基于CAE分析的激光雕刻机设计

周黎明++华洋++左忠栋++郭华锋++倪琪++闫士长

摘 要：激光雕刻属于先进制造技术的重要分支，在金属、木材、毛皮、玻璃等行业应用日益广泛。基于Creo3.0平台设计了一种同步带传动式小型激光雕刻机，完成整机的3D建模、装配及干涉检验等。采用ANSYS软件进行了激光雕刻机横梁的静力学分析及传动轴模态分析。结果表明：横梁最大变形位于中部，最大应力远小于材料许用应力；传动轴最大共振区位于中部，合理安装同步带轮可有效避开共振。

关键词：激光雕刻机 ANSYS 静力学分析 模态分析

中图分类号：TG386.41 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（c）-0070-03

激光雕刻技术是先进制造技术的重要分支，相比传统的机械雕刻方式，能实现复杂结构、高硬脆性等金属和非金属材料进行快速雕刻，具有加工效率高、材料范围广泛、无切削力、能耗小等优点，在金属制品、工艺品、木材加工业等领域应用日益广泛。

在文献和实际调研基础上，基于Creo软件设计了一台基于同步带传动的小型激光雕刻机，完成了整机的建模和装配，在此基础上进行了静力學分析和模态分析。

1 激光雕刻机总体设计

综合考虑整体刚强度及稳定性，结合设计要求，激光雕刻机采用龙门式结构。其结构主要包括：底座、电机、支架、激光器、同步带等。平面雕刻运动由X方向和Y方向导轨实现，Y方向由两个平行导轨构成，X方向由一个导轨构成，X方向导轨是垂直紧固在Y方向的两平行导轨上。激光器安装在X方向导轨上，由同步传动带带动在X方向导轨上运动；通过步进电动机驱动带轮旋转使同步带带动激光器在X、Y方向上运动，实现对材料的雕刻。

根据设计要求，X和Y轴向导轨选用GGB16AA型四方向等载荷滚动直线导轨副，通过校核和计算选用的该型导轨满足设计要求；选用型号为35BYJ412的四相步进电机；采用带有双边挡圈的同步带轮。最后按照装配要求完成整机装配。

2 基于ANSYS Workbench的关键零部件CAE分析

横梁是激光雕刻机的重要组成部件，传统设计采用材料力学与经验设计相结合的方法，为保证可靠性，一般都加大安全系数，从而导致横梁笨重且增加成本。采用现代优化设计方法通过对结构进行有限元分析，定量获取应力和变形值，为结构优化提供理论依据。同时，为使激光雕刻机能够精准定位，要求激光头到达指定位置时，同步传输带停止运动，这就对步进电机的速度控制提出较高的要求。由于步进电机转速的不同，可能会引起传动光轴产生不同程度的振动幅度，进而影响步进电机的控制精度。通过模态分析可以有效避免这一问题。

2.1 横梁的静力学分析

（1）横梁有限元模型与加载。

横梁材料采用铝合金5052-H112，该材料密度为2.7 kg/m3，弹性模量E，泊松比μ=0.32。在有限元分析前需要对模型进行必要的简化，忽略键槽、螺纹孔等结构[1]，简化后的横梁模型如图1所示。在设计过程中，根据激光雕刻机的设计要求，设计横梁的轴向长度1 300 mm，端面为长38 mm、宽28 mm的长方形端面，厚度为2 mm。

（2）模型的参数化和网格分析。

为了优化结构，需要对横梁模型进行参数化设置。在CAD软件中建立横梁模型，并以“DS”开头重命名需要优化的参数，使得模型导入ANSYS Workbench中时优化变量就可以被识别，实现模型参数双向互动。横梁结构比较复杂，采用软件自动网格划分，单元大小设为0.06 m。

（3）约束与载荷。

横梁通过立柱、螺母与激光雕刻机的Y轴向导轨连接，激光雕刻机工作时，横梁主要受上方零部件的压力。压力均匀分布在与横梁接触的壁上方向垂直于上壁表面。横梁两端施加固定约束，横梁为简支梁结构。

