基于有限元的三維激光切割機Z 軸部件分析與優化

涂芬芬，王金榮，陳揚東，馬正平，冷志斌

（1.江蘇亞威機床股份有限公司，江蘇 揚州 225200；2.江蘇省金屬板材智能裝備重點實驗室，江蘇 揚州 225200）

1 引言

激光切割機是一種新型的板材加工設備，與其他切割機械相比，具有切割速度快、精度高、噪聲小、無污染、加工適應性強等優點。目前激光切割機已廣泛應用于車輛制造、航空航天、化工、電子等工業部門[1-3]。

Z 軸部件（如圖1 所示）作為整個激光切割機的重要部件之一，在工作時，橫梁Z 軸部件在進給加速度作用下，容易產生變形以及振動，對切割精度與切割效率會產生很大影響。因此，對Z 軸部件的分析與優化，對提高激光切割機靜、動態性能，提升激光切割機的加工精度與效率，減輕激光切割機的質量，降低機床的制造成本，具有重要意義。

本文通過三維繪圖軟件Creo 以及有限元軟件Creo Simulation 對激光切割機Z 軸部件進行靜態結構以及模態分析，在對橫梁變形、固有頻率與振型分析的基礎上，應用選型優化思想對激光切割機的Z軸部件結構進行了優化設計。研究Z 軸部件各個變量參數對橫梁動態性能和固有頻率的影響及規律，所得規律可直接用于結構設計中，達到改進橫梁動態特性的目的。

2 Z 軸部件有限元分析

2.1 有限元模型的建立

建立激光切割機的有限元模型，是有限元仿真的第一步也是保證仿真準確性的基礎，有限元模型建立的具體步驟如下[4-5]：

（1）模型簡化

模型中不屬于關鍵結構的簡化與改動不影響最終分析計算的結果，因此運用Creo PTC 三維建模軟件，在盡量保證與真實結果相近的前提下，對于激光切割機橫梁結構的簡化處理采用了如下的幾點方法[6]：

去除橫梁系統上的部分功能構件如凹凸臺，以及一些小的尺寸零件如螺栓、墊片等，將對于橫梁結構剛度影響不大的工藝孔、螺栓孔等進行刪減。

將遠離關鍵部分的圓角簡化成直角并忽略工藝上需要的倒角，提高網格劃分質量，避免造成網格劃分奇異，提高仿真求解過程的效率以及保證仿真結果與實際情況的一致。

在保證建模準確性的基礎上，對模型進行適當的簡化處理，不僅可以滿足實際問題中的需要，還能減少在不必要結構上的網格數量，使求解效率得到提升，減少工作量，提高求解問題的準確度[7-9]。模型簡化完成后，將其導入有限元軟件Creo Simulation中。

（2）材料定義

Z 軸部件采用材料有兩種，Z 軸連接板為6005A，其余部件為Q235A 碳鋼，材料參數如表1 所示。

（3）網格劃分

本文采用四面體網格（Tetrabedrons）進行網格劃分，四面體網格可以施加于任何幾何體，并且劃分速度快，并且在關鍵區域容易使用曲度和近似尺寸功能自動劃分網格，并使用膨脹細化實體邊界附近的網格，實現邊界層識別，有助于模型細化。

（4）載荷施加及邊界條件確定

對對模型施加X 軸、Y 軸方向的慣性負載，大小為1g，接觸面具體設置如下所示：

如圖2 和圖3 所示，將導軌模型與減速機接觸面簡化為彈簧單元接觸，并且設置剛度，具體剛度參數如表2 所示。

圖2 導軌接觸設置示意圖

圖3 減速機接觸設置示意圖

表2 剛度參數設置

2.2 靜態分析結果

激光切割機在工作過程中，由切割機加速度所產生的慣性載荷是對切割機剛度影響的重要因素，剛度不足會造成結構產生變形，影響切割機的切割精度以及使用壽命。

本文通過靜態結構分析對慣性載荷對Z 軸部件的影響進行分析，為后期優化提供指導。

如圖4 和表3 所示，Z 軸部件X 向位移比Y 向小，表明Z 軸部件Y 方向的剛度比X 方向略差；Z 軸部件激光頭X、Y 位移比Z 軸立柱中上部的位移大的多，表明激光頭的位移主要是有Z 軸立柱自身的彎曲變形造成，即Z 軸立柱為薄弱環節。

圖4 Z 軸部件位移云圖

表3 Z 軸部件變形

2.3 模態分析結果

一般情況下，300Hz 以下的頻率對激光切割機的動態性能影響較大，50Hz 以下的頻率對激光切割機的動態性能具有非常大的負面影響，極低的固有頻率極有可能造成在工作過程中被激發出其對應振型，使得切割過程中產生振動，影響切割精度。因此本文對Z 軸部件進行模態分析，分析三維激光切割機結構的固有頻率和振型，評估結構的動態性能；確定三維激光切割機結構的薄弱環節，為結構優化提供參考。

從表4 發現，Z 軸部件一階固有頻率為51.8Hz，接近極限使用頻率，并且Z 軸部件的低階模態振型（1、2 階）主要為Z 軸立柱的彎曲擺動，從固有頻率大小也可看出Z 軸立柱部件是薄弱環節，其X 軸方向的剛度比Y 軸方向要高；高階模態振型主要為傳動部位的振動，具體振型圖如圖5 所示。

表4 Z 軸部件前六階頻率

圖5 Z 軸部件振型云圖

3 優化結構方案

3.1 優化方案比對

從表5 綜合來看，Z 軸立柱有較大優化空間，主要的優化變量為內、外筋板及其橫截面等，優化的位置主要在立柱中上部。

表5 優化方案分析

3.2 最終優化

通過以上分析，結合加工工藝，形成最終優化方案,具體分析結果如圖6 所示。

圖6 Y、X 軸方向1g 慣性負載對應方向位移

通過表6 和表7 對比分析，優化后Z 軸部件重量幾乎不變，但其靜剛度得到了大幅提升，固有頻率也有大幅提高，Z 軸部件的靜動態性能得到明顯改善。

表6 優化前后激光頭位移比對

表7 優化前后模態頻率比對

4 結論

本文通過三維繪圖軟件Creo 建立三維激光切割機Z 軸部件模型后，通過有限元軟件Creo simulation對Z 軸部件模型進行靜動剛度以及模態分析。在此基礎上進行Z 軸部件優化，根據多因素交叉分析，在Z 軸部件整體質量沒有較大變化的前提下，Z 軸部件整體剛度提高28%，模態固有頻率整體提高20%，優化效果明顯，為Z 軸部件的設計提供依據，具有較大指導意義。