針對數(shù)控等離子切割機(jī)橫梁在工作中產(chǎn)生復(fù)雜振動變形而嚴(yán)重影響切割精度的問題，以橫梁為研究對象，基于NX環(huán)境建立橫梁的有限元模型，應(yīng)用解算器對橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模態(tài)分析，分析出橫梁的固有頻率、總振幅和主振型，并輸出各階頻率位移云圖。再根據(jù)以上數(shù)據(jù)，參照現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對原有的橫梁模型進(jìn)行優(yōu)化，得出符合標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)化橫梁模型，對提高數(shù)控等離子切割機(jī)的精度和可靠性具有重要的工程意義。0引言數(shù)控等離子切割機(jī)橫梁是一個多自由度彈性振動系統(tǒng)，作用于該系統(tǒng)的各種激振力使橫梁產(chǎn)生復(fù)雜的振動變形，是影響切割精度的主要因素。

作用于這個系統(tǒng)的各種激振力就是使橫梁產(chǎn)生復(fù)雜振動的動力源。根據(jù)數(shù)控等離子切割機(jī)工作特點(diǎn)，引起各種激振力的因素可概括為4類:一是橫、縱向伺服電機(jī)與齒條傳動齒輪副在工作時產(chǎn)生的嚙合激勵，直接作用在橫梁上;二是橫、縱向伺服電機(jī)本身工作時引起的簡諧激振;三是滾輪和升降體滑塊在工作時分別與橫、縱向?qū)к墏鲃拥囊苿痈碑a(chǎn)生激振;四是數(shù)控等離子切割機(jī)在工作時受到外界的影響產(chǎn)生的激勵。如果這些激振力的激振頻率和橫梁的某一階固有頻率相吻合或接近時，就會產(chǎn)生共振，導(dǎo)致在橫梁某些部位產(chǎn)生數(shù)值很大的共振載荷和位置偏移，影響數(shù)控等離子切割機(jī)的切割精度和可靠性。因此，數(shù)控等離子切割機(jī)橫梁的動態(tài)設(shè)計(jì)要求橫梁具有一定的固有頻率和振型，且應(yīng)避開橫、縱向齒輪齒條傳動的嚙合頻率和外界頻率，這樣才能保證橫梁具有良好的動態(tài)特性。因此，對數(shù)控等離子切割機(jī)橫梁進(jìn)行模態(tài)分析，確定橫梁的固有頻率和振型以及輸出各階頻率位移云，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出振動位移小固有頻率大的最優(yōu)化橫梁，對保證數(shù)控等離子切割機(jī)的切割精度和可靠性具有重要的工程意義。1建立橫梁模態(tài)分析有限元模型用NX軟件建立橫梁的實(shí)體模型，其材料為Q235。考慮橫梁的復(fù)雜程度、精度要求解算時間等實(shí)際因素，本文采用3D8節(jié)點(diǎn)六面體單元對橫梁進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

單元設(shè)計(jì)尺寸為10mm;共劃分節(jié)點(diǎn)161202個，單元81600個;網(wǎng)格控制角最小60°，最大120°。再根據(jù)受力特點(diǎn)，對橫梁兩端的截面處施加固定約束，最后得到數(shù)控等離子切割機(jī)橫梁有限元模型如圖3所3橫梁模態(tài)分析模態(tài)分析的步驟和流程通過以上流程，利用NASTRAN分析模塊，解算出橫梁的固有頻率和主振型。由于系統(tǒng)的中低階模態(tài)對系統(tǒng)的振動影響較大，所以在分析中求解了橫梁的前7階模態(tài)，得到橫梁的固有頻率和主振型，4結(jié)果分析和模型優(yōu)化以上分析結(jié)果顯示當(dāng)前的橫梁模型的各階固有頻率位移量在0．1mm左右。根據(jù)目前國內(nèi)數(shù)控切割機(jī)廠家廣泛認(rèn)可的《熱切割等離子切割質(zhì)量和尺寸偏差》(JB/T10045．4－1999)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，等離子數(shù)控切割機(jī)的切割精度為0．5mm。考慮在實(shí)際工作過程中因?yàn)榍锌趯挾群蜔嵊硡^(qū)寬度對精度的影響，以及數(shù)控系統(tǒng)的控制精度等，要求橫梁在固有頻率處的最大位移不應(yīng)超過±0．05mm。

再次利用NX軟件中的NASTRAN分析模塊，以橫梁的固有頻率最大化為優(yōu)化目標(biāo)，最大位移≤0．05mm為優(yōu)化約束，求解出滿足條件的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。得到的最優(yōu)化橫梁模型的截面圖。最優(yōu)化模型的固有頻率和主振型，如所示;第1、2、7階固有頻率位移云圖。5優(yōu)化結(jié)果分析從和各階固有頻率位移云圖可以看出:優(yōu)化后橫梁的最小固有頻率為101．3Hz，且其他各階模態(tài)與優(yōu)化前相比有大幅度的增加，這更有利于橫梁的固有頻率避開橫、縱向齒輪齒條傳動的嚙合頻率和外界頻率;優(yōu)化后橫梁各階的最大位移量在0．0378mm～0．544mm，基本符合預(yù)設(shè)的位移標(biāo)準(zhǔn)。因此，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的橫梁模型，更好的避開了橫、縱向齒輪齒條傳動的嚙合頻率和外界頻率，并且最大的位移量也僅為優(yōu)化前的1/2，明顯提高了數(shù)控等離子切割機(jī)的切割精度和可靠性。最優(yōu)化橫梁模型的固有頻率、振幅表和主振動表模態(tài)階數(shù)固有頻率/Hz總振幅/mm主振動方向。

結(jié)論：本文建立了數(shù)控等離子切割機(jī)橫梁的有限元模型，應(yīng)用NASTRAN分析軟件對其結(jié)構(gòu)固有特征進(jìn)行數(shù)值分析，并根據(jù)結(jié)果對原有模型進(jìn)行優(yōu)化，得出最優(yōu)化模型。通過對原有橫梁模型的研究得出:原有橫梁模型的各階固有頻率偏低且大多密集在193．7Hz～203．5Hz，及易在外界激勵下發(fā)生共振;各階主振型都為Y軸方向，固有頻率處的位移量在0．1mm左右，難以保證切割精度。根據(jù)原有橫梁模型的振型圖和動畫顯示，可以直觀地分析橫梁的動態(tài)特性和薄弱環(huán)節(jié)，參照現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對原有橫梁模型進(jìn)行優(yōu)化，得出符合標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)化橫梁模型。最優(yōu)化橫梁模型與原有橫梁模型相比:各階固有頻率明顯提高，具有良好的動態(tài)特性，較易避開橫、縱向齒輪齒條傳動的嚙合頻率和外界頻率;在固有頻率處的最大位移量≤0．05mm，僅為優(yōu)化前的1/2，更好的保證了切割精度。本研究計(jì)算出了原有橫梁模型的固有頻率和振型，并通過這些數(shù)據(jù)對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出最優(yōu)化的橫梁模型，對提高數(shù)控等離子切割機(jī)的精度和可靠性具有重要的工程意義。