基于有限元的三维激光切割机Z 轴部件分析与优化

涂芬芬，王金荣，陈扬东，马正平，冷志斌

（1.江苏亚威机床股份有限公司，江苏 扬州 225200；2.江苏省金属板材智能装备重点实验室，江苏 扬州 225200）

1 引言

激光切割机是一种新型的板材加工设备，与其他切割机械相比，具有切割速度快、精度高、噪声小、无污染、加工适应性强等优点。目前激光切割机已广泛应用于车辆制造、航空航天、化工、电子等工业部门[1-3]。

Z 轴部件（如图1 所示）作为整个激光切割机的重要部件之一，在工作时，横梁Z 轴部件在进给加速度作用下，容易产生变形以及振动，对切割精度与切割效率会产生很大影响。因此，对Z 轴部件的分析与优化，对提高激光切割机静、动态性能，提升激光切割机的加工精度与效率，减轻激光切割机的质量，降低机床的制造成本，具有重要意义。

本文通过三维绘图软件Creo 以及有限元软件Creo Simulation 对激光切割机Z 轴部件进行静态结构以及模态分析，在对横梁变形、固有频率与振型分析的基础上，应用选型优化思想对激光切割机的Z轴部件结构进行了优化设计。研究Z 轴部件各个变量参数对横梁动态性能和固有频率的影响及规律，所得规律可直接用于结构设计中，达到改进横梁动态特性的目的。

2 Z 轴部件有限元分析

2.1 有限元模型的建立

建立激光切割机的有限元模型，是有限元仿真的第一步也是保证仿真准确性的基础，有限元模型建立的具体步骤如下[4-5]：

（1）模型简化

模型中不属于关键结构的简化与改动不影响最终分析计算的结果，因此运用Creo PTC 三维建模软件，在尽量保证与真实结果相近的前提下，对于激光切割机横梁结构的简化处理采用了如下的几点方法[6]：

去除横梁系统上的部分功能构件如凹凸台，以及一些小的尺寸零件如螺栓、垫片等，将对于横梁结构刚度影响不大的工艺孔、螺栓孔等进行删减。

将远离关键部分的圆角简化成直角并忽略工艺上需要的倒角，提高网格划分质量，避免造成网格划分奇异，提高仿真求解过程的效率以及保证仿真结果与实际情况的一致。

在保证建模准确性的基础上，对模型进行适当的简化处理，不仅可以满足实际问题中的需要，还能减少在不必要结构上的网格数量，使求解效率得到提升，减少工作量，提高求解问题的准确度[7-9]。模型简化完成后，将其导入有限元软件Creo Simulation中。

（2）材料定义

Z 轴部件采用材料有两种，Z 轴连接板为6005A，其余部件为Q235A 碳钢，材料参数如表1 所示。

（3）网格划分

本文采用四面体网格（Tetrabedrons）进行网格划分，四面体网格可以施加于任何几何体，并且划分速度快，并且在关键区域容易使用曲度和近似尺寸功能自动划分网格，并使用膨胀细化实体边界附近的网格，实现边界层识别，有助于模型细化。

（4）载荷施加及边界条件确定

对对模型施加X 轴、Y 轴方向的惯性负载，大小为1g，接触面具体设置如下所示：

如图2 和图3 所示，将导轨模型与减速机接触面简化为弹簧单元接触，并且设置刚度，具体刚度参数如表2 所示。

图2 导轨接触设置示意图

图3 减速机接触设置示意图

表2 刚度参数设置

2.2 静态分析结果

激光切割机在工作过程中，由切割机加速度所产生的惯性载荷是对切割机刚度影响的重要因素，刚度不足会造成结构产生变形，影响切割机的切割精度以及使用寿命。

本文通过静态结构分析对惯性载荷对Z 轴部件的影响进行分析，为后期优化提供指导。

如图4 和表3 所示，Z 轴部件X 向位移比Y 向小，表明Z 轴部件Y 方向的刚度比X 方向略差；Z 轴部件激光头X、Y 位移比Z 轴立柱中上部的位移大的多，表明激光头的位移主要是有Z 轴立柱自身的弯曲变形造成，即Z 轴立柱为薄弱环节。

图4 Z 轴部件位移云图

表3 Z 轴部件变形

2.3 模态分析结果

一般情况下，300Hz 以下的频率对激光切割机的动态性能影响较大，50Hz 以下的频率对激光切割机的动态性能具有非常大的负面影响，极低的固有频率极有可能造成在工作过程中被激发出其对应振型，使得切割过程中产生振动，影响切割精度。因此本文对Z 轴部件进行模态分析，分析三维激光切割机结构的固有频率和振型，评估结构的动态性能；确定三维激光切割机结构的薄弱环节，为结构优化提供参考。

从表4 发现，Z 轴部件一阶固有频率为51.8Hz，接近极限使用频率，并且Z 轴部件的低阶模态振型（1、2 阶）主要为Z 轴立柱的弯曲摆动，从固有频率大小也可看出Z 轴立柱部件是薄弱环节，其X 轴方向的刚度比Y 轴方向要高；高阶模态振型主要为传动部位的振动，具体振型图如图5 所示。

表4 Z 轴部件前六阶频率

图5 Z 轴部件振型云图

3 优化结构方案

3.1 优化方案比对

从表5 综合来看，Z 轴立柱有较大优化空间，主要的优化变量为内、外筋板及其横截面等，优化的位置主要在立柱中上部。

表5 优化方案分析

3.2 最终优化

通过以上分析，结合加工工艺，形成最终优化方案,具体分析结果如图6 所示。

图6 Y、X 轴方向1g 惯性负载对应方向位移

通过表6 和表7 对比分析，优化后Z 轴部件重量几乎不变，但其静刚度得到了大幅提升，固有频率也有大幅提高，Z 轴部件的静动态性能得到明显改善。

表6 优化前后激光头位移比对

表7 优化前后模态频率比对

4 结论

本文通过三维绘图软件Creo 建立三维激光切割机Z 轴部件模型后，通过有限元软件Creo simulation对Z 轴部件模型进行静动刚度以及模态分析。在此基础上进行Z 轴部件优化，根据多因素交叉分析，在Z 轴部件整体质量没有较大变化的前提下，Z 轴部件整体刚度提高28%，模态固有频率整体提高20%，优化效果明显，为Z 轴部件的设计提供依据，具有较大指导意义。