司衛(wèi)征 陳 敏 劉建華 朱應(yīng)彬 龔 旭

(①廣東省科學(xué)院智能制造研究所，廣東 廣州 510070；②東方電氣(廣州)重型機(jī)器有限公司，廣東 廣州 511464)

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，具有節(jié)能環(huán)保、切割精度高、加工表面質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)的激光切割機(jī)，在陶瓷、硅片、玻璃等材料加工中被廣泛應(yīng)用[1-2]。目前，基于機(jī)床機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主流激光切割機(jī)，與國外發(fā)達(dá)國家相比，在加工精度、設(shè)備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面仍存在差距；同時(shí)，激光切割機(jī)的精度是客戶采購和衡量產(chǎn)品的主要參考依據(jù)；因此，對影響激光切割機(jī)精度研究的需求不斷增長。

目前，國內(nèi)學(xué)者對激光切割機(jī)主機(jī)、橫梁結(jié)構(gòu)輕量化、導(dǎo)軌剛度等利用有限元仿真展開了深入研究：葉亮等對龍門式激光切割機(jī)橫梁固有特性進(jìn)行了有限元分析和模態(tài)測試，研究橫梁筋板與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)系，通過將橫梁材料由鋼材更換為鋁材，板厚由8 mm減為6 mm，優(yōu)化了筋板結(jié)構(gòu)及橫梁[3]；王爭如利用有限元對激光切割機(jī)的絲杠與機(jī)床主體進(jìn)行了模態(tài)與接觸分析，通過減少床身、橫梁的支撐個(gè)數(shù)及減小焊接用方鋼厚度，降低了床身高度，提高了激光切割機(jī)的結(jié)構(gòu)性能[4]。王猛在激光切割機(jī)直線滾動(dòng)導(dǎo)軌靜動(dòng)剛度與橫梁結(jié)構(gòu)輕量設(shè)計(jì)方面做了分析研究，對橫梁內(nèi)部板筋截面形狀、外輪廓減重孔位位置及板厚尺寸進(jìn)行優(yōu)化，通過仿真及理論計(jì)算對比驗(yàn)證了垂直剛性模型的正確性等，改善了激光切割機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，減輕了橫梁的質(zhì)量[5]，但研究中還缺少橫梁變形對運(yùn)動(dòng)精度的影響。

在激光加工功率方面，秦曄基于大功率切割需要研制了一臺由結(jié)構(gòu)型鋼和鋼板焊接、傳動(dòng)系統(tǒng)由直線導(dǎo)軌和齒輪組成的地軌式激光切割機(jī)，利用有限元法對橫梁和驅(qū)動(dòng)梁部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，模擬了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)橫梁的變化狀態(tài)網(wǎng)[6]。

在加工工藝方面，張潔對鎂合金激光切割機(jī)的功率、切割速度和光斑直徑進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，計(jì)算了切割過程中的溫度場分布，得出激光切割A(yù)Z91鋁鎂合金時(shí)，激光功率在750 W、切割速度為27 mm/s、焦點(diǎn)位置2 mm、輔助氣體氣壓在0.45 MPa時(shí)，切縫寬度最小且切縫處平滑光整[7]。

在橫梁變形和運(yùn)動(dòng)方式對加工精度影響方面，周立波等對鋁合金飛行橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，通過改變飛行橫梁截面形狀或增大橫梁剛度優(yōu)化了橫梁結(jié)構(gòu)；在速度突變時(shí)采取S形加減速方式，飛行橫梁產(chǎn)生的變形小于梯形加速方式的變形，提高了激光的切割質(zhì)量[8]。

然而，激光切割機(jī)導(dǎo)軌靜動(dòng)態(tài)直線度、角度偏差及運(yùn)動(dòng)速度對幾何精度和定位精度影響的研究相對較少。本文以龍門式大理石機(jī)架結(jié)構(gòu)激光加工機(jī)為研究對象，對整機(jī)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌直線度、角度偏差及運(yùn)動(dòng)速度等進(jìn)行有限元仿真、測試和分析研究。

1 激光切割機(jī)整體結(jié)構(gòu)

