一种激光切割机床的结构设计方法技术

本发明专利技术公开一种激光切割机床的结构设计方法，机床包括切割头和多个结构件，该方法包括：根据机床的设计方案，多个结构件从所述切割头处按照顺序开始标记和定义；逐个增加结构件建立多个模态分析有限元模型，并根据有限元分析计算得到每个模态分析有限元模型在切割头X方向摆动的模态频率值fn1以及在切割头Y方向摆动的模态频率值fn2；根据公式分别计算递减率vn1及递减率vn2，根据递减率vn1和递减率vn2判定每个结构件性能的强弱以及每个结构件在X方向和Y方向的强弱；分别对性能较弱的结构件以及结构件中较弱的方向进行改进。通过在设计激光切割机床阶段找出性能较弱的结构件及结构件中的弱点方向作为改进结构件的判据，从而能够达到提高整机的动态性能。

【技术实现步骤摘要】
一种激光切割机床的结构设计方法
本专利技术涉及激光加工机床设计领域，尤其涉及一种激光切割机床的结构设计方法。
技术介绍
高速高精机床保证加工精度非常重要的一个因素是机构在高速运行过程中的动态性能。在高速激光切割机床结构中，机械结构的动态性能直接影响切割精度。在一定动态力的作用下，机械结构的动态性能越好，其抗振能力越好，产生的振幅越小，加工精度越高。在三维五轴激光切割机床结构中，其大件结构如切割头连杆、横梁、床身等结构的动态性能对整机的动态性能是决定性的。因此对大件结构进行合理优化设计，是很有必要的。目前利用有限元仿真和振动测试方法对各个大件结构单独进行模态、静力学分析及优化是常规而有效的方法。但是单独对各个结构件进行分析和改进常常只能提高单个结构件的性能，而整机的性能是不确定的。当从整机考虑改进时就涉及到各个结构件的“相互匹配”问题，即找出性能较差的结构环节及结构的弱点，有针对性的进行加强，提高整机的性能。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术无法提高整机性能的缺陷，提供一种提高整机性能的激光切割机床的结构设计方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种激光切割机床的结构设计方法，所述机床包括切割头和多个结构件，假定多个结构件分别为结构件P1，结构件P2…结构件Pn,其中，n≥2；所述方法包括以下步骤：步骤a.根据所述机床的设计方案，所述多个结构件从所述切割头处按照顺序开始标记和定义，假定结构件P1为与所述切割头直接固联的结构件，结构Pn为与地面直接固联的结构件；步骤b.逐个增加结构件建立多个模态分析有限元模型，并根据有限元分析计算得到每个模态分析有限元模型在所述切割头X方向摆动的模态频率值fn1以及在所述切割头Y方向摆动的模态频率值fn2,假定多个模态分析有限元模型分别为模态分析有限元模型M1,模态分析有限元模型M2…模态分析有限元模型Mn；步骤c.根据下述公式1和公式2分别计算在所述切割头X方向摆动的模态频率值fn1所对应的递减率vn1以及在所述切割头Y方向摆动的模态频率值fn2所对应的递减率vn2，其中，公式1：vn1=(f(n-1)1-fn1）/f(n-1)1，公式2：vn2=(f(n-1)2-fn2）/f(n-1)2；步骤d.根据递减率vn1和递减率vn2判定每个结构件性能的强弱以及每个结构件在所述切割头X方向和Y方向的强弱；步骤e.分别对性能较弱的结构件以及结构件中较弱的方向进行改进。在本专利技术所述的激光切割机床的结构设计方法中，n=4。在本专利技术所述的激光切割机床的结构设计方法中，结构件P1为连杆，结构件P2为滑座，结构件P3为横梁，结构件P4为床身。在本专利技术所述的激光切割机床的结构设计方法中，在步骤b中，建立切割头和连杆装配体的模态分析有限元模型M1具体包括以下步骤：步骤b10.将连杆的三维实体模型转换后导入有限元分析软件中，并且定义材料参数；步骤b11.连杆以实体形式建模，切割头以质量点建模；步骤b12.切割头和连杆之间建立刚性连接；步骤b13.