La máquina de corte por láser CNC es una máquina herramienta que utiliza láser como herramienta de corte para procesar piezas de trabajo. El hardware principal incluye la base de la máquina, viga transversal, mesa de trabajo, láser, cabezal de corte, estabilizador, refrigerador, gabinete de control eléctrico, fuente de gas (oxígeno, nitrógeno, aire), etc.
El sistema incluye sistema eléctrico, sistema mecánico, sistema de paso de aire, sistema óptico, sistema hidráulico, sistema de lubricación, sistema de refrigeración, etc.
En este artículo, se realizaron análisis de elementos finitos estáticos y modales en el componente importante de la máquina de corte por láser CNC: el haz del eje Y. Se utilizó el método de elementos finitos tridimensionales para analizar la deformación del haz del eje Y bajo varios. condiciones típicas trabajo, extraer la ley de deformación, establecer un modelo tridimensional basado en el software SolidWorks y realizar análisis de elementos finitos de la viga mediante simulación. módulo.
Con base en esto, se realizó un análisis modal en la viga del eje Y para resolver las frecuencias naturales de los primeros cinco órdenes y los modos de vibración correspondientes, para verificar la factibilidad de la estructura de diseño y proporcionar una base teórica para el tamaño de la viga. la estructura. y diseño de optimización de equipos mecánicos.
La máquina de corte por láser CNC es un equipo ideal para el procesamiento de chapa metálica, ampliamente utilizado en industrias como armarios de distribución, computadoras, maquinaria textil, instrumentos y medidores, automóviles, elevadores y maquinaria de granos, tanto a nivel nacional como internacional.
El láser pertenece al procesamiento sin troquel, con una gran flexibilidad de procesamiento, que puede acortar el ciclo de desarrollo de nuevos productos en la industria de la chapa, mejorar la precisión y la intercambiabilidad del producto y es particularmente adecuado para el procesamiento de lotes pequeños de diversas variedades.
La deformación y vibración del haz del eje Y en el trabajo real afectará directamente la precisión del procesamiento del cabezal de corte láser.
Para garantizar la practicidad y la precisión del procesamiento del equipo, la estructura real se discretiza en cuadrículas de elementos utilizando el método de elementos finitos. Cada elemento tiene una forma simple y está conectado mediante nodos. La cantidad desconocida en cada elemento es el desplazamiento del nodo. La matriz de rigidez de cada elemento individual se combina para formar la matriz de rigidez general de todo el modelo. La tensión de cada elemento se calcula mediante el cambio de desplazamiento en el nodo.
Principio de funcionamiento y estructura de viga de la máquina de corte por láser CNC.
La industria del corte por láser ha pasado por más de 60 años de desarrollo desde sus inicios en 1960. Ha sufrido varios cambios importantes, desde YAG (láser de cristal) hasta CO2 (láser de dióxido de carbono) y ahora hasta el láser de fibra.
El principio de funcionamiento de una máquina de corte por láser es que el rayo láser generado por el láser se emite a través de la lente para enfocar un pequeño punto en el punto focal. El punto calienta el material y el rayo láser se mueve a lo largo del material para completar el proceso de corte.
Las máquinas de corte por láser CNC utilizan una estructura de pórtico. La silla deslizante se mueve a lo largo del riel guía en dirección X de la cama, mientras que la viga transversal está equipada con un riel guía lineal horizontal (en dirección Y). El componente del eje Z está conectado al riel guía direccional Y a través de un control deslizante y el cabezal de corte por láser está instalado en la placa deslizante del eje Z. La base se fija a la base y puede verse como un cuerpo rígido.
Debido a la gran relación longitud-diámetro y la flexibilidad de la viga transversal del eje Y, es propensa a deformarse y, por lo tanto, se convierte en uno de los componentes principales que afectan la precisión de las máquinas de corte por láser.
La estructura del eje Y se muestra en la Figura 1, donde la viga transversal tiene una función de soporte, lo que requiere que el material tenga buena rigidez y tenacidad, como se muestra en la Tabla 1.
| Tipo de material | Soldadura Q235-A |
| Densidad | 7.860kg/ m3 |
| modulos elasticos | 212GPa |
| el coeficiente de Poisson | 0,288 |
Establecimiento de un modelo de cálculo de elementos finitos para la viga transversal del eje Y
Antes de analizar el modelo, la viga transversal del eje Y se simplifica en función de las características de la estructura principal y la carga de trabajo de la máquina de corte por láser. Después de la simplificación, se establece un modelo de análisis de elementos finitos sólidos simplificado de la viga transversal del eje Y, como se muestra en la Figura 2.
(1) La estructura general de la máquina de corte por láser CNC es simétrica y las fuerzas de soporte están básicamente equilibradas. La viga transversal del eje Y está hecha de una placa de acero de 2,5 mm de espesor doblada con una placa de montaje de riel guía de 20 mm de espesor y se somete a un tratamiento de envejecimiento y recocido por vibración. La estructura es relativamente simétrica en el plano Y/Z, y la fuerza externa está principalmente en el plano Y/Z, y la deformación ocurre principalmente en el plano Y/Z.
(2) Las dimensiones de los chaflanes y orificios roscados en relación con la viga transversal del eje Y son pequeñas y pueden ignorarse. Componentes como la placa amortiguadora y la placa de transición de conexión ayudan a aumentar la rigidez de la viga transversal. Ignorarlos no afectará los requisitos de ingeniería reales.
