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.

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.

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.

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.

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.

Tabela 3 Resultados da solução modal

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.