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数控等离子切割机横梁的模态分析
作者:admin  来源:本站  发表时间:2012/6/19 8:49:26  点击:3778

  针对数控等离子切割机横梁在工作中产生复杂振动变形而严重影响切割精度的问题,以横梁为研究对象,基于NX环境建立横梁的有限元模型,应用解算器对横梁结构进行有限元模态分析,分析出横梁的固有频率、总振幅和主振型,并输出各阶频率位移云图。再根据以上数据,参照现行行业标准,对原有的横梁模型进行优化,得出符合标准的最优化横梁模型,对提高数控等离子切割机的精度和可靠性具有重要的工程意义。0引言数控等离子切割机横梁是一个多自由度弹性振动系统,作用于该系统的各种激振力使横梁产生复杂的振动变形,是影响切割精度的主要因素。

  作用于这个系统的各种激振力就是使横梁产生复杂振动的动力源。根据数控等离子切割机工作特点,引起各种激振力的因素可概括为4类:一是横、纵向伺服电机与齿条传动齿轮副在工作时产生的啮合激励,直接作用在横梁上;二是横、纵向伺服电机本身工作时引起的简谐激振;三是滚轮和升降体滑块在工作时分别与横、纵向导轨传动的移动副产生激振;四是数控等离子切割机在工作时受到外界的影响产生的激励。如果这些激振力的激振频率和横梁的某一阶固有频率相吻合或接近时,就会产生共振,导致在横梁某些部位产生数值很大的共振载荷和位置偏移,影响数控等离子切割机的切割精度和可靠性。因此,数控等离子切割机横梁的动态设计要求横梁具有一定的固有频率和振型,且应避开横、纵向齿轮齿条传动的啮合频率和外界频率,这样才能保证横梁具有良好的动态特性。因此,对数控等离子切割机横梁进行模态分析,确定横梁的固有频率和振型以及输出各阶频率位移云,再根据这些数据和相关标准对其进行优化设计,设计出振动位移小固有频率大的最优化横梁,对保证数控等离子切割机的切割精度和可靠性具有重要的工程意义。1建立横梁模态分析有限元模型用NX软件建立横梁的实体模型,其材料为Q235。考虑横梁的复杂程度、精度要求解算时间等实际因素,本文采用3D8节点六面体单元对横梁进行网格划分。

  单元设计尺寸为10mm;共划分节点161202个,单元81600个;网格控制角最小60°,最大120°。再根据受力特点,对横梁两端的截面处施加固定约束,最后得到数控等离子切割机横梁有限元模型如图3所3横梁模态分析模态分析的步骤和流程通过以上流程,利用NASTRAN分析模块,解算出横梁的固有频率和主振型。由于系统的中低阶模态对系统的振动影响较大,所以在分析中求解了横梁的前7阶模态,得到横梁的固有频率和主振型,4结果分析和模型优化以上分析结果显示当前的横梁模型的各阶固有频率位移量在0.1mm左右。根据目前国内数控切割机厂家广泛认可的《热切割等离子切割质量和尺寸偏差》(JB/T10045.4-1999)行业标准,等离子数控切割机的切割精度为0.5mm。考虑在实际工作过程中因为切口宽度和热映区宽度对精度的影响,以及数控系统的控制精度等,要求横梁在固有频率处的最大位移不应超过±0.05mm。

  再次利用NX软件中的NASTRAN分析模块,以横梁的固有频率最大化为优化目标,最大位移≤0.05mm为优化约束,求解出满足条件的最优化设计。得到的最优化横梁模型的截面图。最优化模型的固有频率和主振型,如所示;第1、2、7阶固有频率位移云图。5优化结果分析从和各阶固有频率位移云图可以看出:优化后横梁的最小固有频率为101.3Hz,且其他各阶模态与优化前相比有大幅度的增加,这更有利于横梁的固有频率避开横、纵向齿轮齿条传动的啮合频率和外界频率;优化后横梁各阶的最大位移量在0.0378mm~0.544mm,基本符合预设的位移标准。因此,通过优化设计后的横梁模型,更好的避开了横、纵向齿轮齿条传动的啮合频率和外界频率,并且最大的位移量也仅为优化前的1/2,明显提高了数控等离子切割机的切割精度和可靠性。最优化横梁模型的固有频率、振幅表和主振动表模态阶数固有频率/Hz总振幅/mm主振动方向。

  结论:本文建立了数控等离子切割机横梁的有限元模型,应用NASTRAN分析软件对其结构固有特征进行数值分析,并根据结果对原有模型进行优化,得出最优化模型。通过对原有横梁模型的研究得出:原有横梁模型的各阶固有频率偏低且大多密集在193.7Hz~203.5Hz,及易在外界激励下发生共振;各阶主振型都为Y轴方向,固有频率处的位移量在0.1mm左右,难以保证切割精度。根据原有横梁模型的振型图和动画显示,可以直观地分析横梁的动态特性和薄弱环节,参照现行行业标准,对原有横梁模型进行优化,得出符合标准的最优化横梁模型。最优化横梁模型与原有横梁模型相比:各阶固有频率明显提高,具有良好的动态特性,较易避开横、纵向齿轮齿条传动的啮合频率和外界频率;在固有频率处的最大位移量≤0.05mm,仅为优化前的1/2,更好的保证了切割精度。本研究计算出了原有横梁模型的固有频率和振型,并通过这些数据对其进行优化设计,得出最优化的横梁模型,对提高数控等离子切割机的精度和可靠性具有重要的工程意义。

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