Máquina de corte por láser CNC: Cálculo de la deformación de la viga en el eje Y y análisis modal

La máquina de corte por láser CNC es una máquina herramienta que utiliza el láser como herramienta de corte para procesar piezas de trabajo. El hardware principal incluye la bancada de la máquina, el travesaño, la mesa de trabajo, el láser, el cabezal de corte, el estabilizador, el enfriador, el armario de control eléctrico, la fuente de gas (oxígeno, nitrógeno, aire), etc.

El sistema incluye el sistema eléctrico, el sistema mecánico, el sistema de paso de aire, el sistema óptico, el sistema hidráulico, el sistema de lubricación, el sistema de refrigeración, etc.

En este artículo, se ha realizado un análisis estático y modal por elementos finitos de un importante componente del CNC. máquina de corte por láser - la viga del eje Y. Se utilizó el método de elementos finitos tridimensionales para analizar la deformación de la viga del eje Y en diversas condiciones de trabajo típicas, extraer la ley de deformación, establecer un modelo tridimensional basado en el software SolidWorks y realizar el análisis de elementos finitos de la viga utilizando el módulo de simulación.

Sobre esta base, se realizó un análisis modal de la viga del eje Y para resolver las frecuencias naturales de los cinco primeros órdenes y los modos de vibración correspondientes, verificar la viabilidad de la estructura de diseño y proporcionar una base teórica para la estructura de tamaño y el diseño de optimización de los equipos mecánicos.

La máquina de corte por láser CNC es un equipo ideal para chapa metálica ampliamente utilizado en industrias como armarios de distribución, ordenadores, maquinaria textil, instrumentos y contadores, automóviles, ascensores y maquinaria para cereales, tanto a escala nacional como internacional.

El láser pertenece al procesamiento sin troquel, con una gran flexibilidad de procesamiento, que puede acortar el ciclo de desarrollo de nuevos productos en la industria. industria de la chapa, mejorar la precisión y la intercambiabilidad de los productos, y es especialmente adecuado para la elaboración de lotes pequeños con múltiples variedades.

La deformación y la vibración de la viga del eje Y en el trabajo real afectarán directamente a la precisión de procesamiento del cabezal de corte láser.

Para garantizar la practicidad y precisión de procesamiento del equipo, la estructura real se discretiza en mallas de elementos utilizando el método de los elementos finitos. Cada elemento tiene una forma simple y está conectado mediante nodos. La incógnita en cada elemento es el desplazamiento del nodo. La matriz de rigidez de cada elemento individual se combina para formar la matriz de rigidez global de todo el modelo. La tensión de cada elemento se calcula mediante el cambio de desplazamiento en el nodo.

Principio de funcionamiento y estructura del haz de la máquina de corte por láser CNC

En corte por láser ha experimentado más de 60 años de desarrollo desde su creación en 1960. Ha experimentado varios cambios importantes, desde el YAG (láser de cristal) al CO2 (láser de dióxido de carbono), y ahora al láser de fibra.

El principio de funcionamiento de una máquina de corte por láser es que el rayo láser generado por el láser emite a través de la lente para enfocar un pequeño punto en el punto focal. El punto calienta el material y el rayo láser se desplaza a lo largo del material para completar el proceso de corte.

CNC máquinas de corte por láser utilizan una estructura de pórtico. La silla deslizante se desplaza a lo largo del raíl guía en dirección X sobre la bancada, mientras que el travesaño está equipado con un raíl guía lineal horizontal (en dirección Y). El componente del eje Z está conectado al carril guía en dirección Y a través de un deslizador, y el cabezal de corte láser se instala en la placa de deslizamiento del eje Z. La bancada se fija en la cimentación y puede considerarse un cuerpo rígido.

Debido a la gran relación longitud-diámetro y a la flexibilidad del travesaño del eje Y, es propenso a la deformación, por lo que se convierte en uno de los componentes centrales que afectan al precisión del corte por láser máquinas.

La estructura del eje Y se muestra en la figura 1, donde el travesaño cumple una función de soporte, lo que requiere que el material tenga una buena rigidez y tenacidad, como se muestra en la tabla 1.

Establecimiento de un modelo de cálculo de elementos finitos para el travesaño del eje Y

Antes de analizar el modelo, se simplifica el travesaño del eje Y basándose en las características de la estructura principal y la carga de trabajo de la máquina de corte por láser. Después de la simplificación, se establece un modelo sólido simplificado de análisis de elementos finitos del travesaño del eje Y, como se muestra en la Figura 2.

(1) La estructura general de la máquina de corte láser CNC es simétrica, y las fuerzas de soporte están básicamente equilibradas. El travesaño del eje Y está hecho de 2.5 mm de grosor placa de acero doblada con una placa de montaje del carril guía de 20 mm de espesor, y se somete a un tratamiento de recocido y envejecimiento por vibración. La estructura es relativamente simétrica en el plano Y/Z, y la fuerza externa se ejerce principalmente en el plano Y/Z, y la deformación se produce principalmente en el plano Y/Z.

