多功能激光切割焊接機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

蔡知旺，文懷興，雷奇紅，胡傳波

（陜西科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西 西安 710021）

多功能激光切割焊接機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

蔡知旺，文懷興，雷奇紅，胡傳波

（陜西科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西 西安 710021）

激光切割焊接機(jī)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)是影響激光加工效率和質(zhì)量的重要因素。本文設(shè)計(jì)了一種直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速、高精度多功能激光切割焊接機(jī)，利用有限元分析軟件ANSYS研究了多功能激光切割焊接機(jī)橫梁的靜、動(dòng)態(tài)特性。其方法和結(jié)論對(duì)激光切割焊接機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

激光切割機(jī)；直線電機(jī)；焊接；高速；高精；有限元分析

激光加工技術(shù)作為一種熱加工技術(shù)，以其加工速度快、加工質(zhì)量好、熱影響區(qū)小和工作環(huán)境好等優(yōu)點(diǎn)得到工業(yè)界的青睞?，F(xiàn)有的激光切割機(jī)和焊接機(jī)是獨(dú)立的設(shè)備，限制了激光切割機(jī)和激光焊接機(jī)的使用范圍。而且由于激光加工的功能單一，導(dǎo)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(shù)不斷向汽車、航空航天、鈑金、模具等精密加工領(lǐng)域擴(kuò)展，激光切割焊接機(jī)逐步向高精度、高速度、智能化趨勢(shì)發(fā)展。目前，關(guān)于激光切割焊接機(jī)的研究大多局限于控制系統(tǒng)，而對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)部分仍然基于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且在國內(nèi)由于技術(shù)儲(chǔ)備和認(rèn)識(shí)不足，近幾年研發(fā)的激光切割焊接機(jī)大都采用傳統(tǒng)的滾珠絲杠加伺服電機(jī)的傳動(dòng)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(duì)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(jī)驅(qū)動(dòng)，直線電機(jī)是直接驅(qū)動(dòng)從動(dòng)負(fù)載，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。與傳統(tǒng)的滾珠絲杠加伺服電機(jī)傳動(dòng)方式相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①速度范圍寬，可從1m/min到360m/min；速度特性好，速度偏差可達(dá)0.01%以下；②采用高分辨率光柵尺，定位精度可達(dá)0.1μm，定位精度高；③加速度大，可達(dá) 30g；④行程可以無限加長(zhǎng)，可根據(jù)實(shí)際需求選擇定子的數(shù)量。⑤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，噪聲小，有散熱通道，沒有反向間隙，運(yùn)行平穩(wěn)。目前國外高端激光切割焊接機(jī)基本上都采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式，定位速度達(dá)6m/s，加速度達(dá)5g，定位精度達(dá)0.01mm，激光加工效率和精度均處于領(lǐng)先水平。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 激光切割焊接機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多功能激光切割焊接機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。整體設(shè)計(jì)采用橫梁移動(dòng)式龍門雙邊同步驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。橫梁移動(dòng)式相比于龍門移動(dòng)式、工作臺(tái)移動(dòng)式具有很多優(yōu)勢(shì)，如：更高的移動(dòng)速度和加速度、更好的伺服運(yùn)動(dòng)性能、更快的響應(yīng)速度等。龍門雙邊驅(qū)動(dòng)與單邊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、懸臂結(jié)構(gòu)相比具有剛度高、響應(yīng)速度快等顯著優(yōu)點(diǎn)，目前高精、高速激光切割焊接機(jī)都是采用這種結(jié)構(gòu)形式。X、Y、Z軸均采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。X、Y、Z軸設(shè)置有定位銷、基準(zhǔn)面，保證零件之間相對(duì)的平行度和垂直度。特別是在安裝導(dǎo)軌時(shí)，可以用基準(zhǔn)面、導(dǎo)軌調(diào)整塊、G型夾等保證精度。X、Y、Z軸的最高定位速度可達(dá)到240m/min，單軸最高加速度可達(dá)2g，如圖2所示。X軸對(duì)稱的水平安裝在大理石底座的兩端，采用光柵尺實(shí)時(shí)將運(yùn)動(dòng)位置反饋給控制系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制，定位精度達(dá)0.02mm，重復(fù)定位精度達(dá)到0.01mm。在X、Y軸行程的極限位置分別設(shè)有PU材料的防撞裝置，防止操作者使用不當(dāng)、突然斷電或者機(jī)器故障使運(yùn)動(dòng)部件失控，防止意外發(fā)生，保護(hù)人員安全。

