某激光切割机悬臂梁的动力学仿真研究.pdf

第 7期 2 0 1 3年 7月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d ul a r M a c hi ne To o l Au t o m a t ic M a nu f a ct u r in g Te chn iqu e NO 7 J u 1 2 0 1 3 文 章 编 号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 3 0 7 0 01 9 0 3 某激光切割机悬臂梁的动力学仿真研究 术 谢 志坤 史科科 刘伯聪 万晓峰 1 沈阳机 床 集 团 有限责任公 司 数 字化设计研 究所 沈 阳 1 1 0 1 4 2 2 L MS国际公 司 北 京 1 0 0 1 0 1 摘 要 应用 L MS V ir t u a 1 1 a b m o t io n多体 动 力学仿 真 工具 以 多体 动 力 学理 论 为基础 建 立 了包含 柔性 悬臂 梁和 柔性 丝杠 的激光 切割 机 刚柔耦 合模 型 通过 动 力学仿 真 分 析 某激 光切 割机 在 运动 过程 中 悬臂梁变形与振动情况 为激光切割机悬臂梁的设计提供理论依据 关 键词 激 光切 割机 刚 柔耦 合 动 力 学仿 真 中图分 类号 T H 1 2 文 献标 识码 A Dy na m ics Si m u l at io n f o r Ca n t il e v e r Be am o f a La s e r Cut t i ng M a chin e XI E Z hi k u n S HI Ke k e LI U Bo co n g I 1 W AN Xia o f e n g 1 I n s t it u t e o f Dig it a l De s ig n S h e n y a n g Ma ch i n e T o o l Gr o u p Co L t d S h e n y a n g 1 1 0 1 4 2 C h in a 2 L MS C h in a B e i j in g 1 0 0 1 0 l C h in a Abs t r a c t Ba s e d o n t he mul t i b o dy d y n a mic s t he o r y t h e r ig id fle x ib l e c o u p l in g mod e l of l a s e r c u t t in g ma chi n e wh ic h in cl u d e s f l e xi bl e c a n t il e v e r a n d fle x ib l e l e a d s cr e w wil l b e bu il t by me a ns o f s imu l a t io n t o o l a s LM S Vir t ua l La b M o t io n By wa y o f d y n a mic s s imu l a t io n t h e d is t o r t io n a n d vi b r a t io n o f ca n t i l e v e r o f a ce r t a i n mov in g l a s e r cu t t in g ma ch in e wil l b e a na l y z e d t o p r ov i de t h e o r e t ica l b a s is f o r the d e s ig n o f ca n t il e v e r o f l a s e r c u t t ing ma c h i ne s Ke y wo r ds l a s e r cu t t in g ma c h in e r ig id f l e x i bl e c o u p l i ng d y n a mics s imul a t io n 0 引 言 激 光切 割机 是用 于 将 板 材切 割 成所 需 形 状 工 件 的激 光 加 工 机 床 具 有 高 精 度 切 割 速 度 快 切 口平 滑 加 工成 本 低 等优 点 悬 臂 梁 为激 光 切 割 机 关 键 部 件 主要 由板件 焊 接 而 成 在 激光 切 割 机 运动 过 程 中 悬臂 梁 的 变形 和 振 动 直 接 影 响其 加 工 精 度 随 着计算机技术 的发展 基 于多体 动力 学理论 的刚柔 耦 合 技术 为 研究 悬 臂 梁在 运 动 过程 中的变 形 提供 了 新 的方 法 L MS V ir t u a 1 1 a b Mo t i o n是 专 门 为模 拟 机 械 系统 的 真实 运 动 和 载 荷 而 设 计 的 它 提 供 了有 效 的方法 可 以快 速 的创 建 和 改 进 多 体 模 型 并 具 有 强 大 的 刚柔耦 合 分 析 功 能 能 够 表 示 出 复 杂 几 何 体 的 结构弹性 考察物体在真实运动下 的变形和应力分 布 分析 系统 的频率 响应 特性 本 文 采 用 L M S V ir t u a 1 1 a b Mo t io n建立激光切割机动力学模 型 应用其特 有 的 F l e x cu r v e功能 解 决 机 床 直 线 运 动 中 刚柔 耦 合 问题 通过对悬臂梁和丝杠柔性化处理 建立激光切 割机刚柔耦合模 型 模拟激光切 割机 两种不 同运动 方 式 得 到 不 同运动 形态 下悬 臂梁 的变 形与 振动 1 柔性体建模理论 在刚柔耦合分析 过程中 柔性体 的变形 是其各 阶模 态振 型 的线 性 叠 加 各 阶模 态 对 柔 性 体 变 形 的 贡献 度 由模 态 参 与 因 子 决 定 模 态 参 与 因子 值 在 0 到 1之间变 化 数值 越大 对应 的模 态对 柔 性体 变形 影 响 也越 大 由于柔 性 体 与周 围刚 体有 相 应 约束 关 系 所 以计算柔性 体模态时应考虑相应约束 多 体 动 力学 工 具 中 F l e x ib l e b o d y d e s ig n模 块 采 用 了修 正的 C r a ig b a m t o n模态 综合 法理 论 它 的基本 思想 是 把 一个 复 杂结 构 按 其 结 构特 点 分成 若 干个 子 结 构 然后 利用离 散 化方法 如 有 限元法 对 子 结构 作各 种 力 学 分析 有时 也可用 试 验模 态分 析 的方 法 得 到各 子结 构 的模 态 再对各 子 结构 进 行组 集 把 所 有 子结 构 的模 态 坐标 简单组 集成 整 个结 构 的模 态 坐 标 再 通 过 各子结 构 的界 面 连接 条 件 作第 二 次 坐标 变 化 消去不 独立 的模 态 坐标 即对 整 个 结 构 的模 态 坐 标 进行独立坐标变 换 得到一组用独立 的各子结构模 态坐 标组成 的 描 述 整 个 系 统 运 动 的独 立 广 义 坐 标 由于在 进行 结 构 的模 态 坐标 变 换 时 一 般 只 选 用 了 各 子 结构 的少数 低 阶子 结 构 模态 因此 组 集后 的整 个 结 构 的独 立广 义 坐标 数 目就远 小 于结 构 离散 化 以 后得有 限元模型的整体 自由度数 由此可导出整个 系统以独立 的模态 坐标表示 的动力学方程 这样 求解此低阶的系统动力学方程就简单多 了 J 在 收稿 日期 2 0 1 2 1 1 2 6 修回 日期 2 0