CN103927411B - 一种龙门式激光切割机床的设计方法 - Google Patents

一种龙门式激光切割机床的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种龙门式激光切割机床的设计方法，该方法为：基于有限元分析软件建立当前机床各主要结构件的性能数据库；基于多体动力学软件建立机床机械模型，并根据多体动力学仿真结果得到所述机床中各个主要结构件的连接结合部对动态精度的影响以及各主要结构件的受力情况，且根据上述性能目标对各主要结构件进行模态匹配和动态精度分布；基于有限元分析软件对各主要结构件及其装配体进行优化；电气控制模型结合机床机械模型进行机电联合仿真，充分优化匹配机床机械模型和电气控制模型；对整机进行动态精度测试，微调控制参数，以实现整机性能最优化。不仅成本较低，而且提高了机床动态精度，实现高速和高精切割，机床性能达到国际先进水平。

Description

一种龙门式激光切割机床的设计方法
技术领域
本发明涉及机床设计领域，尤其涉及一种龙门式激光切割机床的设计方法。
背景技术
目前激光切割机正在向高速(v＝120m/min、a＝20m/s2)、高精度(定位精度±0.03mm)方向发展，普遍采用3轴(X/Y/Z)龙门式结构，高速运行下机床的振动冲击较大，动态精度很难保证。国内同行在进行激光切割机设计时，普遍参考国外设计方案，往往采用先制造，再根据问题进行改进的方法，未能在设计阶段充分考虑到机床的主要结构件以及电控系统对机床动态精度的影响。在遇到振动噪声大、动态精度差的情况时，往往不知道薄弱环节，进行故障排除时也只能一步步装拆进行分析，研发周期很长，成本高，而且往往很难快速找到问题的根源。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术激光加工机床普遍存在设计方法落后、设计产品动态精度、加工效率均落后于国际先进产家的现状的缺陷，提供一种龙门式激光切割机床的设计方法，该技术方案提高了机床的动态测试精度，实现了高速和高精切割，达到国际先进水平，同时缩短研发周期，降低研发成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种龙门式激光切割机床的设计方法，所述机床包括多个主要结构件以及各个主要结构件的连接结合部，所述方法包括以下步骤：
步骤A：设定所述机床的性能目标，其中，该性能目标包括速度、加速度及动态精度；
步骤B：基于有限元分析软件对所述机床中各主要结构件进行静力学分析和模态分析，根据所述静力学分析和模态分析所得到的仿真结果建立所述各主要结构件的性能数据库；
步骤C：基于多体动力学软件建立机床机械模型，并根据多体动力学仿真结果得到所述机床中各个主要结构件的连接结合部对动态精度的影响以及各主要结构件的受力情况，且根据上述性能目标对各主要结构件进行模态匹配和动态精度分布；
步骤D：基于有限元分析软件对各主要结构件及其装配体进行优化；
步骤E：根据该性能目标建立电气控制模型，该电气控制模型与上述机床机械模型相结合进行机电联合仿真，对所述机床进行扫频分析和动态精度分析，并根据上述分析结果进行机械结构及机床控制参数优化，其中，该电气控制模型包括伺服电机、驱动器、上位机控制模型；
步骤F：对所述机床进行动态精度测试，根据测试结果微调控制参数，使所述机床的性能最优化。
在本发明所述的龙门式激光切割机床的设计方法中，所述机床包括床身、横梁、托板、切割头、X轴电机、Y轴电机、Z轴电机以及各个结构件的连接结合部。
在本发明所述的龙门式激光切割机床的设计方法中，该主要结构件包括床身、横梁和托板。
在本发明所述的龙门式激光切割机床的设计方法中，在步骤A中，速度为120m/min，加速度为20m/s2,动态精度为±0.02mm。
在本发明所述的龙门式激光切割机床的设计方法中，上述步骤B具体包括以下步骤：
B1.在有限元分析软件中构建横梁、床身以及托板的三维实体模型；
