CNC lasersnijmachine: Berekening en modale analyse van vervorming van de Y-as bundel | MachineMFG (2024)

CNC lasersnijmachine is een machine die laser gebruikt als snijgereedschap om werkstukken te bewerken. De belangrijkste hardware bestaat uit een machinebed, dwarsbalk, werktafel, laser, snijkop, stabilisator, koeler, elektrische schakelkast, gasbron (zuurstof, stikstof, lucht), enz.

Het systeem omvat het elektrische systeem, het mechanische systeem, het luchtgeleidingssysteem, het optische systeem, het hydraulische systeem, het smeersysteem, het koelsysteem, enz.

In dit artikel werden statische en modale eindige elementenanalyses uitgevoerd op een belangrijk onderdeel van een CNC-lasersnijmachine - de Y-asbalk.

De driedimensionale eindige-elementenmethode werd gebruikt om de vervorming van de Y-asbalk onder verschillende typische werkomstandigheden te analyseren, de vervormingswet te extraheren, een driedimensionaal model op te stellen op basis van SolidWorks-software en de eindige-elementenanalyse van de balk uit te voeren met behulp van de simulatiemodule.

Op basis hiervan werd een modale analyse uitgevoerd op de Y-asbalk om de natuurlijke frequenties van de eerste vijf ordes en de bijbehorende trillingsmodes op te lossen, de haalbaarheid van de ontwerpstructuur te verifiëren en een theoretische basis te bieden voor de groottestructuur en het optimalisatieontwerp van mechanische apparatuur.

CNC lasersnijmachine is een ideale uitrusting voor plaatmetaal verwerking, op grote schaal gebruikt in industrieën zoals schakelkasten, computers, textielmachines, instrumenten en meters, auto's, liften en graanmachines, zowel nationaal als internationaal.

Laser behoort tot niet-die verwerking, met een sterke flexibiliteit van de verwerking, die de ontwikkelingscyclus van nieuwe producten kan verkorten in de plaatwerkindustrieproductnauwkeurigheid en uitwisselbaarheid te verbeteren en is bijzonder geschikt voor de verwerking van kleine batches met meerdere variëteiten.

De vervorming en trilling van de Y-as straal in het echte werk heeft een directe invloed op de verwerkingsnauwkeurigheid van de lasersnijkop.

Om de uitvoerbaarheid en verwerkingsnauwkeurigheid van de apparatuur te garanderen, wordt de werkelijke structuur opgedeeld in elementrasters met behulp van de eindige-elementenmethode. Elk element heeft een eenvoudige vorm en is verbonden door middel van knooppunten.

De onbekende grootheid op elk element is de verplaatsing van het knooppunt. De stijfheidsmatrix van elk individueel element wordt gecombineerd tot de algemene stijfheidsmatrix van het hele model. De spanning van elk element wordt berekend door de verandering van de verplaatsing op het knooppunt.

Werkingsprincipe en straalstructuur van CNC lasersnijmachine

De lasersnijden industrie heeft sinds haar oprichting in 1960 meer dan 60 jaar ontwikkeling doorgemaakt. De industrie heeft verschillende grote veranderingen ondergaan, van YAG (kristallaser) naar CO2 (kooldioxidelaser) en nu naar fiberlaser.

Het werkingsprincipe van een lasersnijmachine is dat de laserstraal die door de laser wordt gegenereerd door de lens naar een klein punt in het brandpunt wordt gericht. De spot verhit het materiaal en de laserstraal beweegt langs het materiaal om het snijproces te voltooien.

CNC lasersnijmachines maken gebruik van een portaalstructuur. Het schuivende zadel beweegt langs de X-richting geleiderail op het bed, terwijl de dwarsbalk is uitgerust met een horizontale lineaire geleiderail (Y-richting).

De Z-as component is verbonden met de Y-richting geleiderail via een schuif en de lasersnijkop is geïnstalleerd op de Z-as glijplaat. Het bed is bevestigd op de fundering en kan worden gezien als een stijf lichaam.

Door de grote lengte-diameterverhouding en flexibiliteit van de dwarsbalk met Y-as is deze gevoelig voor vervorming en daarom een van de belangrijkste onderdelen die invloed hebben op de nauwkeurigheid van lasersnijden machines.

De Y-as structuur wordt getoond in Figuur 1, waar de dwarsbalk een ondersteunende functie heeft, waardoor het materiaal een goede stijfheid en taaiheid moet hebben, zoals getoond in Tabel 1.

Opstellen van een eindige elementen rekenmodel voor de Y-as dwarsbalk

Voordat het model wordt geanalyseerd, wordt de Y-as dwarsbalk vereenvoudigd op basis van de kenmerken van de hoofdconstructie en de werklast van de lasersnijmachine. Na vereenvoudiging wordt een eindig-elementenanalyse vereenvoudigd massief model van de Y-as dwarsbalk opgesteld, zoals getoond in figuur 2.

(1) De algehele structuur van de CNC lasersnijmachine is symmetrisch en de ondersteunende krachten zijn in principe in balans. De Y-as dwarsbalk bestaat uit 2 delen.5mm dik stalen plaat gebogen met een 20 mm dikke montageplaat van de geleiderail en wordt onderworpen aan gloeien en trillingsveroudering. De constructie is relatief symmetrisch in het Y/Z-vlak en de externe kracht bevindt zich voornamelijk in het Y/Z-vlak en de vervorming vindt voornamelijk plaats in het Y/Z-vlak.

