一种龙门式激光切割机床的设计方法技术

本发明专利技术公开一种龙门式激光切割机床的设计方法，该方法为：基于有限元分析软件建立当前机床各主要结构件的性能数据库；基于多体动力学软件建立机床机械模型，并根据多体动力学仿真结果得到所述机床中各个主要结构件的连接结合部对动态精度的影响以及各主要结构件的受力情况，且根据上述性能目标对各主要结构件进行模态匹配和动态精度分布；基于有限元分析软件对各主要结构件及其装配体进行优化；电气控制模型结合机床机械模型进行机电联合仿真，充分优化匹配机床机械模型和电气控制模型；对整机进行动态精度测试，微调控制参数，以实现整机性能最优化。不仅成本较低，而且提高了机床动态精度，实现高速和高精切割，机床性能达到国际先进水平。

【技术实现步骤摘要】
一种龙门式激光切割机床的设计方法
本专利技术涉及机床设计领域，尤其涉及一种龙门式激光切割机床的设计方法。
技术介绍
目前激光切割机正在向高速(v＝120m/min、a＝20m/s2)、高精度(定位精度±0.03mm)方向发展，普遍采用3轴(X/Y/Z)龙门式结构，高速运行下机床的振动冲击较大，动态精度很难保证。国内同行在进行激光切割机设计时，普遍参考国外设计方案，往往采用先制造，再根据问题进行改进的方法，未能在设计阶段充分考虑到机床的主要结构件以及电控系统对机床动态精度的影响。在遇到振动噪声大、动态精度差的情况时，往往不知道薄弱环节，进行故障排除时也只能一步步装拆进行分析，研发周期很长，成本高，而且往往很难快速找到问题的根源。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术激光加工机床普遍存在设计方法落后、设计产品动态精度、加工效率均落后于国际先进产家的现状的缺陷，提供一种龙门式激光切割机床的设计方法，该技术方案提高了机床的动态测试精度，实现了高速和高精切割，达到国际先进水平，同时缩短研发周期，降低研发成本。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种龙门式激光切割机床的设计方法，所述机床包括多个主要结构件以及各个主要结构件的连接结合部，所述方法包括以下步骤：步骤A：设定所述机床的性能目标，其中，该性能目标包括速度、加速度及动态精度；步骤B：基于有限元分析软件对所述机床中各主要结构件进行静力学分析和模态分析，根据所述静力学分析和模态分析所得到的仿真结果建立所述各主要结构件的性能数据库；步骤C：基于多体动力学软件建立机床机械模型，并根据多体动力学仿真结果得到所述机床中各个主要结构件的连接结合部对动态精度的影响以及各主要结构件的受力情况，且根据上述性能目标对各主要结构件进行模态匹配和动态精度分布；步骤D：基于有限元分析软件对各主要结构件及其装配体进行优化；步骤E：根据该性能目标建立电气控制模型，该电气控制模型与上述机床机械模型相结合进行机电联合仿真，对所述机床进行扫频分析和动态精度分析，并根据上述分析结果进行机械结构及机床控制参数优化，其中，该电气控制模型包括伺服电机、驱动器、上位机控制模型；步骤F：对所述机床进行动态精度测试，根据测试结果微调控制参数，使所述机床的性能最优化。在本专利技术所述的龙门式激光切割机床的设计方法中，所述机床包括床身、横梁、托板、切割头、X轴电机、Y轴电机、Z轴电机以及各个结构件的连接结合部。在本专利技术所述的龙门式激光切割机床的设计方法中，该主要结构件包括床身、横梁和托板。在本专利技术所述的龙门式激光切割机床的设计方法中，在步骤A中，速度为120m/min，加速度为20m/s2,动态精度为±0.02mm。在本专利技术所述的龙门式激光切割机床的设计方法中，上述步骤B具体包括以下步骤：B1.在有限元分析软件中构建横梁、床身以及托板的三维实体模型；B2.