本文研究的某型號激光切割機(jī)布局如圖1所示，主要由框架、工作平臺(X軸)、龍門機(jī)架、Y軸移動(dòng)導(dǎo)軌、Z軸移動(dòng)導(dǎo)軌、吸塵組件和振鏡組件等組成。激光切割加工時(shí)，工件放置在工作平臺上，工作平臺(X軸)與Y軸移動(dòng)導(dǎo)軌配合，可實(shí)現(xiàn)幅面為720 mm×600 mm的加工范圍。激光切割是利用將激光束聚焦照射在工件的表面對其進(jìn)行切割，在加工過程中產(chǎn)生的大量碎屑及粉塵，通過吸塵組件進(jìn)行處理。

激光切割機(jī)主要承力件為框架，大理石工作平臺、龍門機(jī)架、移動(dòng)導(dǎo)軌等組件均安裝在框架上。框架的剛度是影響整機(jī)力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，利用有限元方法對載荷場景激光切割機(jī)進(jìn)行力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，同時(shí)通過激光干涉儀對激光切割機(jī)運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行精度測試分析，對提高激光切割機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)性能及加工精度，具有科學(xué)的指導(dǎo)意義。

2 激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)分析

2.1 靜態(tài)剛度分析

利用三維建模軟件建立激光切割三維模型，將模型導(dǎo)入到有限元前處理軟件HyperMesh中，導(dǎo)入前對模型進(jìn)行簡化處理，簡化后結(jié)構(gòu)包括框架、工作平臺(X軸)、龍門機(jī)架、Y軸移動(dòng)導(dǎo)軌等組件，對Z軸移動(dòng)導(dǎo)軌、吸塵組件、振鏡組件等不影響機(jī)架剛度的組件，使用在組件安裝位置創(chuàng)建等質(zhì)量CMASS1集中質(zhì)量單元的方法簡化各組件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，簡化后的激光切割機(jī)有限元模型如圖2所示。通過OptiStruct求解器對有限元模型進(jìn)行求解運(yùn)算，在HyperView軟件中查看計(jì)算結(jié)果。激光切割機(jī)機(jī)架在重力作用下產(chǎn)生變形云圖如圖3所示，從圖中可見，機(jī)架左邊變形小，右邊變形大，橫梁整體左高右低，由下方臺架左右支撐剛度不一致導(dǎo)致，這將直接影響激光切割機(jī)的生產(chǎn)效率和加工精度。

2.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了調(diào)整臺架左右支撐剛性，通過優(yōu)化框架局部結(jié)構(gòu)，具體采用背部立桿右移110 mm的方式，達(dá)到龍門機(jī)架兩端變形一致的目的。通過對優(yōu)化后的激光切割機(jī)有限元模型進(jìn)行求解運(yùn)算，優(yōu)化后機(jī)架變形云圖如圖4所示，結(jié)果顯示激光切割機(jī)框架在重力作用下產(chǎn)生輕微變形，龍門機(jī)架左右變形差距減小，變形基本保持一致。

3 激光切割機(jī)幾何精度分析

3.1 幾何誤差理論分析

激光切割機(jī)加工工件時(shí)，各運(yùn)動(dòng)軸的實(shí)際位置與理想位置存在偏差，此偏差為激光切割機(jī)的幾何誤差。根據(jù)ISO 230-1[9]的定義，每一個(gè)平動(dòng)軸都有6項(xiàng)幾何誤差，分別是1項(xiàng)定位誤差，2項(xiàng)直線度誤差，還有3項(xiàng)角度誤差，即俯仰、偏擺和滾轉(zhuǎn)誤差。如圖5所示，激光切割機(jī)三軸運(yùn)動(dòng)存在18項(xiàng)幾何誤差，對于X軸運(yùn)動(dòng)方向而言，這些誤差分別為：定位誤差δxx、直線度誤差(δyx,δzx)和角度誤差(εyx,εzx,εxx)。除上述18項(xiàng)誤差外，3個(gè)平動(dòng)軸之間還有3項(xiàng)垂直度誤差。激光切割機(jī)18項(xiàng)幾何誤差和3項(xiàng)垂直度誤差的符號及表達(dá)式見表1和表2所示。