(2) De afmetingen van de afschuiningen en schroefgaten ten opzichte van de dwarsbalk met Y-as zijn klein en kunnen genegeerd worden. Componenten zoals de kussenplaat en de verbindingsplaat verhogen de stijfheid van de dwarsbalk. Ze negeren heeft geen invloed op de werkelijke eisen in de engineering.

(3) Wanneer de snijmachine in werking is, draagt de Y-as dwarsbalk voornamelijk de effecten van geconcentreerde kracht en traagheidskracht.

Het solid model wordt gemaakt met SolidWorks en vervolgens vereenvoudigd voordat het in Simulation wordt geïmporteerd om te meshen. Vanwege de complexe structuur is de mesh na het automatisch meshing handmatig aangepast. Figuur 3 toont de huidige netstructuur na het netten, met in totaal 35.388 elementen en 55.241 knooppunten.

De dwarsbalk met Y-as is bevestigd en verbonden met de overgangsplaat met M10 bouten, die samen met het glijdende zadel in de X-asrichting bewegen. Op basis van de mechanische eigenschappen van de belasting en de verdeling ervan in de constructie kan de belasting in de volgende categorieën worden verdeeld:

(1) Geconcentreerde lading. Deze belasting wordt veroorzaakt door het gewicht van de Z-as component op de dwarsbalk en het aangrijpingspunt varieert met de positie van de Z-as component op de dwarsbalk. Daarom kan het gewicht van de Z-as component worden behandeld als een geconcentreerde belasting en kunnen verschillende posities van de dwarsdoorsnede worden geanalyseerd. De geconcentreerde belasting op de dwarsbalk met Y-as is F_geconcentreerd = m_Zg = 80 × 10 = 800N.

(2) Gedistribueerde belasting. Deze belasting wordt voornamelijk veroorzaakt door het gewicht van de Y-as. Het massamiddelpunt van de dwarsbalk ligt altijd op 0,5L, dus het gewicht kan worden belast als een verdeelde belasting. De verdeelde belasting op de dwarsbalk met Y-as is F_distributed = m_Yg = 181,91 × 10 = 1819,1N.

(3) Traagheidsbelasting. De bewegingen van de CNC lasersnijmachine in de drie richtingen worden geregeld door de motor. Wanneer de motor wordt gestart, zal de Y-as dwarsbalk X-as versnelling produceren, en de Z-as component zal traagheidsbelastingen produceren in de Y- en Z-as richtingen. De formule voor het berekenen van de traagheidsbelasting is F_inertia = m(Y+Z)ax = (181,91+80) × 15 = 3928,65N.

Op basis van de bovenstaande voorwaarden wordt een mechanisch model van de dwarsbalk met Y-as opgesteld, zoals weergegeven in figuur 4. De geconcentreerde belasting wordt toegepast op de centrale positie bij belasting. De traagheidskracht van de X-as versnelling op de Y-as wordt belast als een oppervlaktebelasting. Volgens het principe van krachtvertaling wordt het gewicht van de Z-as component vereenvoudigd als een kracht en een moment die op het midden van de dwarsbalk inwerken.

Vervormingsanalyse van de dwarsbalk met Y-as

De eindige-elementenanalyse van de Y-as dwarsbalk werd uitgevoerd met Simulatie om de spanningsverdeling te verkrijgen binnen het werkbereik van de lasersnijmachine, die gebruikt werd om de vervormingskwaliteit te controleren onder de volgende twee werkomstandigheden:

• Instellingen belastingverdeling. De eindige-elementenanalyse werd uitgevoerd op drie posities binnen de volledige lengte L: 0,5L, 0,25L en 0,125L.
• Versnellingsimpactanalyse. De zijdelingse vervorming (in de Z-richting) veroorzaakt door de traagheidskracht langs de Y-as tijdens het opstarten is verwaarloosbaar. De traagheidskracht langs de Z-as is behandeld als een geconcentreerde belasting. Daarom is de belangrijkste focus gericht op het effect van de traagheidskracht veroorzaakt door de aanloopversnelling langs de X-as op de vervorming van de dwarsbalk langs de Y-as, om de vervorming van de dwarsbalk langs de Y-as onder de slechtste werkomstandigheden te verkrijgen.

De berekeningsresultaten worden zowel in tabelvorm als op een isolijnenkaart gepresenteerd, zoals weergegeven in Tabel 2 en Figuur 5.

Tabel 2: Maximale vervormingswaarden (mm) van de dwarsbalk met geconcentreerde belasting op verschillende posities.

Eindige elementen modale analyse van Y-as dwarsligger

Modale analyse verwijst naar het proces van het oplossen van eigenwaarden en eigenvectoren, ook bekend als modusextractie. De eigenfrequentie en de trillingsmodus van de dwarsbalk werden verkregen met behulp van simulatiefrequentieanalyse. Het frequentiegetal werd ingesteld op 5, wat staat voor de 5e orde modus. De directe sparse solver (compacte matrixoplosser) werd geselecteerd om de oplossnelheid te versnellen. De parameters van de eerste vijf modi staan in Tabel 3. Het vervormingsdiagram van de dwarsbalktrilling voor elke modus met verschillende frequenties wordt getoond in Figuur 6.

Tabel 3 Modale oplossingsresultaten

Conclusie

De vervorming van de dwarsbalk met Y-as is gerelateerd aan de positie van de Z-as componenten. Hoe dichter de Z-as componenten bij het midden van de dwarsligger zijn, hoe groter de vervorming. De maximale vervorming treedt op bij de middelste positie en is minder dan 0,3 mm, wat voldoet aan de technische eisen om de vervorming binnen 2 mm te houden.