基于有限元分析软件对横梁、床身以及托板进行静力学分析和模态分析；B3.根据所述静力学分析和模态分析所得到的仿真结果建立上述横梁、床身以及托板的性能数据库，为后续优化提供数据参考。在本专利技术所述的龙门式激光切割机床的设计方法中，上述步骤C具体包括以下步骤：C1.基于多体动力学软件建立机床机械模型，并根据多体动力学仿真结果得到所述机床中各个主要结构件的连接结合部对动态精度的影响以及各主要结构件的受力情况，为所述机床中各个主要结构件的连接结合部的选型提供依据，确定最优连接结合部的参数，其中，该各个主要结构件的连接结合部包括导轨滑块和齿轮齿条；C2.计算所述机床的主要工作频率，其中，所述主要工作频率包括齿轮齿条啮合频率和电机激励频率；C3.根据动态精度、电机激励频率以及连接结合部的刚度要求，设计横梁、床身和托板，并分配横梁、床身和托板的模态值及静力学变形值。在本专利技术所述的龙门式激光切割机床的设计方法中，上述步骤D具体包括以下步骤：D1.在有限元分析软件中构建结构件及其装配体的三维实体模型；D2.根据所分配的模态值及连接结合部的刚度要求，并基于有限元分析软件对横梁、托板、床身及其各自装配体避开电机激励频率，同时对横梁、托板和床身进行模态解耦。在本专利技术所述的龙门式激光切割机床的设计方法中，上述步骤E具体包括以下步骤：E1.根据该性能目标建立电气控制模型，该电气控制模型与上述机床机械模型相结合进行机电联合仿真；E2.对所述机床进行扫频分析和动态精度分析，并根据上述分析结果进行机械结构及机床控制参数优化，使电气控制模型与机床机械模型达到最佳匹配，最大限度优化机床的动态精度。在本专利技术所述的龙门式激光切割机床的设计方法中，上述步骤F具体包括以下步骤：F1.基于海德汉动态精度测试仪设计实验工装，编制测试方案；F2.测试不同工况下机床的动态精度，根据测试结果对控制参数进行微调，使所述机床的性能最优化。实施本专利技术的技术方案，具体以下有益效果：采用有限元分析软件进行模态分析以及采用机电联合仿真进行精度匹配，在设计阶段充分考虑各个主要结构件对机床动态精度的影响，优化结构和控制参数，使机床动态精度满足设计要求；并在设计完成后对机床进行动态精度测试，根据测试结果对控制参数进行微调，使整机性能最优化，不仅成本较低，而且提高了机床动态精度，实现高速和高精切割，机床性能达到国际先进水平。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术龙门式激光切割机床的设计方法的流程图；图2是本专利技术龙门式激光切割机床的结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。请参阅图1，图1是本专利技术龙门式激光切割机床的设计方法的流程图，如图1所示，在本实施例中，所述机床包括多个主要结构件以及各个主要结构件的连接结合部，所述方法包括以下步骤：步骤A：设定所述机床的性能目标，其中，该性能目标包括速度、加速度及动态精度。步骤B：基于有限元分析软件对所述机床中各主要结构件进行静力学分析和模态分析，根据所述静力学分析和模态分析所得到的仿真结果建立所述各主要结构件的性能数据库。步骤C：基于多体动力学软件建立机床机械模型，并根据多体动力学仿真结果得到所述机床中各个主要结构件的连接结合部对动态精度的影响以及各主要结构件的受力情况，且根据上述性能目标对各主要结构件进行模态匹配和动态精度分布。步骤D：基于有限元分析软件对各主要结构件及其装配体进行优化。步骤E：根据该性能目标建立电气控制模型，该电气控制模型与上述机床机械模型相结合进行机电联合仿真，对所述机床进行扫频分析和动态精度分析，并根据上述分析结果进行机械结构及机床控制参数优化，其中，该电气控制模型包括伺服电机、驱动器、上位机控制模型。步骤F：对所述机床进行动态精度测试，根据测试结果微调控制参数，使所述机床的性能最优化。