Abstract: With the continuous development of mechanical manufacturing technology in the workshop production, the production and processing technology of plate parts is facing to a more complex direction, the traditional CNC turret punch press for single sheet metal stamping process, the complex shape of sheet metal parts can not be manufactured. In this paper, the modal analysis and transient dynamics analysis of the laser cutting head system structure are carried out, and the natural frequency of the system structure device is obtained by modal analysis, and the resonance of the laser cutting head device in the process of plate processing is obtained.

Key words: Numericalcontrolturretpunchpress   Modal analysis   Laser cutting head Resonance

【中图分类号】TL501+.3 【文献标识码】B 文章编号1606-5123（2017）11-0000-00

1 引言

激光切割头装置是复合机床当中的一个主要关键设备，由于激光切割头在对钣金件正常的移动切割过程中会受到外界动载荷的作用，激光切割头装置会不可避免的产生振动，由于振动会造成激光切割头装置发生共振现象，为了能够保证激光切割头有效的对板材进行切割加工，有必要对激光切割头的动态性能进行更加深入的研究，通过对激光切割头装置的模态分析，得出激光切割头装置的固有频率，防止激光切割头装置在对板材进行切割过程中共振现象的发生。

2 模态分析的过程

激光切割头装置模态分析的过程，在ANSYS Workbench有限元模态分析过程主要可以分为三个步骤进行，即前处理、加载求解和后处理。其中，前处理主要是创建实体模型、有限元模型、定义单元格属性、划分网格和修正有限元模型；加载求解包括分析载荷的类型及特点，确定载荷的作用位置及大小，选择计算类型和设置各种参数；后处理则是查看激光切割头装置的固有频率和相对应力和变形的分析结果。

有限元模态分析在现实的实际运用当中，它只是用来作为计算机辅助软件进行相应分析处理的一个主要方面，要对整个系统提高模态分析上的准确度，有限元模态分析的流程图如图1所示。

3 有限元分析模型的建立和简化

激光切割头装置在复合机床的加工过程之中是最为主要的切割系统，其系统结构上面的稳定性对钣金加工精度影响重大，所以对激光切割头装置进性模态分析，以此来检验激光切割头装置的设计合理性。

在创建激光切割头装置ANSYS的模型方式有很多种，可以直接在ANSYS环境之中创建激光切割头装置的实体模型，也可以通过其它的CAD软件进行建模然后再将建立好的模型转换成相应的中间文件格式导入进ANSYS当中。由于激光切割头装置模型结构特征比较复杂，包含零件的数量较多，而大部分的有限元分析软件的绘图功能会达不到所要进行绘制的形状，因此通过在Solidworks三维绘图软件之中建立激光切割头装置的三维模型，最后再把模型保存为parasolid(.x_t)格式文件后导入到ANSYS Workbench之中进行相关方面的模态分析。

在对激光切割头装置进行有限元分析模型的建立时，要充分考虑到组成激光切割头装置内部结构的复杂程度，如果在没有对激光切割头装置的模型进行简化，而直接把模型导入到ANSYS Workbench之中，则对其进行模态分析时，会增加对已经建立好的模型进行网格划分的难度，从而会直接导致模态分析的周期时间变长、计算的精度不准确，最终影响模态分析的结果不收敛。激光切割头装置简化实体模型图如图2所示。

结合有限元分析的目标，综合考虑计算精度方面的影响，在对激光切割头装置模型进行简化的过程当中，整体考虑模型受力的情况，在保证对激光切割头进行模态分析的可靠性的前提下，对模型部分的局部特征进行了适当的简化，在模型当中直接删除了对激光切割头装置力学性能影响不大的圆角、倒角、通孔等工艺结构；忽略了某些对激光切割头装置变形和内力分布对模型进行模态分析影响较小的非承载构件；忽略了一些孔、凸台、圆角、倒角等系统上的结构；在尽可能从外观形状上反映激光切割头装置的基本力学特殊性能的前提之下对激光切割头装置模型进行适当上的简化。激光切割头装置有限元模型图如图3所示。

图3 激光切割头装置有限元模型图

4 激光切割头装置

4.1 网格划分

在对激光切割头装置模型进行网格划分之前，首先要对所建立的模型定义单元的属性，主要包括单元的类型、实常数、弹性模量、密度、以及有关材料的属性等。激光切割头装置里的结构零件众多，零件结构当中有相当多的凸台、开口、圆孔等特征，在对激光切割头装置进行网格划分时很难用影射方法做到。激光切割头装置结构中的线、面众多，很难控制做到网格划分的精准，故在本文中的网格划分采用的是ANSYS Workbench中的自由(free)网格划分。

