基于雙工位旋轉(zhuǎn)式激光切割裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化分析

高志遠(yuǎn) 胡羽沫 楊晶晶

關(guān)鍵詞：雙工位旋轉(zhuǎn)式;激光切割裝置;結(jié)構(gòu)設(shè)計;優(yōu)化分析

0引言

隨著我國改革開放和城市建設(shè)的不斷推進，人們的生活已經(jīng)離不開對汽車的需求，雖然已有汽車數(shù)量還在不斷增加，但是人們對于汽車的性價比往往成為選擇的最終標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)許多汽車生產(chǎn)公司為了進一步占據(jù)更大的市場份額，滿足消費者的要求，在生產(chǎn)每一個零部件上不斷地對工藝生產(chǎn)流程和零件成本進行改良和優(yōu)化，以此來提高生產(chǎn)汽車的效率，降低汽車整車的成本。

在過去，對于每一個汽車零件的生產(chǎn)往往是依靠模具的沖壓而得到符合要求的零件，由于在沖壓過程中，對模具的磨損較大，存在零件的邊緣精度較低、加工成本較高等一系列的不足和缺陷。為了解決這一難題，汽車零件的制造加工可以利用激光技術(shù)對其進行切割，完成零件的造型，從而達到減少模具的磨損，提高制造精度的目的。

為了滿足激光切割的高效率和低成本的需求，本文設(shè)計了一種雙工位旋轉(zhuǎn)式激光切割裝置的控制運動系統(tǒng)，旨在滿足激光切割的速度，節(jié)約了上、下料的時間，提高了汽車零件的生產(chǎn)效率，大幅度縮短了新車的研制時問和汽車的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，使汽車零件的生產(chǎn)趨于全自動化，降低了整車的生產(chǎn)成本。

1切割裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動分析

1.1切割裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用SolidWorks三維軟件對雙工位旋轉(zhuǎn)式激光切割裝置進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，該裝置主要由支架組件、基座組件、標(biāo)準(zhǔn)工裝組件和上位機構(gòu)成。其中，支架組件包括定位銷、支架和工具箱，其支架的旋轉(zhuǎn)運動主要通過與電機的法蘭盤連接來驅(qū)動的。標(biāo)準(zhǔn)工裝根據(jù)待切割件的不同，對其進行更換，其支架組件的具體尺寸為2500mmx1500mmx500mm，支架的重心偏低，提高了該裝置的整體穩(wěn)定性，兩端對稱放置標(biāo)準(zhǔn)工裝，最大限度保證了整體的穩(wěn)定性和安全性。該裝置的三維模型如圖1所示。

1.2切割裝置的運動分析

切割整機設(shè)備都是由上位機直接控制的，雙工位旋轉(zhuǎn)式工作臺也不例外，通過上位機分別與伺服電機、傳感器和報警器相連接，構(gòu)成一個旋轉(zhuǎn)、交換的驅(qū)動控制平臺。其中，伺服電機驅(qū)動支架組件按預(yù)定軌跡做旋轉(zhuǎn)運動;上位機與光電傳感器、限位傳感器和報警器等電子元器件連接，判斷切割平臺是否停止在指定的安全區(qū)，并利用亮燈顏色及聲音對操作人員進行提醒，當(dāng)切割裝置沒有停放到指定位置時，紅燈會亮起以示警報并且會語音提醒用戶;當(dāng)裝置異常斷電時，程序控制使主控板具有斷電記憶功能，依然會保留斷電之前的數(shù)據(jù)，在裝置重新啟動后不影響正常的使用。

鑒于雙工位旋轉(zhuǎn)式激光切割裝置與激光切割設(shè)備需要符合連續(xù)、穩(wěn)定、快速的生產(chǎn)要求，如若遇到故障，則先判斷此故障是否可以繼續(xù)，如果能繼續(xù)，則讓系統(tǒng)處于暫?；蛘叩却隣顟B(tài)，待清理后，繼續(xù)讓其運行，直至結(jié)束。如果此故障導(dǎo)致系統(tǒng)不能繼續(xù)，則需上位機的控制中心對故障進行排除和清零，使系統(tǒng)初始化后繼續(xù)運行，直至需要運行結(jié)束。