圖2 直線電機(jī)速度和位置誤差監(jiān)測(cè)界面

機(jī)身由大理石結(jié)構(gòu)組成，剛性、防震性、高速穩(wěn)定性好、平面度高、噪聲小。機(jī)架采用一定規(guī)格的方通焊接結(jié)構(gòu)，先退火后進(jìn)行機(jī)械加工，然后進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，完全清除焊接和機(jī)加工殘余內(nèi)應(yīng)力，保證高精度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

2 橫梁設(shè)計(jì)與仿真

2.1 橫梁設(shè)計(jì)

橫梁是多功能激光切割焊接機(jī)關(guān)鍵部件，其靜、動(dòng)態(tài)特性直接關(guān)系到整個(gè)設(shè)備的性能。與傳統(tǒng)的通過增加材料厚度和重量來提升剛度的設(shè)計(jì)方法不同，激光切割焊接機(jī)的橫梁在保證有良好的靜、動(dòng)態(tài)剛度的同時(shí)，還要將厚度和重量控制在合理的范圍內(nèi)。該橫梁采用鋁合金鑄造式結(jié)構(gòu)，中間采用O形板筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有剛度高、抗振性好、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 橫梁仿真

本節(jié)采用有限元法對(duì)橫梁的靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行計(jì)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(jī)磁吸力作用下的變形分析。根據(jù)圣維南原理，在不影響計(jì)算精度的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)做適當(dāng)簡(jiǎn)化。

利用三維建模軟件Solidworks建立多功能激光切割焊接機(jī)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(jī)橫梁實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS Workench軟件中進(jìn)行有限元模型的建立。然后進(jìn)行橫梁材料參數(shù)的設(shè)定。利用 ANSYS Workench軟件自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分。根據(jù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)，在約束邊界條件下研究龍門式機(jī)床橫梁的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)，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?yàn)槭菑耐獠繉?dǎo)入的模型，所以在做表面印記之前必須要對(duì)模型進(jìn)行解凍，做完表面印記之后，對(duì)橫梁進(jìn)行固定約束。然后根據(jù)橫梁的實(shí)際受力情況，施加載荷。最后對(duì)橫梁進(jìn)行計(jì)算和分析。

圖3 橫梁3D結(jié)構(gòu)

圖4 橫梁靜態(tài)變形云圖

如圖4所示，橫梁在自身重力和負(fù)載重力作用下，最大變形量為0.005mm，變形量小，能夠滿足靜態(tài)剛度要求。通常，直線電機(jī)的電磁吸力約為電機(jī)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(dǎo)致動(dòng)子和定子間機(jī)械氣隙的變化，對(duì)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性影響會(huì)很大。本文中Y軸直線電機(jī)峰值推力1500N。Y軸電機(jī)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(qū)域范圍比較小，且變形量不大，能夠滿足剛度要求，靜態(tài)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(qū)域范圍比較小，且變形量在允許范圍之內(nèi)，產(chǎn)生的變形量可以通過編程進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖5 Y軸電機(jī)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(jié)語

（1）設(shè)計(jì)了一種直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的高速度、高精度的多功能激光切割焊接機(jī)。

（2）采用有限元法研究了橫梁的靜、動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)仿真結(jié)果分析得出，橫梁的靜、動(dòng)態(tài)剛度特性較好，說明了橫梁結(jié)構(gòu)的合理性。其研究方法和結(jié)論對(duì)激光切割焊接機(jī)的產(chǎn)品的研發(fā)具有指導(dǎo)意義。

（3）多功能激光切割焊接機(jī)采用一種全新的驅(qū)動(dòng)方式——直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于省略了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，其動(dòng)態(tài)性能明顯提升，最高定位速度達(dá)到240m/min，單軸最高加速度達(dá)到2g；采用光柵尺進(jìn)行實(shí)時(shí)位置反饋，形成閉環(huán)控制，其定位精度可達(dá)0.02mm，重復(fù)定位精度可達(dá)0.01mm；切割焊接效率和質(zhì)量較傳統(tǒng)的滾珠絲杠加伺服電機(jī)有了明顯提升。

（4）該機(jī)型配有多功能激光加工頭，對(duì)同一種金屬板材，不改變工藝頭，以任意順序?qū)崿F(xiàn)三維切割和焊接任務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，降低了生產(chǎn)成本。

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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(xué)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（BJ10-07）

蔡知旺（1992-），男，碩士在讀；文懷興（1957-），男，教授，博導(dǎo)，主要從事數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造、機(jī)電一體化設(shè)備與控制、數(shù)控技術(shù)、成形工藝等研究。E-mail：448786447@qq.com