ANSYS Workbench在自由的网格划分中，通常会把网格的精度划分为10个等级，1级为最精确细级、10级为最粗糙等级。经过反复的实验对比，本文中的网格划分等级选择为中等级，划分之后的激光切割头装置中的结构节点总148072，结构单元总数为81766，激光切割头装置结构网格划分模型图如图4所示。

4.2 求得激光切割头装置的固有频率和振型

利用ANSYS Workbench有限元分析软件对激光切割装置进行网格划分以后，为保证对激光切割头装置所施加的约束能够符合实际的工作情况，对激光切割头装置进行施加约束应该要与工作条相一致的边界约束件。

在本文中，对激光切割头装置的移动方式分析可知，该激光切割头装置的横向定位板要通过安装在数控转塔冲床横梁上的滚珠丝杠的驱动之下在直线导轨上进行往复运动，故激光切割头装置与直线导轨接触的面应该对其施加横向的位移约束，而在激光切割头装置的纵向位置不需要任何的位移约束。

由振动理论可知，在激光切割头装置结构的振动过程当中，起到主要作用的是较低的固有频率所对应的振型，而高频率所对应的振型在振动过程当中对激光切割头装置的影响比较少，由于阻尼的存在，高频率的振型衰退较快，所以通过对激光切头系统的整体分析之后，只提取激光切割头装置的前六阶模态进行有关分析，设置模态数值为6，计算激光切割头装置前六阶的固有频率和振型，所求解得到的激光切割装置前六阶模态固有频率和振型描述如表1所示。

表1 激光切割装置的固有频率和振型

列出激光切割装置模态分析之后的各阶振型云图如图5（a--f）所示。

4.3 激光切割头装置的模态结果分析

通过对激光切割头装置的模态分析求解结果可以看出，激光切割头装置的前六阶固有频率的变化范围为：66.327Hz~615Hz。对激光切割头装置产生的振源主要来自伺服电动机的运转和数控转塔冲床的冲压动作。

由于激光切割头装置由伺服电机带动滚珠丝杠的转动来使得激光切割头装置在复合机床的横梁上进行移动，在正常的工作过程中，所选择的200w伺服电机转速一般低于1400r/min，可以求解出200w伺服电机所产生的振动频率为23.3Hz，伺服电动机产生的振动频率的值小于激光切割头装置的第一阶固有频率的值。随着模态分析振型阶次的不断升高，激光切割头装置的固有频率逐渐增加，这是因为随着振型阶次的升高，激发激光切割头装置高阶振动的载荷能量变弱，所以振动不容易被激发。

通常情况下，数控转塔冲床实际冲压频率次数为100次/min~150次/min，即冲压频率为1.67Hz~2.5Hz。而从图3.2中，激光切割头装置的固有频率在66.327Hz~615Hz范围之内，激光切割头装置中的固有频率大于数控转塔冲床进行冲压时的最大工作频率，并且两者的频率值相差有一定的数值距离，从而避免了激光切割头装置在对板材进行切割时出现结构系统共振的发生，以此能够保证激光切割头装置工作的安全的刚度性能。

经过对激光切割头装置进行模态分析，可以得到激光切割头装置的固有频率，通过分析比较，得出激光切割头装置结构在板材加工生产过程中不会发生共振，满足所设计的要求。

5 结束语

激光切割头装置结构为激光切割冲压复合机床的主要的组成部分，其结构的稳定性能会对复合机床的加工工件的制造精度产生直接影响。本章对模态分析的基本理论、分析的方法过程进行了简单介绍，并建立了激光切割头装置结构的有限元模型，运用ANSYS Workbench模态分析的功能，将.x.t格式的文件导入模型，设置好相应的参数值，利用模态分析的步骤，分析得出激光切割头装置结构的前六阶模态频率和振型，并对计算的结果和外界振动载荷的频率进行分析对比，外界振动载荷的频率小于激光切割头装置装结构的固有频率，故激光切割头装置结构在工作时不会发生共振，满足所设计的要求。

参考文献

[1]蒋新新,李建波,林皋,等.利用ANSYS瞬态分析直接进行结构静动力分析的一种方法[J].计算机应用, 2014(a01):338-340.

[2]蒋冬清,李三雁.基于有限元法的车身振动与噪声特性研究[J].中国测试,2016, 42(8):141-144.

[3]李楠.机械加工中的激光切割技术[J].科技研究, 2014.

[4]齐忠军,李晓明,王涛.激光切割工艺在机械加工中的应用[J].农业科技与装备,2014,(05):63-64.

[5]何忠锴,王超,王品,等.基于工控机的激光数控机床控制系统的研究[J].组合机床与自动化加工技术, 2017(2):104-107.

作者简介

袁玉荣 （1988-） 女 工学学士 研究生在读 研究方向：先进设计与制造技术