表1 18項(xiàng)幾何誤差

表2 3項(xiàng)垂直度誤差

3.2 幾何精度測試分析

激光切割機(jī)整體框架優(yōu)化后，將工作平臺、導(dǎo)軌滑塊、激光源、運(yùn)動(dòng)控制器及零部件進(jìn)行組裝調(diào)試。將激光切割機(jī)的工作平臺(X軸)作為放置加工工件的運(yùn)動(dòng)平臺，在豎直方向承受變化的工作負(fù)載，其直線度誤差和角度誤差對激光切割機(jī)加工精度影響最大。本文采用分離式激光干涉測量系統(tǒng)對工作平臺(X軸)進(jìn)行幾何精度測試，系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)、Renishaw XL-80激光干涉儀、直線度鏡組和角度鏡組等，現(xiàn)場測試系統(tǒng)如圖6所示。系統(tǒng)測試原理如圖7所示，通過保持一個(gè)光學(xué)組件(干涉鏡)靜止不動(dòng)，將另一個(gè)光學(xué)組件(反射鏡)沿線性軸移動(dòng)，利用監(jiān)測測量光束和參考光束之間光路的差異變化，獲得光學(xué)組件之間的差異測量值。選擇不同的光學(xué)鏡組可以對激光切割機(jī)運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行定位誤差、直線度誤差和角度誤差等參數(shù)測量。

3.2.1 動(dòng)靜態(tài)直線度測試分析

對激光切割機(jī)X軸進(jìn)行直線度測試，采集正、反行程數(shù)據(jù)，測試結(jié)果表明：水平面豎直方向是受力方面，直線度誤差δzx相對較大，靜態(tài)直線度測量值為0.006 mm/720 mm(圖8)，動(dòng)態(tài)直線度波動(dòng)范圍為-0.021～0.023 mm(圖9)；豎直平面水平方向不受力，直線度誤差δyx相對較小，靜態(tài)直線度測量值為0.002 mm/720 mm(圖10)，動(dòng)態(tài)直線度波動(dòng)范圍-0.006～0.005 mm(圖11)，動(dòng)態(tài)測試時(shí)直線度受環(huán)境影響波動(dòng)大。比較動(dòng)、靜態(tài)直線度測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)：動(dòng)態(tài)直線度波動(dòng)量約為其靜態(tài)直線度測量結(jié)果的3～4倍，且靜態(tài)直線度越好，動(dòng)態(tài)波動(dòng)量就越小，結(jié)果如圖9和圖11所示。

3.2.2 動(dòng)靜態(tài)角度誤差測試分析

因?qū)к壗嵌日`差對激光切割機(jī)的定位精度影響較大，工件放置在移動(dòng)工作臺上時(shí)，其上待加工位置會(huì)隨導(dǎo)軌角度偏差而產(chǎn)生相應(yīng)的位置偏移；當(dāng)激光加工時(shí)，激光聚焦焦距和工件上待加工工件的位置坐標(biāo)易發(fā)生變化，致使被加工孔位理論設(shè)計(jì)位置與實(shí)際加工位置不一致。

對激光切割機(jī)進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)角度誤差測試分析，發(fā)現(xiàn)X軸導(dǎo)軌在靜態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中，俯仰角(圖12)隨著移動(dòng)距離的增加，角度偏差在一個(gè)方向先變大再變小，在520 mm處偏移最大達(dá)到0.026 mm，間接表明激光焦距在該位置變小0.026 mm；焦距變化會(huì)引起激光光斑直徑的變化，最終會(huì)導(dǎo)致加工孔徑的變化。動(dòng)態(tài)測試結(jié)果曲線圖如圖13所示，結(jié)果表明尖點(diǎn)位置在移動(dòng)開始和停止的瞬間角度偏差較大，尖點(diǎn)區(qū)間部分的角度偏差為實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線，其變化及趨勢與靜態(tài)一致。尖點(diǎn)位置指精度測量時(shí)由于導(dǎo)軌啟動(dòng)、停止等加減速運(yùn)動(dòng)，慣性產(chǎn)生的較大角度偏差在測量曲線上顯示為尖峰，此尖峰位置即為尖點(diǎn)。