B2.基于有限元分析软件对横梁、床身以及托板进行静力学分析和模态分析；
B3.根据所述静力学分析和模态分析所得到的仿真结果建立上述横梁、床身以及托板的性能数据库，为后续优化提供数据参考。
在本发明所述的龙门式激光切割机床的设计方法中，上述步骤C具体包括以下步骤：
C1.基于多体动力学软件建立机床机械模型，并根据多体动力学仿真结果得到所述机床中各个主要结构件的连接结合部对动态精度的影响以及各主要结构件的受力情况，为所述机床中各个主要结构件的连接结合部的选型提供依据，确定最优连接结合部的参数，其中，该各个主要结构件的连接结合部包括导轨滑块和齿轮齿条；
C2.计算所述机床的主要工作频率，其中，所述主要工作频率包括齿轮齿条啮合频率和电机激励频率；
C3.根据动态精度、电机激励频率以及连接结合部的刚度要求，设计横梁、床身和托板，并分配横梁、床身和托板的模态值及静力学变形值。
在本发明所述的龙门式激光切割机床的设计方法中，上述步骤D具体包括以下步骤：
D1.在有限元分析软件中构建结构件及其装配体的三维实体模型；
D2.根据所分配的模态值及连接结合部的刚度要求，并基于有限元分析软件对横梁、托板、床身及其各自装配体避开电机激励频率，同时对横梁、托板和床身进行模态解耦。
在本发明所述的龙门式激光切割机床的设计方法中，上述步骤E具体包括以下步骤：
E1.根据该性能目标建立电气控制模型，该电气控制模型与上述机床机械模型相结合进行机电联合仿真；
E2.对所述机床进行扫频分析和动态精度分析，并根据上述分析结果进行机械结构及机床控制参数优化，使电气控制模型与机床机械模型达到最佳匹配，最大限度优化机床的动态精度。
在本发明所述的龙门式激光切割机床的设计方法中，上述步骤F具体包括以下步骤：
F1.基于海德汉动态精度测试仪设计实验工装，编制测试方案；
F2.测试不同工况下机床的动态精度，根据测试结果对控制参数进行微调，使所述机床的性能最优化。
实施本发明的技术方案，具体以下有益效果：采用有限元分析软件进行模态分析以及采用机电联合仿真进行精度匹配，在设计阶段充分考虑各个主要结构件对机床动态精度的影响，优化结构和控制参数，使机床动态精度满足设计要求；并在设计完成后对机床进行动态精度测试，根据测试结果对控制参数进行微调，使整机性能最优化，不仅成本较低，而且提高了机床动态精度，实现高速和高精切割，机床性能达到国际先进水平。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明龙门式激光切割机床的设计方法的流程图；
图2是本发明龙门式激光切割机床的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1是本发明龙门式激光切割机床的设计方法的流程图，如图1所示，在本实施例中，所述机床包括多个主要结构件以及各个主要结构件的连接结合部，所述方法包括以下步骤：
步骤A：设定所述机床的性能目标，其中，该性能目标包括速度、加速度及动态精度。
步骤B：基于有限元分析软件对所述机床中各主要结构件进行静力学分析和模态分析，根据所述静力学分析和模态分析所得到的仿真结果建立所述各主要结构件的性能数据库。
步骤C：基于多体动力学软件建立机床机械模型，并根据多体动力学仿真结果得到所述机床中各个主要结构件的连接结合部对动态精度的影响以及各主要结构件的受力情况，且根据上述性能目标对各主要结构件进行模态匹配和动态精度分布。
步骤D：基于有限元分析软件对各主要结构件及其装配体进行优化。
步骤E：根据该性能目标建立电气控制模型，该电气控制模型与上述机床机械模型相结合进行机电联合仿真，对所述机床进行扫频分析和动态精度分析，并根据上述分析结果进行机械结构及机床控制参数优化，其中，该电气控制模型包括伺服电机、驱动器、上位机控制模型。
步骤F：对所述机床进行动态精度测试，根据测试结果微调控制参数，使所述机床的性能最优化。
请结合参阅图2，图2是本发明所述龙门式激光切割机床的结构示意图，如图2所示，该机床包括床身1、横梁2、托板3、切割头4、X轴电机5、Y轴电机6、Z轴电机7以及各个结构件的连接结合部8。在本实施例中，该主要结构件包括横梁、床身和托板。
