多功能激光切割焊接机的设计与研究

蔡知旺，文怀兴，雷奇红，胡传波

（陕西科技大学机电学院，陕西 西安 710021）

多功能激光切割焊接机的设计与研究

蔡知旺，文怀兴，雷奇红，胡传波

（陕西科技大学机电学院，陕西 西安 710021）

激光切割焊接机机械部分的设计是影响激光加工效率和质量的重要因素。本文设计了一种直线电机驱动的高速、高精度多功能激光切割焊接机，利用有限元分析软件ANSYS研究了多功能激光切割焊接机横梁的静、动态特性。其方法和结论对激光切割焊接机产品的研发有一定的指导意义和参考价值。

激光切割机；直线电机；焊接；高速；高精；有限元分析

激光加工技术作为一种热加工技术，以其加工速度快、加工质量好、热影响区小和工作环境好等优点得到工业界的青睐。现有的激光切割机和焊接机是独立的设备，限制了激光切割机和激光焊接机的使用范围。而且由于激光加工的功能单一，导致激光切割和激光焊接需分别配置激光器，激光器一次性投资较大。另外，近几年来，激光切割焊接技术不断向汽车、航空航天、钣金、模具等精密加工领域扩展，激光切割焊接机逐步向高精度、高速度、智能化趋势发展。目前，关于激光切割焊接机的研究大多局限于控制系统，而对其机械结构部分仍然基于传统结构设计，而且在国内由于技术储备和认识不足，近几年研发的激光切割焊接机大都采用传统的滚珠丝杠加伺服电机的传动方式，速度一般不超过100m/min，加速度不超过1.2g，定位精度不超过0.05mm，对切割焊接的效率和精度的提升效果不明显。

本文采用直线电机驱动，直线电机是直接驱动从动负载，而不需要任何中间转换机构的传动装置。与传统的滚珠丝杠加伺服电机传动方式相比，具有以下优点：①速度范围宽，可从1m/min到360m/min；速度特性好，速度偏差可达0.01%以下；②采用高分辨率光栅尺，定位精度可达0.1μm，定位精度高；③加速度大，可达 30g；④行程可以无限加长，可根据实际需求选择定子的数量。⑤结构简单，噪声小，有散热通道，没有反向间隙，运行平稳。目前国外高端激光切割焊接机基本上都采用直线电机直接驱动的方式，定位速度达6m/s，加速度达5g，定位精度达0.01mm，激光加工效率和精度均处于领先水平。

1 整体结构设计

图1 激光切割焊接机整体结构设计

多功能激光切割焊接机整体结构设计如图1所示。整体设计采用横梁移动式龙门双边同步驱动结构。横梁移动式相比于龙门移动式、工作台移动式具有很多优势，如：更高的移动速度和加速度、更好的伺服运动性能、更快的响应速度等。龙门双边驱动与单边驱动机构、悬臂结构相比具有刚度高、响应速度快等显著优点，目前高精、高速激光切割焊接机都是采用这种结构形式。X、Y、Z轴均采用直线电机驱动。X、Y、Z轴设置有定位销、基准面，保证零件之间相对的平行度和垂直度。特别是在安装导轨时，可以用基准面、导轨调整块、G型夹等保证精度。X、Y、Z轴的最高定位速度可达到240m/min，单轴最高加速度可达2g，如图2所示。X轴对称的水平安装在大理石底座的两端，采用光栅尺实时将运动位置反馈给控制系统，形成闭环控制，定位精度达0.02mm，重复定位精度达到0.01mm。在X、Y轴行程的极限位置分别设有PU材料的防撞装置，防止操作者使用不当、突然断电或者机器故障使运动部件失控，防止意外发生，保护人员安全。

图2 直线电机速度和位置误差监测界面

机身由大理石结构组成，刚性、防震性、高速稳定性好、平面度高、噪声小。机架采用一定规格的方通焊接结构，先退火后进行机械加工，然后进行振动时效处理，完全清除焊接和机加工残余内应力，保证高精度、长期稳定性。

2 横梁设计与仿真

2.1 横梁设计

横梁是多功能激光切割焊接机关键部件，其静、动态特性直接关系到整个设备的性能。与传统的通过增加材料厚度和重量来提升刚度的设计方法不同，激光切割焊接机的横梁在保证有良好的静、动态刚度的同时，还要将厚度和重量控制在合理的范围内。该横梁采用铝合金铸造式结构，中间采用O形板筋结构设计，具有刚度高、抗振性好、重量轻、成本低等优点。