(3) Cuando la máquina cortadora está en funcionamiento, la viga transversal del eje Y soporta principalmente los efectos de la fuerza concentrada y la fuerza de inercia.
El modelo sólido se crea utilizando SolidWorks y luego se simplifica antes de importarlo a Simulación para su mallado. Basado en la naturaleza compleja de la estructura real, la malla se ajusta manualmente después del mallado automático. La Figura 3 muestra la estructura de malla real después de la generación de la malla, con un total de 35.388 elementos y 55.241 nodos.
| Nombre de ejemplo | Análisis de aplicaciones |
| mallador usado | cuadrícula predeterminada |
| Transición automática | cerrar |
| Incluye anillo de malla automático | cerrar |
| Punto Jacobi | cuatro puntos |
| Inspección del cucharón Jacobi | Abierto |
| Tamaño de celda | 41,9985 mm |
| Tolerancia | 2,09992 mm |
| Calidad de la red | alto |
| Número total de nodos | 55241 |
| Número total de unidades | 35388 |
| Tiempo para completar la cuadrícula (hora: minuto: segundo) | 00:00:41 |
La viga transversal del eje Y se fija y conecta a la placa de transición mediante pernos M10, que se mueven junto con la silla deslizante en la dirección del eje X de acuerdo con las propiedades mecánicas de la carga y su distribución en la estructura. La carga se puede dividir en las siguientes categorías:
(1) Carga concentrada. Esta carga es causada por el peso del componente del eje Z en la viga transversal, y su punto de aplicación varía con la posición del componente del eje Z en la viga transversal. Por lo tanto, el peso del componente del eje Z se puede tratar como una carga concentrada y se pueden analizar varias posiciones transversales. La carga concentrada que actúa sobre la viga transversal del eje Y es F_concentrada = m_Zg = 80 × 10 = 800N.
(2) Carga distribuida. Esta carga se debe principalmente al peso del eje Y. El centro de masa del travesaño siempre está en 0,5 L, por lo que el peso se puede transportar como una carga distribuida. La carga distribuida que actúa sobre la viga transversal del eje Y es F_distribuida = m_Yg = 181,91 × 10 = 1819,1N.
(3) Carga de inercia. Los movimientos de la máquina de corte por láser CNC en tres direcciones están controlados por el motor. Cuando se enciende el motor, la viga transversal del eje Y producirá una aceleración en el eje Z = (181,91+80) × 15 = 3928,65 N.
Con base en las condiciones anteriores, se establece un modelo mecánico de la viga transversal del eje Y, como se muestra en la Figura 4. La carga concentrada se aplica a la posición central cuando se carga. La fuerza de inercia de la aceleración del eje X sobre el eje Y se transmite como una carga superficial. Según el principio de traslación de fuerzas, el peso del componente del eje Z se simplifica como una fuerza y un momento que actúan en el centro de la viga transversal.
Análisis de deformación de la viga transversal del eje Y
El análisis de elementos finitos de la viga transversal del eje Y se realizó mediante simulación para obtener la distribución de deformaciones dentro del rango operativo de la máquina de corte por láser, que se utilizó para verificar la calidad del conformado en las dos condiciones de trabajo siguientes:
- Configuración de distribución de carga. El análisis de elementos finitos se realizó en tres posiciones dentro de la longitud total L: 0,5 L, 0,25 L y 0,125 L.
- Análisis del impacto de la aceleración. La deformación lateral (en la dirección Z) causada por la fuerza de inercia a lo largo del eje Y durante el arranque es insignificante. La fuerza de inercia a lo largo del eje Z se trató como una carga concentrada. Por lo tanto, el foco principal está en el efecto de la fuerza de inercia causada por la aceleración de arranque a lo largo del eje X sobre la deformación del travesaño del eje Y, para obtener la deformación del travesaño del eje Y en las peores condiciones de trabajo.
Los resultados del cálculo se presentan en formato de tabla y mapa de contorno, como se muestra en la Tabla 2 y la Figura 5.
Tabla 2: Valores máximos de deformación (mm) de la viga con carga concentrada en diferentes posiciones.
| Posición | 0.125L | 0,25 litros | 0.5L |
| Deformación máxima | 6.893e-002 | 7.097e-002 | 7.178e-002 |
Análisis modal de elementos finitos de la viga transversal del eje Y
El análisis modal se refiere al proceso de resolución de valores propios y vectores propios, también conocido como extracción de modos. La frecuencia inherente y el modo de vibración de la viga se obtuvieron mediante análisis de frecuencia de simulación. El número de frecuencia se estableció en 5, que representa el modo de quinto orden. Se seleccionó el solucionador disperso directo (solucionador de matriz dispersa) para acelerar la velocidad de resolución. Los parámetros de los primeros cinco modos se muestran en la Tabla 3. El diagrama de deformación del modo de vibración del haz transversal para cada modo con diferentes frecuencias se muestra en la Figura 6.
Tabla 3 Resultados de la solución modal
| orden modal | 1 | dos | 3 | 4 | 5 |
| Frecuencia natural /Hz |
47.183 | 133.04 | 157,67 | 173,92 | 211.85 |
Conclusión
La deformación de la viga transversal del eje Y está relacionada con la posición de los componentes del eje Z. Cuanto más cerca estén los componentes del eje Z del centro de la viga transversal, mayor será la deformación. La deformación máxima se produce en la posición central y es inferior a 0,3 mm, lo que cumple con los requisitos de ingeniería de controlar la deformación dentro de 2 mm.
