Máquina de corte a laser CNC: cálculo de deformação do feixe do eixo Y e análise modal

Máquina de corte a laser CNC: cálculo de deformação do feixe do eixo Y e análise modal

A máquina de corte a laser CNC é uma máquina-ferramenta que usa o laser como ferramenta de corte para processar peças de trabalho. O hardware principal inclui base da máquina, viga transversal, mesa de trabalho, laser, cabeça de corte, estabilizador, resfriador, gabinete de controle elétrico, fonte de gás (oxigênio, nitrogênio, ar), etc.

O sistema inclui sistema elétrico, sistema mecânico, sistema de passagem de ar, sistema óptico, sistema hidráulico, sistema de lubrificação, sistema de refrigeração, etc.

Neste artigo, análises estáticas e modais de elementos finitos foram conduzidas no importante componente da máquina de corte a laser CNC – o feixe do eixo Y. O método tridimensional de elementos finitos foi usado para analisar a deformação da viga do eixo Y sob várias condições típicas de trabalho, extrair a lei de deformação, estabelecer um modelo tridimensional baseado no software SolidWorks e conduzir a análise de elementos finitos da viga usando o Simulation. módulo.

Com base nisso, foi realizada uma análise modal na viga do eixo Y para resolver as frequências naturais das primeiras cinco ordens e os modos de vibração correspondentes, para verificar a viabilidade da estrutura de projeto e para fornecer uma base teórica para o tamanho da estrutura. e projeto de otimização de equipamentos mecânicos.

A máquina de corte a laser CNC é um equipamento ideal para processamento de chapas metálicas, amplamente utilizado em indústrias como armários de distribuição, computadores, máquinas têxteis, instrumentos e medidores, automóveis, elevadores e máquinas de grãos, tanto nacional quanto internacionalmente.

O laser pertence ao processamento sem matriz, com forte flexibilidade de processamento, o que pode encurtar o ciclo de desenvolvimento de novos produtos na indústria de chapas metálicas, melhorar a precisão e intercambialidade do produto e é particularmente adequado para processamento de pequenos lotes de várias variedades.

A deformação e vibração do feixe do eixo Y no trabalho real afetarão diretamente a precisão do processamento da cabeça de corte a laser.

Para garantir a praticidade e precisão de processamento do equipamento, a estrutura real é discretizada em grades de elementos utilizando o método dos elementos finitos. Cada elemento tem uma forma simples e é conectado por meio de nós. A quantidade desconhecida em cada elemento é o deslocamento do nó. A matriz de rigidez de cada elemento individual é combinada para formar a matriz de rigidez geral de todo o modelo. A tensão de cada elemento é calculada pela mudança de deslocamento no nó.

Princípio de funcionamento e estrutura de feixe da máquina de corte a laser CNC

A indústria de corte a laser passou por mais de 60 anos de desenvolvimento desde a sua criação em 1960. Ela passou por várias mudanças importantes, de YAG (laser de cristal) para CO2 (laser de dióxido de carbono) e agora para laser de fibra.

O princípio de funcionamento de uma máquina de corte a laser é que o feixe de laser gerado pelo laser é emitido através da lente para focar em um pequeno ponto no ponto focal. O ponto aquece o material e o feixe de laser se move ao longo do material para completar o processo de corte.

As máquinas de corte a laser CNC usam uma estrutura de pórtico. A sela deslizante se move ao longo do trilho-guia direcional X na cama, enquanto a viga transversal é equipada com um trilho-guia linear horizontal (direcional Y). O componente do eixo Z é conectado ao trilho guia direcional Y através de um controle deslizante e a cabeça de corte a laser é instalada na placa deslizante do eixo Z. A cama está fixada na fundação e pode ser vista como um corpo rígido.

Devido à grande relação comprimento-diâmetro e à flexibilidade da viga transversal do eixo Y, ela é propensa à deformação e, portanto, torna-se um dos principais componentes que afetam a precisão das máquinas de corte a laser.

A estrutura do eixo Y é mostrada na Figura 1, onde a viga transversal tem função de suporte, exigindo que o material tenha boa rigidez e tenacidade, conforme mostrado na Tabela 1.

Figura 1: Modelo sólido da viga transversal do eixo Y
Tipo de material Soldagem Q235-A
Densidade 7.860 kg/m3
Módulo elástico 212GPa
Razão de Poisson 0,288

Estabelecendo um modelo de cálculo de elementos finitos para a viga transversal do eixo Y

Antes de analisar o modelo, a viga transversal do eixo Y é simplificada com base nas características da estrutura principal e na carga de trabalho da máquina de corte a laser. Após a simplificação, é estabelecido um modelo sólido simplificado de análise de elementos finitos da viga transversal do eixo Y, conforme mostrado na Figura 2.

(1) A estrutura geral da máquina de corte a laser CNC é simétrica e as forças de suporte são basicamente equilibradas. A viga transversal do eixo Y é feita de placa de aço de 2,5 mm de espessura dobrada com uma placa de montagem em trilho guia de 20 mm de espessura e é submetida a tratamento de recozimento e envelhecimento por vibração. A estrutura é relativamente simétrica no plano Y/Z, e a força externa está principalmente no plano Y/Z, e a deformação ocorre principalmente no plano Y/Z.

(2) As dimensões dos chanfros e furos roscados em relação à viga transversal do eixo Y são pequenas e podem ser ignoradas. Componentes como a placa de amortecimento e a placa de transição de conexão ajudam a aumentar a rigidez da viga transversal. Ignorá-los não afetará os requisitos reais da engenharia.

