數控等離子切割機橫梁的模態(tài)分析

針對數控等離子切割機橫梁在工作中產(chǎn)生復雜振動(dòng)變形而嚴重影響切割精度的問(wèn)題，以橫梁為研究對象，基于NX環(huán)境建立橫梁的有限元模型，應用解算器對橫梁結構進(jìn)行有限元模態(tài)分析，分析出橫梁的固有頻率、總振幅和主振型，并輸出各階頻率位移云圖。再根據以上數據，參照現行行業(yè)標準，對原有的橫梁模型進(jìn)行優(yōu)化，得出符合標準的最優(yōu)化橫梁模型，對提高數控等離子切割機的精度和可靠性具有重要的工程意義。0引言數控等離子切割機橫梁是一個(gè)多自由度彈性振動(dòng)系統，作用于該系統的各種激振力使橫梁產(chǎn)生復雜的振動(dòng)變形，是影響切割精度的主要因素。

作用于這個(gè)系統的各種激振力就是使橫梁產(chǎn)生復雜振動(dòng)的動(dòng)力源。根據數控等離子切割機工作特點(diǎn)，引起各種激振力的因素可概括為4類(lèi):一是橫、縱向伺服電機與齒條傳動(dòng)齒輪副在工作時(shí)產(chǎn)生的嚙合激勵，直接作用在橫梁上;二是橫、縱向伺服電機本身工作時(shí)引起的簡(jiǎn)諧激振;三是滾輪和升降體滑塊在工作時(shí)分別與橫、縱向導軌傳動(dòng)的移動(dòng)副產(chǎn)生激振;四是數控等離子切割機在工作時(shí)受到外界的影響產(chǎn)生的激勵。如果這些激振力的激振頻率和橫梁的某一階固有頻率相吻合或接近時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生共振，導致在橫梁某些部位產(chǎn)生數值很大的共振載荷和位置偏移，影響數控等離子切割機的切割精度和可靠性。因此，數控等離子切割機橫梁的動(dòng)態(tài)設計要求橫梁具有一定的固有頻率和振型，且應避開(kāi)橫、縱向齒輪齒條傳動(dòng)的嚙合頻率和外界頻率，這樣才能保證橫梁具有良好的動(dòng)態(tài)特性。因此，對數控等離子切割機橫梁進(jìn)行模態(tài)分析，確定橫梁的固有頻率和振型以及輸出各階頻率位移云，再根據這些數據和相關(guān)標準對其進(jìn)行優(yōu)化設計，設計出振動(dòng)位移小固有頻率大的最優(yōu)化橫梁，對保證數控等離子切割機的切割精度和可靠性具有重要的工程意義。1建立橫梁模態(tài)分析有限元模型用NX軟件建立橫梁的實(shí)體模型，其材料為Q235?？紤]橫梁的復雜程度、精度要求解算時(shí)間等實(shí)際因素，本文采用3D8節點(diǎn)六面體單元對橫梁進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

單元設計尺寸為10mm;共劃分節點(diǎn)161202個(gè)，單元81600個(gè);網(wǎng)格控制角最小60°，最大120°。再根據受力特點(diǎn)，對橫梁兩端的截面處施加固定約束，最后得到數控等離子切割機橫梁有限元模型如圖3所3橫梁模態(tài)分析模態(tài)分析的步驟和流程通過(guò)以上流程，利用NASTRAN分析模塊，解算出橫梁的固有頻率和主振型。由于系統的中低階模態(tài)對系統的振動(dòng)影響較大，所以在分析中求解了橫梁的前7階模態(tài)，得到橫梁的固有頻率和主振型，4結果分析和模型優(yōu)化以上分析結果顯示當前的橫梁模型的各階固有頻率位移量在0．1mm左右。根據目前國內數控切割機廠(chǎng)家廣泛認可的《熱切割等離子切割質(zhì)量和尺寸偏差》(JB/T10045．4－1999)行業(yè)標準，等離子數控切割機的切割精度為0．5mm?？紤]在實(shí)際工作過(guò)程中因為切口寬度和熱映區寬度對精度的影響，以及數控系統的控制精度等，要求橫梁在固有頻率處的最大位移不應超過(guò)±0．05mm。

再次利用NX軟件中的NASTRAN分析模塊，以橫梁的固有頻率最大化為優(yōu)化目標，最大位移≤0．05mm為優(yōu)化約束，求解出滿(mǎn)足條件的最優(yōu)化設計。得到的最優(yōu)化橫梁模型的截面圖。最優(yōu)化模型的固有頻率和主振型，如所示;第1、2、7階固有頻率位移云圖。5優(yōu)化結果分析從和各階固有頻率位移云圖可以看出:優(yōu)化后橫梁的最小固有頻率為101．3Hz，且其他各階模態(tài)與優(yōu)化前相比有大幅度的增加，這更有利于橫梁的固有頻率避開(kāi)橫、縱向齒輪齒條傳動(dòng)的嚙合頻率和外界頻率;優(yōu)化后橫梁各階的最大位移量在0．0378mm～0．544mm，基本符合預設的位移標準。因此，通過(guò)優(yōu)化設計后的橫梁模型，更好的避開(kāi)了橫、縱向齒輪齒條傳動(dòng)的嚙合頻率和外界頻率，并且最大的位移量也僅為優(yōu)化前的1/2，明顯提高了數控等離子切割機的切割精度和可靠性。最優(yōu)化橫梁模型的固有頻率、振幅表和主振動(dòng)表模態(tài)階數固有頻率/Hz總振幅/mm主振動(dòng)方向。

結論：本文建立了數控等離子切割機橫梁的有限元模型，應用NASTRAN分析軟件對其結構固有特征進(jìn)行數值分析，并根據結果對原有模型進(jìn)行優(yōu)化，得出最優(yōu)化模型。通過(guò)對原有橫梁模型的研究得出:原有橫梁模型的各階固有頻率偏低且大多密集在193．7Hz～203．5Hz，及易在外界激勵下發(fā)生共振;各階主振型都為Y軸方向，固有頻率處的位移量在0．1mm左右，難以保證切割精度。根據原有橫梁模型的振型圖和動(dòng)畫(huà)顯示，可以直觀(guān)地分析橫梁的動(dòng)態(tài)特性和薄弱環(huán)節，參照現行行業(yè)標準，對原有橫梁模型進(jìn)行優(yōu)化，得出符合標準的最優(yōu)化橫梁模型。最優(yōu)化橫梁模型與原有橫梁模型相比:各階固有頻率明顯提高，具有良好的動(dòng)態(tài)特性，較易避開(kāi)橫、縱向齒輪齒條傳動(dòng)的嚙合頻率和外界頻率;在固有頻率處的最大位移量≤0．05mm，僅為優(yōu)化前的1/2，更好的保證了切割精度。本研究計算出了原有橫梁模型的固有頻率和振型，并通過(guò)這些數據對其進(jìn)行優(yōu)化設計，得出最優(yōu)化的橫梁模型，對提高數控等離子切割機的精度和可靠性具有重要的工程意義。