一种小型数控雕刻机机械结构优化设计_李士弘

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《新技术新工艺》 ·数字技术与机械加工工艺装备 2010 年 第 2 期
体最大变形量为 0 .025 mm , 达到一般广告 雕刻的 设计要求 。 3 .2 结构动力学分析
在结构动态分析中 , 将结构谐响应分析作为主 要分析内容 , 考察机床的固有频率 。如果机床的固 有频率与切削时主轴上的切削力激振频率接近 , 则 机床易引起共振 , 机构变形量较大 , 影响加工精度 。 一般认为 , 机械结构的固有频率越高 , 动刚度越好 。 3 .2 .1 前处理
圆柱导轨在划分时应使网格均匀规则 。可以在简化
模型时将其上的螺孔去除 , 使其成为规则的几何形
体 。可以看到网格划分后共生成 15 245 个节点和 14 769 个单元 , 如图 3a 所示 。
打开 New analysi s 工具 , 建立 S tati c structural
仿真 。 将底部连接板的 2 个底面约束为 Fi xed support 。在主轴电动机的 下端施加 Remo te f orce , 大
前处理包括模型的建立 、简化与导入 , 材料及接 触面定 义 , 网 格 化 分 , 约 束 和 载荷 的 施 加 等 。 在 S olidWo rks 中首先将图 1 模型中的连接紧 固件去 掉 , 因为在结构受力时 , 这些零 件上将承受很 大应 力 , 在结果显示中这些部位将突出显示 , 从而削弱真
图 1 数控雕刻机机械结构布局
2 机械结构的参数化建模与简化
雕刻机机 械 结构 的 参数 化 建模 主 要在 Solid Works 中进行 , 这样可以很方便地根据优化结果对 模型进行修改 。 通常在有限元分析前 , 还需要对模 型进行适当的简化 。 这是因为当零件或装配设计本 身较为复杂时 , 建立的模型就包含很多细节 , 在分析 结构的不同特性时 , 某些细节并不需要考虑 。 如果 不进行简化 , 对这些细节也进行分析计算 , 会导致分 析计算量大而占用太大的存储空间或增加计算中出 错的几率 。另外 , 由于分析结果中这些细节部位的 变形量和应力较大 , 使得某些部位的变形量显示不 出来 , 掩盖了真正要关心问题 。因此 , 对要分析的模 型进行适当的简化是优化过程中的重要一步 。模型 的简化方案应建立在仿真分析内容的基础上 , 不同 的问题简化的内容应有所不同[ 2] 。
关键词 :静 、动态特性 ;优化设计 ;A nsy sWo rkbench 中图分类号 :T H 113 文献标志码 :B
Mechanical Structure Optimization Design of a Small CNC Engraving Machine
LI Shiho ng , N IN G Shengke , M A Baoji , W A NG Dang li , LU O Qiliang , Z HA O Zhi (Industrial Center of Xi'an T echno lo gical U niver sity , X'ian 710032 , China)
作者简介 :孙剑(1979-), 男 , 讲师 , 主要 从事通信系 统电子 设 计自动化方面的研究 。
收稿日期 :2009 年 5 月 8 日
责任编辑 吕菁
《新技术新工艺》 ·数字技术与机械加工工艺装备 2010 年 第 2 期
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孔中 , 起到横梁支撑与 X 轴导向作用 。 X 轴滑块连 接 Z 轴上下板 , 与 Z 轴圆柱导轨及 Z 轴滑块一起构 成 Z 轴机构 。 各轴的进给运动均采用步进 电动机 驱动滚珠丝杠副的方式 。
图 3 静力分析网格划分与变形图
3 .1 .2 求解 点击 Solve 进行求解 。 在 Soluti on 中添加 T o-
t al Def ormat ion 和 Equivalent S tress 观察机构受力 后的应力与应变响应情况 。 计算结果如图 3b 所示 。 可以看到在主轴受力后 , 机构应力较大区域主要在 各轴圆柱导轨上 , 因此为了提高圆柱导轨的强度 , 我 们选用了外径 20 m m 的轴承钢作为导轨 。 机构整
针对调试环节存在的问题 , 提出了基于 EDA 设计 数据的数字化调试方案 。 该方案通过计算机辅助手 段 , 快速生成调试过程所需的技术文档 , 实现调试过 程的动态管理和调试信息的快速反馈 , 并且能够以 图形图像方式形象逼真地反映调试需求 、信息 、过程 和结果 。