同理，扭擺角靜、動(dòng)態(tài)角度偏差的變化趨勢一致，曲線形狀均為鋸齒形，在400 mm處偏移量達(dá)到最大值，最大值為0.014 mm。扭擺角的變化使激光實(shí)際加工位置與理論位置產(chǎn)生偏移，導(dǎo)致了位置的偏差。角度偏差方向靜、動(dòng)態(tài)方向的不一致，是由于靜態(tài)時(shí)規(guī)定向下為正方向所致，動(dòng)靜態(tài)誤差如圖14、圖15所示。

3.3 運(yùn)動(dòng)速度對動(dòng)態(tài)直線度的影響分析

加工效率是衡量激光切割機(jī)性能的重要的參數(shù)，加工效率主要取決于移動(dòng)速度，高速但不影響加工精度的加工方式是企業(yè)追求的目標(biāo)。激光切割機(jī)高速加工時(shí)，導(dǎo)軌直線度會(huì)對加工精度和加工質(zhì)量產(chǎn)生影響，為了研究加工速度對導(dǎo)軌直線度的影響，本文采用4種移動(dòng)速度對X軸進(jìn)行研究，分別為100 mm/s、300 mm/s、600 mm/s、1 000 mm/s(該型號機(jī)器常用速度是300 mm/s，最大速度是1 000 mm/s)，且激光切割機(jī)移動(dòng)過程中，工作平臺上不加輔助氣體。

根據(jù)圖16～19所示測試結(jié)果表明，低速加工時(shí)，速度對動(dòng)態(tài)下導(dǎo)軌直線度的測量結(jié)果影響不大，但動(dòng)態(tài)場景下導(dǎo)軌直線度較靜態(tài)直線度大，最大速度時(shí)動(dòng)態(tài)直線度波動(dòng)相對增大。

3.4 輔助氣壓對直線度的影響分析

激光切割機(jī)在加工過程中，被加工工件放置在工作平臺上，供氣系統(tǒng)通入氣體產(chǎn)生輔助氣壓，輔助壓力將被加工工件牢牢吸附在工作臺上。激光切割機(jī)高速加工過程中，通過增加輔助氣壓條件，對X軸進(jìn)行直線度測試分析，研究輔助氣壓對其直線度的影響。

增加輔助氣壓的測試結(jié)果如圖20～23所示，通過對比3.3節(jié)測試結(jié)果表明，開啟輔助氣壓后，X軸運(yùn)動(dòng)速度在600 mm/s以下，導(dǎo)軌直線度的變化不大，速度增大到1 000 mm/s時(shí)，波動(dòng)開始增加?？傮w來看，增加輔助氣壓對軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)直線度波動(dòng)影響不大。

3.5 定位精度測試分析

通過前文對激光切割機(jī)幾何精度分析，經(jīng)過幾何精度調(diào)整和零點(diǎn)漂移消除，監(jiān)控激光干涉儀200個(gè)測量循環(huán)內(nèi)激光切割機(jī)的定位精度變化，發(fā)現(xiàn)激光切割機(jī)X軸定位精度和重復(fù)定位精度有較大改善，定位精度由22 μm降低到8 μm，重復(fù)定位精度由14 μm降低到2 μm，監(jiān)控結(jié)果如圖24～25所示。

4 結(jié)語

利用有限元分析軟件HyperMesh及OptiStruct可優(yōu)化激光切割機(jī)框架結(jié)構(gòu)，提高框架的剛度；激光切割機(jī)導(dǎo)軌直線度誤差和角度誤差對切割精度影響較大，在導(dǎo)軌承受加工載荷方向較明顯動(dòng)態(tài)；導(dǎo)軌動(dòng)態(tài)直線度較靜態(tài)要大，約為靜態(tài)下直線度的3～4倍，為保證幾何精度應(yīng)盡可能提高導(dǎo)軌的靜態(tài)直線度；動(dòng)、靜態(tài)下導(dǎo)軌角度偏差變化趨勢一致，數(shù)值較為接近；移動(dòng)速度對激光切割機(jī)動(dòng)態(tài)直線度的影響不大；開啟輔助氣壓對導(dǎo)軌幾何精度影響不大。

通過優(yōu)化激光切割機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)，改進(jìn)設(shè)計(jì)和裝配工藝，提高激光切割機(jī)的幾何精度及切割精度，機(jī)床重復(fù)定位精度由0.014 mm提高到0.002 mm。