在连杆和滑座的装配面上定义连杆的固定边界条件；步骤b14.根据有限元分析计算得到模态分析有限元模型M1在切割头X方向摆动的频率值f11以及在切割头Y方向摆动的频率值f12。在本专利技术所述的激光切割机床的结构设计方法中，在步骤b中，在模态分析有限元模型M1的基础上建立切割头、连杆和滑座装配体的模态分析有限元模型M2具体包括以下步骤：步骤b20.将滑座的三维实体模型转换后导入有限元分析软件中，并且定义材料参数；步骤b21.滑座以实体形式建模；步骤b22.在连杆和滑座之间建立刚性连接；步骤b23.在滑座和横梁的装配面上定义滑座的固定边界条件，取消上述步骤b13中连杆的固定边界条件；步骤b24.根据有限元分析计算得到模态分析有限元模型M2在切割头X方向摆动的频率值f21以及在切割头Y方向摆动的频率值f22。在本专利技术所述的激光切割机床的结构设计方法中，在步骤b中，在模态分析有限元模型M2的基础上建立切割头、连杆、滑座和横梁装配体的模态分析有限元模型M3具体包括以下步骤：步骤b30.将横梁的三维实体模型转换后导入有限元分析软件中，并且定义材料参数；步骤b31.横梁以实体形式建模；步骤b32.在滑座和横梁之间建立刚性连接；步骤b33.在横梁和床身的装配面上定义横梁的固定边界条件，取消上述步骤b23中滑座的固定边界条件；步骤b34.根据有限元分析计算得到模态分析有限元模型M3在切割头X方向摆动的频率值f31以及在切割头Y方向摆动的频率值f32。在本专利技术所述的激光切割机床的结构设计方法中，在步骤b中，在模态分析有限元模型M3的基础上建立切割头、连杆、滑座、横梁和床身装配体的模态分析有限元模型M4具体包括以下步骤：步骤b40.将床身的三维实体模型转换后导入有限元分析软件中，并且定义材料参数；步骤b41.床身以实体形式建模；步骤b42.在横梁和床身之间建立刚性连接；步骤b43.在床身和地面固定连接处定义床身的固定边界条件，取消上述步骤b33中横梁的固定边界条件；步骤b44.根据有限元分析计算得到模态分析有限元模型M4在切割头X方向摆动的频率值f41以及在切割头Y方向摆动的频率值f42。在本专利技术所述的激光切割机床的结构设计方法中，所述切割头安装于连杆下部。在本专利技术所述的激光切割机床的结构设计方法中，所述方法还包括利用拓扑优化和/或尺寸优化方法对多个结构件进行改进。在本专利技术所述的激光切割机床的结构设计方法中，所述激光切割机床的激励频率值的范围为【1，50Hz】。实施本专利技术的技术方案，具体以下有益效果：通过在设计激光切割机床阶段找出性能较弱的结构件及结构件中的弱点方向作为改进结构件的判据，从而能够达到提高整机的动态性能。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是本专利技术激光切割机床的结构设计方法的流程图；图2是本专利技术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。应当说明的是，激光切割机床包括切割头和多个结构件，在本实施例中，假定多个结构件分别为结构件P1，结构件P2…结构件Pn,其中，n≥2；请参阅图1，图1是本专利技术激光切割机床的结构设计方法的流程图，所述方法包括以下步骤：在步骤a中，根据所述机床的设计方案，所述多个结构件从所述切割头处按照顺序开始标记和定义，在本实施例中，假定结构件P1为与所述切割头直接固联的结构件，结构Pn为与地面直接固联的结构件。应当说明的是，结构件P1几乎决定了机床的整个传动链的性能水平；即若结构件P1性能较差，无论结构件P2～结构件Pn的性能有多高，也无法提高切割头输出端的性能，所以用户要重点关注结构件P1的性能。