数字化调试技术符合我国电子信息产业发展的 需要 , 其研究成果有利于增强电子整机的研制能力 , 提高电子行业的电子设计自动化水平 , 一旦投入实 用 , 必将产生巨大的经济效益和社会效益 。
在数控雕刻机的机械结构中 , 主要的支撑零件
(包括底部前 、后板 , 立柱 , Z 轴上下板 , 各轴的滑块) 材料选择铝合金 , 其密度 2 .77 ×10 -6 kg/ mm3 , 杨氏
模量 71 G Pa , 泊松比 0 .33 。 各轴圆柱导轨的材料选 择结构钢 , 其杨氏模量 200 G Pa , 泊松比 0 .3 , 密度 7 .85 ×10-6 kg/ m m3 。
根据以上谐响应分析结果 , 我们将 Y 轴圆柱导 轨改为采用开式滑座的形式 , 并对模型进行了相应 地修改 , 其结构如图 7 所示 。 在不改变其他前处理 参数的情况下 , 得到分析结果如图 8 所示 。
图 4 初始结构模型 图 5 模拟动态载荷施加
将雕刻机 2 个底面完全约束(Fix ed Suppo rt)。 如果用 3 .175 mm 的双刃平底铣刀加工时 , 利用铣 削切削力 计算公式[ 4] 得到载荷大小 。 在实际加 工 中 , 主轴上的载荷应是动态的 , 在不考虑主轴轴向力 的情况下 , 我们设定 4 个应力 , 大小为 100 N , 相位 相差 π/ 2 , 如图 5 所示 。 3 .2 .2 结构谐响应分析与优化
考虑到降低雕刻机的制造成本 , 我们采用了结 构简单且刚性较好的龙门式布局 , 如图 1 所示 。 主 要结构有底座 、导轨 、龙门架 、工作台和主轴组件等 部分 。 2 块 15 mm 厚的 L 形铝板底部与 Y 轴滑块 固定作为立柱 , 2 块铝板的上部也用铝板连接起到 稳定作用 。Y 轴圆柱导轨的两端分别安装在底部前 板和底部后板的安装孔中 , 起到支撑龙门架与 Y 轴 导向 作用 。X 轴圆 柱导 轨安 装在两 立柱 上的 安装
1)雕刻机比数控铣床消耗功率小 。 雕刻机很 少使用工业用电 , 一台数控雕刻机额定功率一般小 于 2 kW 。
2)可以获得较高加工精度 。 由于雕刻机一般 均采用高速电主轴配合各种专用刀具(如平底锥刀 等), 且刀具回转半径一般为 0 .1 ～ 5 mm , 故可实现 更小的材料去除量 , 达到较高的加工精度 , 且加工后 表面质量较好 。
3)灵活性好 , 性价比高 。对于不同的被加工材 料 , 可以选用不同的主轴(直流电动机或电主轴等)
和加工参数 。由于其机械结构简单 , 控制部分易实 现模块化 , 使得雕刻机制造成本显著降低 。因此 , 数 控雕刻机已广泛地应用于模具雕刻 、广告雕刻 、木工 与印章雕刻等行业 。
1 数控雕刻机基本机械结构设计
立柱上 , 因此要提高机构的动刚度 , 改善动态特性就 有必要对圆柱导轨及立柱进行结构优化 。
4 机械结构静 、动态特性优化
首先对机床动态特性进行优化 。 为了提高机床 的动刚度 , 以提高机床的固有频率为优化目标 , 希望 通过结构优化使得固有频率得到提高 , 并大于机床 切削时的最大激振频率 300 H z(相当于主轴转速为 9 000 r/ min)。 同时希望主轴在常用转速 6 000 r/ min(即激振频率为 200 Hz)时 , 机床的振动变形量 有所降低 。 4 .1 第 1 次优化
Abstract :T his pape r discussed the mechanical st ruc ture o ptimizatio n pro blem of a small CNC e ng raving machine by using Solidw o rks.A nd then the sta tic/ dy namic pr operty o f the mechanical str ucture model wa s ana lyzed and optimized by Ansy sW orkbench .T he defor mation w as reduced to the half while the natural frequency w as impr oved outside the ex citing frequency range .Finally the eco no mic value evaluation of the o ptimize pro posal w as also discussed.