下面以上述主要结构件为例阐述龙门式激光切割机床的设计方法：
在步骤A中，参考国际先进激光切割机厂家的机床性能设定机床的性能目标，其中，速度为120m/min，加速度为20m/s2,动态精度为±0.02mm。
上述步骤B具体包括以下步骤：
B1.在有限元分析软件中构建横梁、床身以及托板的三维实体模型；
B2.基于有限元分析软件对横梁、床身以及托板进行静力学分析和模态分析；
B3.根据所述静力学分析和模态分析所得到的仿真结果建立上述横梁、床身以及托板的性能数据库，为后续优化提供数据参考。
上述步骤C具体包括以下步骤：
C1.基于多体动力学软件建立机床机械模型，并根据多体动力学仿真结果得到所述机床中各个主要结构件的连接结合部对动态精度的影响以及各主要结构件的受力情况，为所述机床中各个主要结构件的连接结合部的选型提供依据，确定最优连接结合部的参数，其中，该各个主要结构件的连接结合部包括导轨滑块和齿轮齿条；
C2.计算所述机床的主要工作频率，其中，所述主要工作频率包括齿轮齿条啮合频率和电机激励频率；
C3.根据动态精度、电机激励频率以及连接结合部的刚度要求，设计横梁、床身和托板，并分配横梁、床身和托板的模态值及静力学变形值。应当解释的是，一般采用“电机-横梁-托板-切割头”的逆过程进行分配，即先确定切割头的振动水平，然后分配到托板、横梁、床身等主要组成部分。
上述步骤D具体包括以下步骤：
D1.在有限元分析软件中构建结构件及其装配体的三维实体模型；主要包括：在有限元分析软件中建立结构件的三维实体模型，并将该三维实体模型转换导入有限元分析软件中。
D2.根据所分配的模态值及连接结合部的刚度要求，并基于有限元分析软件对横梁、托板、床身及其各自装配体避开电机激励频率，同时对横梁、托板和床身进行模态解耦，提高机械结构刚性，从而实现机床快速响应。步骤D2主要是为了确定横梁、床身和托板的详细特征，以横梁为核心，运用有限元分析软件对各主要结构件进行优化，充分考虑结构件本身以及结构件之间的性能匹配。
上述步骤E具体包括以下步骤：
E1.根据该性能目标建立电气控制模型，该电气控制模型与上述机床机械模型相结合进行机电联合仿真；
E2.对所述机床进行扫频分析和动态精度分析，并根据上述分析结果进行机械结构及机床控制参数优化，使电气控制模型与机床机械模型达到最佳匹配，最大限度优化机床的动态精度。
上述步骤F具体包括以下步骤：
F1.基于海德汉动态精度测试仪设计实验工装，编制测试方案；
F2.测试不同工况下机床的动态精度，根据测试结果对控制参数进行微调，使所述机床的性能最优化。
下面简单说明该龙门式激光切割机床的设计原理是：①基于有限元分析软件建立当前机床各主要结构件的性能数据库；②基于多体动力学软件建立机床机械模型，并根据多体动力学仿真结果得到所述机床中各个主要结构件的连接结合部对动态精度的影响以及各主要结构件的受力情况，且根据上述性能目标对各主要结构件进行模态匹配和动态精度分布；③基于有限元分析软件对各主要结构件及其装配体进行优化；④电气控制模型结合机床机械模型进行机电联合仿真，充分优化匹配机床机械模型和电气控制模型；⑤对整机进行动态精度测试，微调控制参数，以实现整机性能最优化。通过上述龙门式激光切割机床的设计方法，从而实现了机床振动小，响应速度快，切割质量和切割效率均明显提高，同时缩短研发周期，降低研发成本。
相较于现有技术，采用有限元分析软件进行模态分析以及采用机电联合仿真进行精度匹配，在设计阶段充分考虑各个主要结构件对机床动态精度的影响，优化结构和控制参数，使机床动态精度满足设计要求；并在设计完成后对机床进行动态精度测试，根据测试结果对控制参数进行微调，使整机性能最优化，不仅成本较低，而且提高了机床动态精度，实现高速和高精切割，机床性能达到国际先进水平。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种龙门式激光切割机床的设计方法，其特征在于，所述机床包括多个主要结构件以及各个主要结构件的连接结合部，所述方法包括以下步骤：
