激光切割机机架力学分析及仿真流程

针对激光切割机的机架进行力学分析（包括结构和搬运受力分析），激光切割设备机架仿真流程如图5-34所示。

图5-34　激光切割设备机架仿真流程图

激光切割设备机架结构仿真如图5-35所示。大板单位变形量（每米长度变形量）：实际变形为1.7 mm，目标变形量小于0.08 mm，收放卷模组安装变形量实际值2.5 mm，目标值0.4 mm。

激光切割设备大板变形仿真如图5-36 所示，在满载荷下最大变形量为0.134 mm，空载变形量为0.14 mm，集中在图A 与图B区域。

激光切割设备仿真方案对比如图5-37所示，研究底部机架仿真、方通弯曲仿真、立架仿真等，优化机架结构设计，建立改善的方案。图5-38是双叉车搬运与3倍重力左右下的机架应力仿真图，图5-39是单叉车搬运与3倍重力左右下的机架应力仿真图。在双叉车搬运下，不发生永久性变形，最大变形量是5.4 mm。在单叉车搬运下，最大变形量是3.75 mm。

图5-35　激光切割设备机架结构仿真图

图5-36　激光切割设备大板变形仿真图

图5-40是吊车搬运与3倍重力左右下的机架应力仿真图。在吊车搬运下，不发生永久性变形，最大变形量是5.4 mm。在吊车搬运下最大变形量是3.44 mm。叉车及吊车搬运均不使机架发生永久性变形，最大变形量是5.4 mm，机架刚度可满足要求。

图5-37　激光切割设备仿真方案对比

图5-38　双叉车搬运与3倍重力左右下的机架应力仿真图

图5-39　单叉车搬运与3倍重力左右下的机架应力仿真图

图5-40　单吊车搬运与3倍重力左右下的机架应力仿真图

研究脚杯着地个数对激光切割整机变形量的影响。不同脚杯着地个数的激光切割设备机架受力仿真图分别如图5-41、图5-42、图5-43、图5-44所示。如图5-41所示，设置脚杯数量为4个（角落4个），最大变形为9.99 mm。如图5-42所示，设置脚杯数量为8 个（角落4 个+激光模组4 个），最大变形为3.85 mm。如图5-43所示，设置脚杯数量为10个，最大变形量为2.53 mm。图5-44 是26脚杯着地激光切割设备机架受力仿真图。

图5-41　4脚杯着地激光切割设备机架受力仿真图

图5-42　8脚杯着地激光切割设备机架受力仿真图(www.xing528.com)

脚杯数量：10个，最大变形量：2.53 mm。

从图5-41～图5-44中不同脚杯着地激光切割设备机架受力仿真可以看出，脚杯着地数量越多，机架变形量越小，26个脚杯同时接触地面时的机架变形量为最佳效果，脚杯数量26个时，最大变形量为0.27 mm，但需确保每个脚杯的扭力大小。图5-45所示的是激光切割设备脚杯标号。激光切割设备脚杯受力分析如图5-46所示。

图5-43　10脚杯着地激光切割设备机架受力仿真图

图5-44　26脚杯着地激光切割设备机架受力仿真图

图5-45　激光切割设备脚杯标号图

图5-46　激光切割设备脚杯受力分析图

脚杯受力计算（提取并整理脚杯受力）：z 方向为重力方向，x 方向为由放卷指向收卷，y 方向为由前面指向背面。

脚杯调节扭力计算：

扳手扭力T=螺旋副的摩擦阻力矩T1+脚杯端面与地面之间的摩擦阻力矩T2

式中：F 为脚杯轴向受力；d 为螺杆中径；φ 为螺纹中径处升角，φ=，np=导程；φf 为当量摩擦角，φf=；f 为螺旋副之间的摩擦系数，β为牙型角，牙型角取30°；D1为脚杯端面直径。

地脚螺栓规格：M30，导程3.5 mm，脚杯螺栓与螺母之间的摩擦系数f=0.15。

螺杆中径d=30 mm，导程np=3.5 mm；φ==2.13°；φf==8.83°；D1=120 mm。

不同场地的地面水平不一样，安装时只需按软件求出每个脚杯的扭力值后用扭力扳手进行校准即可，可视同在不同场地安装的机架变形量大致相同。通过有限元分析，对机架方案进行分析—优化—分析循环改善，确定最终机架方案。表5-5所示的是机架方案，表5-6所示的是机架方案关键设计要素。

表5-5　机架方案

表5-6　机架方案关键设计要素