在步骤b中，逐个增加结构件建立多个模态分析有限元模型，并根据有限元分析计算得到每个模态分析有限元模型在所述切割头X方向摆动的模态频率值fn1以及在所述切割头Y方向摆动的模态频率值fn2,假定多个模态分析有限元模型分别为模态分析有限元模型M1,模态分析有限元模型M2…模态分析有限元模型Mn，应当说明的是，其中，n≥2，模态分析有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光切割机床的结构设计方法，其特征在于，所述机床包括切割头和多个结构件，假定多个结构件分别为结构件P1，结构件P2…结构件Pn,其中，n≥2；所述方法包括以下步骤：步骤a.根据所述机床的设计方案，所述多个结构件从所述切割头处按照顺序开始标记和定义，假定结构件P1为与所述切割头直接固联的结构件，结构Pn为与地面直接固联的结构件；步骤b.逐个增加结构件建立多个模态分析有限元模型，并根据有限元分析计算得到每个模态分析有限元模型在所述切割头X方向摆动的模态频率值fn1以及在所述切割头Y方向摆动的模态频率值fn2,假定多个模态分析有限元模型分别为模态分析有限元模型M1,模态分析有限元模型M2…模态分析有限元模型Mn；步骤c.根据下述公式1和公式2分别计算在所述切割头X方向摆动的模态频率值fn1所对应的递减率vn1以及在所述切割头Y方向摆动的模态频率值fn2所对应的递减率vn2，其中，公式1：vn1=(f(n‑1)1‑fn1）/f(n‑1)1，公式2：vn2=(f(n‑1)2‑fn2）/f(n‑1)2；步骤d.根据递减率vn1和递减率vn2判定每个结构件性能的强弱以及每个结构件在所述切割头X方向和Y方向的强弱；步骤e.分别对性能较弱的结构件以及结构件中较弱的方向进行改进。...

【技术特征摘要】
1.一种激光切割机床的结构设计方法，其特征在于，所述机床包括切割头和多个结构件，假定多个结构件分别为结构件P1，结构件P2…结构件Pn,其中，2≤n≤4；所述方法包括以下步骤：步骤a.根据所述机床的设计方案，所述多个结构件从所述切割头处按照顺序开始标记和定义，假定结构件P1为与所述切割头直接固联的结构件，结构件Pn为与地面直接固联的结构件；步骤b.逐个增加结构件建立多个模态分析有限元模型，并根据有限元分析计算得到每个模态分析有限元模型在所述切割头X方向摆动的模态频率值fn1以及在所述切割头Y方向摆动的模态频率值fn2,假定多个模态分析有限元模型分别为模态分析有限元模型M1,模态分析有限元模型M2…模态分析有限元模型Mn；步骤c.根据下述公式1和公式2分别计算在所述切割头X方向摆动的模态频率值fn1所对应的递减率vn1以及在所述切割头Y方向摆动的模态频率值fn2所对应的递减率vn2，其中，公式1：vn1＝(f(n-1)1-fn1)/f(n-1)1，公式2：vn2＝(f(n-1)2-fn2)/f(n-1)2；步骤d.根据递减率vn1和递减率vn2判定每个结构件性能的强弱以及每个结构件在所述切割头X方向和Y方向的强弱；步骤e.分别对性能较弱的结构件以及结构件中较弱的方向进行改进；其中，在步骤b中，建立切割头和连杆装配体的模态分析有限元模型M1具体包括以下步骤：步骤b10.将连杆的三维实体模型转换后导入有限元分析软件中，并且定义材料参数；步骤b11.连杆以实体形式建模，切割头以质量点建模；步骤b12.切割头和连杆之间建立刚性连接；步骤b13.在连杆和滑座的装配面上定义连杆的固定边界条件；步骤b14.根据有限元分析计算得到模态分析有限元模型M1在切割头X方向摆动的频率值f11以及在切割头Y方向摆动的频率值f12。2.根据权利要求1所述的激光切割机床的结构设计方法，其特征在于，在步骤b中，在模态分析有限元模型M1的基础上建立切割头、连杆和滑座装配体的模态分析有限元模型M2具体包括以下步骤：步骤b20.将滑座的三维实体模型转换后导入有限元分析软件中，并且定义材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：万虹，范国成，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