(2) Las dimensiones de los chaflanes y los orificios roscados en relación con el travesaño del eje Y son pequeñas y pueden ignorarse. Componentes como la placa amortiguadora y la placa de transición de conexión contribuyen a aumentar la rigidez del travesaño. Ignorarlos no afectará a los requisitos reales en ingeniería.

(3) Cuando la máquina de corte está en funcionamiento, el travesaño del eje Y soporta principalmente los efectos de la fuerza concentrada y la fuerza de inercia.

El modelo sólido se crea con SolidWorks y se simplifica antes de importarlo a Simulation para el mallado. Dada la complejidad de la estructura, la malla se ajusta manualmente tras el mallado automático. La figura 3 muestra la estructura real de la malla después del mallado, con un total de 35.388 elementos y 55.241 nodos.

El travesaño del eje Y está fijado y conectado a la placa de transición mediante pernos M10, que se mueven junto con la silla deslizante en la dirección del eje X. Según las propiedades mecánicas de la carga y su distribución en la estructura, la carga puede dividirse en las siguientes categorías:

(1) Carga concentrada. Esta carga está causada por el peso del componente del eje Z sobre el travesaño, y su punto de aplicación varía con la posición del componente del eje Z sobre el travesaño. Por lo tanto, el peso del componente del eje Z puede tratarse como una carga concentrada, y pueden analizarse varias posiciones de la sección transversal. La carga concentrada que actúa sobre el travesaño del eje Y es F_concentrada = m_Zg = 80 × 10 = 800N.

(2) Carga distribuida. Esta carga se debe principalmente al peso del eje Y. El centro de masa del travesaño está siempre a 0,5L, por lo que el peso puede cargarse como una carga distribuida. La carga distribuida que actúa sobre el travesaño del eje Y es F_distribuida = m_Yg = 181,91 × 10 = 1819,1N.

(3) Carga de inercia. Los movimientos de la máquina de corte láser CNC en las tres direcciones son controlados por el motor. Cuando se pone en marcha el motor, el travesaño del eje Y producirá una aceleración en el eje X, y el componente del eje Z producirá cargas de inercia en las direcciones de los ejes Y y Z. La fórmula para calcular la carga de inercia es F_inertia = m(Y+Z)ax = (181,91+80) × 15 = 3928,65N.

Basándose en las condiciones anteriores, se establece un modelo mecánico del travesaño del eje Y, como se muestra en la figura 4. La carga concentrada se aplica a la posición central cuando está cargada. La fuerza de inercia de la aceleración del eje X sobre el eje Y se carga como carga superficial. Según el principio de traslación de fuerzas, el peso del componente del eje Z se simplifica como una fuerza y un momento que actúan sobre el centro del travesaño.

Análisis de la deformación del travesaño del eje Y

El análisis de elementos finitos del travesaño del eje Y se realizó mediante Simulation para obtener la distribución de la deformación dentro del rango de funcionamiento de la máquina de corte por láser, que se utilizó para verificar la calidad del conformado en las dos condiciones de trabajo siguientes:

• Ajustes de distribución de la carga. El análisis de elementos finitos se realizó en tres posiciones dentro de la longitud total L: 0,5L, 0,25L y 0,125L.
• Análisis de impacto por aceleración. La deformación lateral (en la dirección Z) causada por la fuerza de inercia a lo largo del eje Y durante el arranque es despreciable. La fuerza de inercia a lo largo del eje Z se ha tratado como una carga concentrada. Por lo tanto, la atención se centra principalmente en el efecto de la fuerza de inercia causada por la aceleración de arranque a lo largo del eje X sobre la deformación del travesaño del eje Y, para obtener la deformación del travesaño del eje Y en las peores condiciones de trabajo.

Los resultados de los cálculos se presentan tanto en forma de tabla como de mapa de curvas de nivel, como se muestra en la Tabla 2 y en la Figura 5.

Tabla 2: Valores máximos de deformación (mm) del travesaño con carga concentrada en diferentes posiciones.

Análisis modal por elementos finitos del travesaño del eje Y

El análisis modal se refiere al proceso de resolución de valores y vectores propios, también conocido como extracción de modos. La frecuencia inherente y el modo de vibración del travesaño se obtuvieron mediante el análisis de frecuencia de simulación. El número de frecuencia se fijó en 5, que representa el modo de 5º orden. Se seleccionó el solucionador directo de matrices dispersas (sparse matrix solver) para acelerar la velocidad de resolución. Los parámetros de los cinco primeros modos se muestran en la Tabla 3. En la figura 6 se muestra el diagrama de deformación del modo de vibración de la viga transversal para cada modo con diferentes frecuencias.

Cuadro 3 Resultados de la solución modal

Conclusión

La deformación del travesaño del eje Y está relacionada con la posición de los componentes del eje Z. Cuanto más cerca estén los componentes del eje Z del centro del travesaño, mayor será la deformación. Cuanto más cerca estén los componentes del eje Z del centro del travesaño, mayor será la deformación. La deformación máxima se produce en la posición central y es inferior a 0,3 mm, lo que cumple los requisitos de ingeniería de controlar la deformación dentro de 2 mm.