步骤A：设定所述机床的性能目标，其中，该性能目标包括速度、加速度及动态精度；
步骤B：基于有限元分析软件对所述机床中各主要结构件进行静力学分析和模态分析，根据所述静力学分析和模态分析所得到的仿真结果建立所述各主要结构件的性能数据库；
步骤C：基于多体动力学软件建立机床机械模型，并根据多体动力学仿真结果得到所述机床中各个主要结构件的连接结合部对动态精度的影响以及各主要结构件的受力情况，且根据上述性能目标对各主要结构件进行模态匹配和动态精度分布；
步骤D：基于有限元分析软件对各主要结构件及其装配体进行优化；
步骤E：根据该性能目标建立电气控制模型，该电气控制模型与上述机床机械模型相结合进行机电联合仿真，对所述机床进行扫频分析和动态精度分析，并根据上述分析结果进行机械结构及机床控制参数优化，其中，该电气控制模型包括伺服电机、驱动器、上位机控制模型；
步骤F：对所述机床进行动态精度测试，根据测试结果微调控制参数，使所述机床的性能最优化。
2.根据权利要求1所述的龙门式激光切割机床的设计方法，其特征在于，所述机床包括床身、横梁、托板、切割头、X轴电机、Y轴电机、Z轴电机以及各个结构件的连接结合部。
3.根据权利要求2所述的龙门式激光切割机床的设计方法，其特征在于，该主要结构件包括床身、横梁和托板。
4.根据权利要求1所述的龙门式激光切割机床的设计方法，其特征在于，在步骤A中，所述机床的速度为120m/min，所述机床的加速度为20m/s2,所述机床的动态精度为±0.02mm。
5.根据权利要求3所述的龙门式激光切割机床的设计方法，其特征在于，上述步骤B具体包括以下步骤：
B1.在有限元分析软件中构建横梁、床身以及托板的三维实体模型；
B2.基于有限元分析软件对横梁、床身以及托板进行静力学分析和模态分析；
B3.根据所述静力学分析和模态分析所得到的仿真结果建立上述横梁、床身以及托板的性能数据库，为后续优化提供数据参考。
6.根据权利要求5所述的龙门式激光切割机床的设计方法，其特征在于，上述步骤C具体包括以下步骤：
C1.基于多体动力学软件建立机床机械模型，并根据多体动力学仿真结果得到所述机床中各个主要结构件的连接结合部对动态精度的影响以及各主要结构件的受力情况，为所述机床中各个主要结构件的连接结合部的选型提供依据，确定最优连接结合部的参数，其中，该各个主要结构件的连接结合部包括导轨滑块和齿轮齿条；
C2.计算所述机床的主要工作频率，其中，所述主要工作频率包括齿轮齿条啮合频率和电机激励频率；
C3.根据动态精度、电机激励频率以及连接结合部的刚度要求，设计横梁、床身和托板，并分配横梁、床身和托板的模态值及静力学变形值。
7.根据权利要求6所述的龙门式激光切割机床的设计方法，其特征在于，上述步骤D具体包括以下步骤：
D1.在有限元分析软件中构建结构件及其装配体的三维实体模型；
D2.根据所分配的模态值及连接结合部的刚度要求，并基于有限元分析软件对横梁、托板、床身及其各自装配体避开电机激励频率，同时对横梁、托板和床身进行模态解耦。
8.根据权利要求7所述的龙门式激光切割机床的设计方法，其特征在于，上述步骤E具体包括以下步骤：
E1.根据该性能目标建立电气控制模型，该电气控制模型与上述机床机械模型相结合进行机电联合仿真；
E2.对所述机床进行扫频分析和动态精度分析，并根据上述分析结果进行机械结构及机床控制参数优化，使电气控制模型与机床机械模型达到最佳匹配，最大限度优化机床的动态精度。
9.根据权利要求8所述的龙门式激光切割机床的设计方法，其特征在于，上述步骤F具体包括以下步骤：
F1.基于海德汉动态精度测试仪设计实验工装，编制测试方案；
F2.测试不同工况下机床的动态精度，根据测试结果对控制参数进行微调，使所述机床的性能最优化。
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