達到2g；采用光柵尺進行實時位置反饋，形成閉環控制，其定位精度可達0.02mm，重復定位精度可達0.01mm；切割焊接效率和質量較傳統的滾珠絲杠加伺服電機有了明顯提升。

（4）該機型配有多功能激光加工頭，對同一種金屬板材，不改變工藝頭，以任意順序實現三維切割和焊接任務，可以實現一機多用，降低了生產成本。

[1]葉云岳.現代先進驅動技術及其應用[J].機電工程，2004，21（l）：l-4.

[2]羅傳林，李鍛能.龍門式機床橫梁的結構設計研究[J].機電工程技術，2006，（3）：45-47.

[3]李紀明，許敬成.S195柴油機機體三面精鏜孔組合機床[J].組合機床與自動化加工技術，1998，（11）：6-11，28.

[4]王艷青，仲高艷，常永標.大型五軸聯動加工中心橫梁結構設計[J].機床與液壓，2012，（13）：114-117.

[5]李美頤.齒輪泵側板卸荷孔加工組合機床設計 [J].煤礦機械，2009，30（7）.

[6]Marco Fischera.Hendrik Jahna.Optimizing the seleetion of partners in production networks [J].Robotics and Computer-Itegrated Manufacturing.2004，（20）：593-601.

[7]陳樹明.新型雙工作臺雙邊驅動數控精密激光切割機[J].機械工人，2002，（10）：24-25.

[8]葉建斌，戴春詳.激光切割技術[M].上海：上海科學技術出版社，2012：20-23.

[9]王家淳.激光焊接技術的發展與展望[J].激光技術，2001，（1）：48-54.

[10]周 樂，袁軍堂，汪振華.龍門式機床橫梁筋板結構分析與優化[J].機械設計與制造，2014，（1）：15-17.

Design and research of multifunctional laser cutting and welding machine

CAI Zhiwang，WEN Huaixing，LEI Qihong，HU Chuanbo
（Department of Mechanical,Shaanxi University of Science and Technology,Xi'an 710021,Shaanxi China）

A high speed and precision multifunctional laser cutting and welding machine driven by linear motor has been designed in the text.The finite element analysis software ANSYS has been adopted to study the static and dynamic characteristics of beam for the multifunctional laser cutting and welding machine.The method and conclusion provide certain guiding significance and reference to the research and development of laser cutting and welding machine.

Linear motor drive;High speed;High precision;Multifunctional laser cutting and welding machine;Finite element analysis

TG485

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.005

1672-0121（2017）04-0019-03

2017-01-20；

2017-03-26

陜西科技大學科研啟動基金項目（BJ10-07）

蔡知旺（1992-），男，碩士在讀；文懷興（1957-），男，教授，博導，主要從事數字化產品設計與制造、機電一體化設備與控制、數控技術、成形工藝等研究。E-mail：448786447@qq.com