参考文献
[ 1] 杨莉 , 李玉山, 关鲁君 .电子电路设计中异构印刷电路板数 据融合技术[ J] .系统工程与电子技术 , 2003, 2(25):239-244 . [ 2] 丁明清 , 李玉山 .基于 EDA 设计的调试大 纲及波形生成 技术[ J] .计算机工程与应用 , 2005 , 11:112-114.
由于 AWE 对 So lidWo rks 装配模 型的装配面
有自动识别功能 , 一般在 SolidWo rks 中的装配面在 AWE 中将被默认定义为 bonded 。 如果需要重新定
义可以通过 Co nnecti ons 工具 进行修改 , 静力分析
选默认值即可 。
网格划分时应注意要分析的关键部位 , 如各轴
小为 100 N , 方向沿 Z 轴向上 。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
3 机械结构静 、动态特性分析
3 .1 结构静态特性分析 静力学分析是结构静态特性分析的基础和主要
内容 , 它不考虑结构的惯性与内部阻尼 , 主要计算在 固定载荷作用下 , 结构所承受的应力及应变等响应 。 通过分析可以了解所设计结构的静刚度是否满足设 计要求 。 3 .1 .1 前处理
一种小型数控雕刻机机械结构优化设计
李士弘 , 宁生科 , 马保吉 , 王党利 , 罗奇亮 , 赵 志
(西安工业大学 工业中 心 , 陕西 西安 710032)
摘 要 :应用 SolidWo rks 对一 种小型数控雕 刻机机械结构进 行了三维建模 , 并利用 A nsy sWo rkbench 对机械结构的静 、动态特性进行了分析与优化 , 使机床的固有频率提高至激振频率范围以外 , 同时 变形量减小一半 。最后对优化方案进行了经济性评价 。
Key words:S tatic/ Dy namic pr operty , O ptimization de sign , A nsy sWo rkbench
近年来 , 随着加工行业对单件 、小批量 、高精度 、 复杂形体加工的要求 , 数控雕刻机在我国有了较大 发展 。这种机床其实就是一台小型化的数控铣床 , 但它与数控铣床又有着显著的不同[ 1] 。
正关心 的部位受力情 况
的显示效果 。另外 , 步进
电动机 及步进电动机 架
等非主 要承载特征也 应
去除 , 最后生成静力分析
模型 如图 2 所 示 。 通 过
Ansy s 在 SolidWorks 中
嵌 入 的 A nsysWork- 图 2 结构静力分析模型
ben ch
Environment
(AW E)接口菜单将此模型直接导入 AWE 。 这种方 法使得模型的导入更加快捷[ 3] 。
在进行结构动力学分析时 , 由于模型实体的具 体结构和质量与机构的震动特性有很大关系 , 因此 在简化模型中保留了各轴步进电动机架并用相等质 量的立方体代替步进电动机 。 丝杠部分在传动中只 承受轴向力 , 可以用圆柱连杆代替 , 其结构如图 4 所 示 。 在模型的接触面中将圆柱导轨与衬套之间设定 为摩擦接触(F rict ional), 摩擦因数为 0 .03 , 其余各 面为 Bonded 。 网格划分与静力分析时基本相同 。