2.2 横梁仿真

本节采用有限元法对横梁的静、动态力学特性进行计算和分析，包括重力作用下的变形分析、X向冲击载荷作用下的变形分析、Y轴电机磁吸力作用下的变形分析。根据圣维南原理，在不影响计算精度的前提下，对结构做适当简化。

利用三维建模软件Solidworks建立多功能激光切割焊接机的横梁几何模型，如图3所示。把Solidworks软件中完成的多功能激光切割焊接机横梁实体模型导入ANSYS Workench软件中进行有限元模型的建立。然后进行横梁材料参数的设定。利用 ANSYS Workench软件自动网格划分功能进行模型网格划分。根据结构工作状态，在约束边界条件下研究龙门式机床横梁的结构动态特性。根据机床的结构，横梁是两端局部固定约束，所以在固定约束的地方需要先做表面印记，因为是从外部导入的模型，所以在做表面印记之前必须要对模型进行解冻，做完表面印记之后，对横梁进行固定约束。然后根据横梁的实际受力情况，施加载荷。最后对横梁进行计算和分析。

图3 横梁3D结构

图4 横梁静态变形云图

如图4所示，横梁在自身重力和负载重力作用下，最大变形量为0.005mm，变形量小，能够满足静态刚度要求。通常，直线电机的电磁吸力约为电机峰值推力的 3～5倍，横梁在电磁吸力的作用下，容易引起横梁的弹性变形，导致动子和定子间机械气隙的变化，对设备运行的稳定性影响会很大。本文中Y轴直线电机峰值推力1500N。Y轴电机磁吸力引起的横梁弹性变形如图5所示，横梁的最大变形量（顶部）为0.025mm，最大变形量为红色区域范围比较小，且变形量不大，能够满足刚度要求，静态特性较好。横梁在X向2g加速度冲击载荷作用下的变形如图6所示，最大变形量（顶部）为0.026mm，最大变形量为红色区域范围比较小，且变形量在允许范围之内，产生的变形量可以通过编程进行补偿，以达到设计要求。

图5 Y轴电机磁吸力引起的横梁的变形

图6 X向2g冲击载荷作用下横梁的变形云图

3 结语

（1）设计了一种直线电机直接驱动的高速度、高精度的多功能激光切割焊接机。

（2）采用有限元法研究了横梁的静、动态特性。根据仿真结果分析得出，横梁的静、动态刚度特性较好，说明了横梁结构的合理性。其研究方法和结论对激光切割焊接机的产品的研发具有指导意义。

（3）多功能激光切割焊接机采用一种全新的驱动方式——直线电机驱动，由于省略了中间传动环节，其动态性能明显提升，最高定位速度达到240m/min，单轴最高加速度达到2g；采用光栅尺进行实时位置反馈，形成闭环控制，其定位精度可达0.02mm，重复定位精度可达0.01mm；切割焊接效率和质量较传统的滚珠丝杠加伺服电机有了明显提升。

（4）该机型配有多功能激光加工头，对同一种金属板材，不改变工艺头，以任意顺序实现三维切割和焊接任务，可以实现一机多用，降低了生产成本。

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Design and research of multifunctional laser cutting and welding machine

CAI Zhiwang，WEN Huaixing，LEI Qihong，HU Chuanbo
（Department of Mechanical,Shaanxi University of Science and Technology,Xi'an 710021,Shaanxi China）

A high speed and precision multifunctional laser cutting and welding machine driven by linear motor has been designed in the text.The finite element analysis software ANSYS has been adopted to study the static and dynamic characteristics of beam for the multifunctional laser cutting and welding machine.The method and conclusion provide certain guiding significance and reference to the research and development of laser cutting and welding machine.

Linear motor drive;High speed;High precision;Multifunctional laser cutting and welding machine;Finite element analysis

TG485

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.005

1672-0121（2017）04-0019-03

2017-01-20；

2017-03-26

陕西科技大学科研启动基金项目（BJ10-07）

蔡知旺（1992-），男，硕士在读；文怀兴（1957-），男，教授，博导，主要从事数字化产品设计与制造、机电一体化设备与控制、数控技术、成形工艺等研究。E-mail：448786447@qq.com