2支架組件的有限元仿真與優(yōu)化分析

不管是任何簡單或復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，對其進行有限元分析都是從三維建模開始的，依據(jù)模型的特點對其進行靜態(tài)和動態(tài)的仿真分析，從而得到準(zhǔn)確地判斷機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計是否處于安全、穩(wěn)定的環(huán)境中。

由于支架是承載雙工位旋轉(zhuǎn)式激光切割裝置的主要結(jié)構(gòu)部件，決定著該裝置穩(wěn)定運行和使用壽命，因此，有必要對支架的承載力進行仿真分析。本文利用SolidWorks三維軟件建立支架的三維模型，再導(dǎo)入到SolidWorks Simulation有限元分析軟件中，對支架進行有限元的仿真分析研究。

有限元仿真分析過程分為定義材質(zhì)、約束和載荷施加、網(wǎng)格劃分和有限元分析等4個步驟。其中，定義材質(zhì)：支架材料選為普通碳鋼板（Q235），泊松比為0.3，密度為7.85×103kg/m，切變模量G=80GPa，彈性模量E一般取210GPa;約束和載荷施加：對支架的底部施加固定約束使之固定不動，并在旋轉(zhuǎn)支架的8個安裝面分別施加1500N，方向垂直地面向下;網(wǎng)格劃分：為了減少有限元分析的運算量，對網(wǎng)格進行一定程度的簡化，其網(wǎng)格劃分如圖2所示。

最后，為了提高切割裝置的穩(wěn)定性與安全性，對旋轉(zhuǎn)支架進行有限元的仿真與優(yōu)化分析，得到旋轉(zhuǎn)支架優(yōu)化前后的應(yīng)力、位移和應(yīng)變分布云圖，如圖3所示。

將有限元的仿真結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，得到旋轉(zhuǎn)支架優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)參數(shù)如表1所示。

通過圖3和表1可以看出，雙工位旋轉(zhuǎn)式激光切割裝置中支架在載荷作用下運行，支架組件沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，支架組件上最大的應(yīng)力為1.52×10Pa，發(fā)生在支架的拐角處;優(yōu)化之后的最大應(yīng)力為1.39×10Pa，優(yōu)化前后的最大應(yīng)力均小于普通碳鋼材料的屈服極限250MPa，因而滿足強度要求，故而符合應(yīng)力的設(shè)計要求。支架的最大位移發(fā)生在支架組件遠(yuǎn)端的邊緣區(qū)域，面積相對較小，最遠(yuǎn)端處的最大位移為0.15mm;優(yōu)化之后的最大位移為0.1mm，優(yōu)化前后的最大位移均小于設(shè)計要求的0.2mm，由于其不是關(guān)鍵部位，對移動平臺的正常作業(yè)不構(gòu)成影響，故而符合設(shè)計要求。

綜上所述，旋轉(zhuǎn)支架的設(shè)計能夠滿足實際的需求，并通過實驗數(shù)據(jù)對比分析，旋轉(zhuǎn)支架經(jīng)過優(yōu)化之后的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定和安全，也驗證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的正確性與可行性。

3結(jié)束語

為了提高激光切割機的效率，降低汽車覆蓋件的制造成本，本文設(shè)計了一套雙工位旋轉(zhuǎn)式激光切割裝置。通過對運動過程和結(jié)構(gòu)的分析，有必要對其進行有限元的分析和優(yōu)化。在建立切割三維模型的基礎(chǔ)上，利用有限元仿真的方法，對其結(jié)構(gòu)進行靜態(tài)的有限元仿真與優(yōu)化分析，得到了優(yōu)化前后旋轉(zhuǎn)支架的應(yīng)力、位移和應(yīng)變的分布云圖，且最大當(dāng)量應(yīng)力值均小于Q235材料的屈服極限，最大變形值也小于設(shè)計的許用值，因此該切割裝置符合設(shè)計的要求，具有安全可靠、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢，有效地滿足了激光切割的實際使用需求，完全可以用于激光設(shè)備的全自動切割。