(3) Quando a máquina de corte está em operação, a viga transversal do eixo Y suporta principalmente os efeitos da força concentrada e da força de inércia.

O modelo sólido é criado usando o SolidWorks e depois simplificado antes de ser importado para o Simulation para geração de malha. Com base na natureza complexa da estrutura real, a malha é ajustada manualmente após a malha automática. A Figura 3 mostra a estrutura real da malha após a geração da malha, com um total de 35.388 elementos e 55.241 nós.

Nome de exemplo Análise de aplicação
Mesher usado grade padrão
Transição automática fechar
Inclui anel automático de malha fechar
Ponto Jacobi quatro pontos
Inspeção Jacobi da concha abrir
Tamanho da célula 41,9985 mm
Tolerância 2,09992 mm
Qualidade da grade alto
Número total de nós 55241
Número total de unidades 35388
Tempo para completar a grade (hora: minuto: segundo) 00:00:41
Figura 3: Malha de elementos finitos da viga transversal

A viga transversal do eixo Y é fixada e conectada à placa de transição por meio de parafusos M10, que se movem junto com a sela deslizante na direção do eixo X. De acordo com as propriedades mecânicas da carga e sua distribuição na estrutura, a carga pode ser dividida nas seguintes categorias:

(1) Carga concentrada. Esta carga é causada pelo peso do componente do eixo Z na viga transversal, e seu ponto de aplicação varia com a posição do componente do eixo Z na viga transversal. Portanto, o peso do componente do eixo Z pode ser tratado como uma carga concentrada e diversas posições transversais podem ser analisadas. A carga concentrada que atua na viga transversal do eixo Y é F_concentrada = m_Zg = 80 × 10 = 800N.

(2) Carga distribuída. Esta carga se deve principalmente ao peso do eixo Y. O centro de massa da travessa está sempre em 0,5L, portanto o peso pode ser carregado como uma carga distribuída. A carga distribuída que atua na viga transversal do eixo Y é F_distributed = m_Yg = 181,91 × 10 = 1819,1N.

(3) Carga de inércia. Os movimentos da máquina de corte a laser CNC nas três direções são controlados pelo motor. Quando o motor é ligado, a viga transversal do eixo Y produzirá aceleração no eixo X e o componente do eixo Z produzirá cargas de inércia nas direções dos eixos Y e Z. A fórmula para calcular a carga de inércia é F_inércia = m(Y+Z)ax = (181,91+80) × 15 = 3928,65N.

Com base nas condições acima, é estabelecido um modelo mecânico da viga transversal do eixo Y, conforme mostrado na Figura 4. A carga concentrada é aplicada na posição central quando carregada. A força de inércia da aceleração do eixo X no eixo Y é carregada como uma carga superficial. De acordo com o princípio da translação da força, o peso do componente do eixo Z é simplificado como uma força e um momento atuando no centro da viga transversal.

Figura 4: Diagrama esquemático da carga atuante na travessa.

Análise de deformação da viga transversal do eixo Y

A análise de elementos finitos da viga transversal do eixo Y foi realizada usando Simulação para obter a distribuição de deformação dentro da faixa de operação da máquina de corte a laser, que foi usada para verificar a qualidade da conformação nas duas condições de trabalho a seguir:

  • Configurações de distribuição de carga. A análise de elementos finitos foi realizada em três posições dentro do comprimento total L: 0,5L, 0,25L e 0,125L.
  • Análise de impacto de aceleração. A deformação lateral (na direção Z) causada pela força de inércia ao longo do eixo Y durante a partida é insignificante. A força de inércia ao longo do eixo Z foi tratada como uma carga concentrada. Portanto, o foco principal está no efeito da força de inércia causada pela aceleração de inicialização ao longo do eixo X na deformação da travessa do eixo Y, para obter a deformação da travessa do eixo Y nas piores condições de trabalho.

Os resultados dos cálculos são apresentados em formato de tabela e mapa de contorno, conforme mostrado na Tabela 2 e Figura 5.

Tabela 2: Valores máximos de deformação (mm) da travessa com carga concentrada em diferentes posições.

Posição 0,125L 0,25L 0,5L
Deformação máxima 6.893e-002 7.097e-002 7.178e-002
Figura 5: Deformação total da travessa com força aplicada em diferentes posições.

Análise modal de elementos finitos da viga transversal do eixo Y

A análise modal refere-se ao processo de resolução de autovalores e autovetores, também conhecido como extração de modo. A frequência inerente e o modo de vibração da viga mestra foram obtidos usando análise de frequência de simulação. O número da frequência foi definido como 5, que representa o modo de 5ª ordem. O solucionador esparso direto (solucionador de matriz esparsa) foi selecionado para acelerar a velocidade de resolução. Os parâmetros dos primeiros cinco modos são mostrados na Tabela 3. O diagrama de deformação do modo de vibração da viga cruzada para cada modo com diferentes frequências é mostrado na Figura 6.

Figura 6 Deformação dos modos de vibração da viga mestra em diferentes frequências.

Tabela 3 Resultados da solução modal

Ordem modal 1 2 3 4 5
Frequência natural
/Hz
47.183 133.04 157,67 173,92 211,85

Conclusão

A deformação da viga transversal do eixo Y está relacionada à posição dos componentes do eixo Z. Quanto mais próximos os componentes do eixo Z estiverem do centro da viga transversal, maior será a deformação. A deformação máxima ocorre na posição central e é inferior a 0,3 mm, o que atende aos requisitos de engenharia de controle da deformação dentro de 2 mm.

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