请结合参阅图2，图2是本专利技术所述龙门式激光切割机床的结构示意图，如图2所示，该机床包括床身1、横梁2、托板3、切割头4、X轴电机5、Y轴电机6、Z轴电机7以及各个结构件的连接结合部8。在本实施例中，该主要结构件包括横梁、床身和托板。下面以上述主要结构件为例阐述龙门式激光切割机床的设计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种龙门式激光切割机床的设计方法，其特征在于，所述机床包括多个主要结构件以及各个主要结构件的连接结合部，所述方法包括以下步骤：步骤A：设定所述机床的性能目标，其中，该性能目标包括速度、加速度及动态精度；步骤B：基于有限元分析软件对所述机床中各主要结构件进行静力学分析和模态分析，根据所述静力学分析和模态分析所得到的仿真结果建立所述各主要结构件的性能数据库；步骤C：基于多体动力学软件建立机床机械模型，并根据多体动力学仿真结果得到所述机床中各个主要结构件的连接结合部对动态精度的影响以及各主要结构件的受力情况，且根据上述性能目标对各主要结构件进行模态匹配和动态精度分布；步骤D：基于有限元分析软件对各主要结构件及其装配体进行优化；步骤E：根据该性能目标建立电气控制模型，该电气控制模型与上述机床机械模型相结合进行机电联合仿真，对所述机床进行扫频分析和动态精度分析，并根据上述分析结果进行机械结构及机床控制参数优化，其中，该电气控制模型包括伺服电机、驱动器、上位机控制模型；步骤F：对所述机床进行动态精度测试，根据测试结果微调控制参数，使所述机床的性能最优化。

【技术特征摘要】
1.一种龙门式激光切割机床的设计方法，其特征在于，所述机床包括多个主要结构件以及各个主要结构件的连接结合部，所述方法包括以下步骤：步骤A：设定所述机床的性能目标，其中，该性能目标包括速度、加速度及动态精度；步骤B：基于有限元分析软件对所述机床中各主要结构件进行静力学分析和模态分析，根据所述静力学分析和模态分析所得到的仿真结果建立所述各主要结构件的性能数据库；步骤C：基于多体动力学软件建立机床机械模型，并根据多体动力学仿真结果得到所述机床中各个主要结构件的连接结合部对动态精度的影响以及各主要结构件的受力情况，且根据上述性能目标对各主要结构件进行模态匹配和动态精度分布；步骤D：基于有限元分析软件对各主要结构件及其装配体进行优化；步骤E：根据该性能目标建立电气控制模型，该电气控制模型与上述机床机械模型相结合进行机电联合仿真，对所述机床进行扫频分析和动态精度分析，并根据上述分析结果进行机械结构及机床控制参数优化，其中，该电气控制模型包括伺服电机、驱动器、上位机控制模型；步骤F：对所述机床进行动态精度测试，根据测试结果微调控制参数，使所述机床的性能最优化。2.根据权利要求1所述的龙门式激光切割机床的设计方法，其特征在于，所述机床包括床身、横梁、托板、切割头、X轴电机、Y轴电机、Z轴电机以及各个结构件的连接结合部。3.根据权利要求2所述的龙门式激光切割机床的设计方法，其特征在于，该主要结构件包括床身、横梁和托板。4.根据权利要求1所述的龙门式激光切割机床的设计方法，其特征在于，在步骤A中，所述机床的速度为120m/min，所述机床的加速度为20m/s2,所述机床的动态精度为±0.02mm。5.根据权利要求3所述的龙门式激光切割机床的设计方法，其特征在于，上述步骤B具体包括以下步骤：B1.在有限元分析软件中构建横梁、床身以及托板的三维实体模型；B2.基于有限元分析软件对横梁、床身以及托板进行静力学分析和模态分...

【专利技术属性】
技术研发人员：范国成，万虹，肖俊君，陈根余，陈燚，高云峰，
申请(专利权)人：深圳市大族激光科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44