（4）静力学分析。

将横梁受力简化为两端固定的简支梁，当受力集中于横梁中点处时，横梁最危。横梁的应力云图如图2所示。横梁的最大变形在中部，最大的许用应力为0.749 67 MPa，远小于材料自身的许用应力，所以设计的横梁的强度在安全范围内。

图3为弯矩云图，从有限元分析结果可以看出，横梁所受最大弯矩为1 625 N·mm，在铝合金材料性能安全范围内，所以设计完全满足要求。

2.2 传动轴模态分析

（1）传动轴有限元模型与加载。

通过CAD软件将创建的模型直接导入ANSYS Workbench，为了提高对模型的分析效率，对模型进行了简化，键槽、两端的孔按实体处理，忽略一些局部特征，简化后传动轴[2]。实体三维模型如图4所示。设计的传动轴选用45钢，该材料弹性模量210 GPa，密度7.850 kg/m3，泊松比0.3。在设计过程中，根据激光雕刻机的加工面积，确定传动轴的轴向长度159 mm，直径6 mm。

（2）约束与载荷。

在对模型施加约束和载荷时，应按照实际情况进行，这样才能保证计算结果的可靠性和准确性。根据实际情况加载位置有2处：（1）在传动轴两端轴承处施加边界条件，由于承受轴承的支承力，因此施加X、Y、Z三方向的约束；（2）同步传输带选用PU带，其密度1.25 kg/m3，同步带轮和联轴器选用铝合金，密度2.7 kg/m3，经计算得出传动轴受到的重力载荷26.7 N，均匀分布在两传动轴上。

（3）模态分析。

模态分析的目的在于确定结构的振动特性。在对前面静态结构分析的传动轴的基础上，对其进行模态计算。在ANSYS Workbench的Model模块中得到了传动轴各阶固有频率及相应的振型。一般情况下不必求出全部固有频率和振型，而应着重考虑输送机工作条件下所涉及的频率[3]。低阶固有振型要比高阶振型对传送机步进电机的振动影响大。故该文关心的是低阶模态。提取前6阶振型结果如表1所示。同时在ANSYS Workbench中，由于得出的振幅是经过处理的相对值，因此并不能真实反映实际振幅。

①传动轴的最小频率933.69 Hz。经查阅相关资料，发现四相感应式步进电机的共振区一般在180～250 Hz（步距角1.80°），而且步进电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，则共振区向上偏移。因此为了保证同步传输带传送准确可靠，必须保证步进电机的工作频率在300～900 Hz，从而避免传动轴和步进电机产生共振[4]。

②模态振型分析。经分析前两阶的模态振型图（图5，图6）。可以看出传动轴中部产生较大的共振幅度。因此中部是输送机传动轴的薄弱部分。所以在不影响传送精度的前提下，同步带轮尽量布置在传动轴的两侧，以减小传动轴在传动过程中的变形。

在有限元分析的基础上，该文选用型号为35BYJ412的四相步进电机，避免传动轴的共振。而传动带轮安装在了传动轴的两侧，减小了传动轴在传动过程中的变形，实现了传动轴的优化设计。

参考文献

[1] 李诚.基于Pro/E和ANSYS Workbench的悬挂夹具结构优化设计[J].机械工程师，2013（9）：107-109.

[2] 刘卿，郑红霞.基于ANSYS Workbench的采煤机截剖部扭转刚度与角角速度分析[J].煤炭技术，2014，33（12）：282-284.

[3] 方鹏，李健，韦辽.基于ANSYS Workbench机床主轴有限元分析[J].装备制造技术，2013（4）：28-30.

[4] 王迪迪，宋新旺，陈福洋，等.基于ANSYS Workbench传动轴模态分析[J].煤炭技术，2015（9）：287-289.

[5] 刘晓婉.激光加工技术的研究发展现状[J].中国新技术新产品，2016（18）：54-55.