數(shù)控激光切割機是用激光作為工具（刀具）對工件進行切割加工的機床，主要硬件包括機床床身、橫梁、工作臺、激光器、切割頭、穩(wěn)壓器、水冷機、電控柜、氣源（氧氣、氮氣、空氣）等，系統(tǒng)包含電氣系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。本文對數(shù)控激光切割機的重要部件——Y軸橫梁進行有限元靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，采用三維有限元法分析Y軸橫梁在各種典型工況下的變形，提取變形規(guī)律，建立基于SolidWorks軟件的三維模型，采用Simulation模塊進行橫梁的有限元分析。在此基礎(chǔ)上，對Y軸橫梁進行模態(tài)分析，求解出前5階的固有頻率和相應(yīng)處的振動模態(tài)，驗證設(shè)計結(jié)構(gòu)的可行性，為機械設(shè)備尺寸結(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。數(shù)控激光切割機是當(dāng)前國內(nèi)外板材加工的理想設(shè)備,廣泛應(yīng)用于開關(guān)柜、計算機、紡織機械、儀器儀表、汽車、電梯、糧食機械等行業(yè)。激光屬于無模具加工，具有較強的加工柔性，可以縮短鈑金行業(yè)新產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品精度和互換性，特別適合多品種小批量加工。實際工作中Y軸橫梁的變形和振動會直接影響激光切割頭的加工精度，為了保證設(shè)備的實用性和加工的精確性，用有限元法將實際結(jié)構(gòu)離散化形成單元網(wǎng)格，每個單元具有簡單形態(tài)并通過節(jié)點相連，每個單元上的未知量就是節(jié)點的位移，將這些單個單元的剛度矩陣互相組合起來形成整個模型的總體剛度矩陣，通過節(jié)點上位移的變化計算出每個單元的應(yīng)力。數(shù)控激光切割機工作原理及橫梁結(jié)構(gòu)激光切割行業(yè)從1960年開始，經(jīng)歷了60多年的發(fā)展，從YAG（晶體激光）到CO2（二氧化碳激光），再到現(xiàn)在的光纖激光，經(jīng)歷了幾次重大的變革。激光切割機的工作原理就是由激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)透鏡聚焦，在焦點處聚成一極小的光斑，光斑對板材進行加熱，隨著光束對材料的移動，完成對材料的切割。數(shù)控激光切割機采用龍門式結(jié)構(gòu)，滑座沿床身橫向?qū)к塜方向移動，橫梁上裝配水平直線導(dǎo)軌（Y方向），Z軸部件通過滑塊與Y方向?qū)к壪噙B，激光切割頭安裝在Z軸滑板上。床身固定在地基上，可視作剛體。由于Y軸橫梁長徑比大，為柔性體且易變形，因此Y軸橫梁成為激光切割機中影響精度的核心部件之一。Y軸結(jié)構(gòu)如圖1所示，橫梁起支撐作用，要求材料的剛度與韌性好，材料屬性見表1。表1橫梁材料屬性表圖1Y軸橫梁實體模型圖建立Y軸橫梁的有限元計算模型在模型分析前根據(jù)激光切割機主體結(jié)構(gòu)與工作負荷的特點，對Y軸橫梁進行簡化處理，經(jīng)過簡化，建立Y軸橫梁的有限元分析簡化實體模型，如圖2所示。圖2Y軸橫梁簡化模型圖⑴數(shù)控激光切割機整體結(jié)構(gòu)對稱，支反力基本平衡。Y軸橫梁由2.5mm厚鋼板折彎配20mm厚導(dǎo)軌安裝板焊接，同時采用退火及振動時效處理。結(jié)構(gòu)相對Y/Z平面對稱，可認為外力主要作用面在Y/Z平面，變形也主要產(chǎn)生于Y/Z平面。⑵倒角與螺紋孔相對于Y軸橫梁尺寸較小，可以忽略不計。墊板以及連接過渡板等部件有利于增加橫梁剛度，忽略不計不會影響工程上的實際要求。⑶切割機在工作狀態(tài)時，Y軸橫梁主要承受集中力和慣性力的作用。用SolidWorks建模，簡化實體，再導(dǎo)入Simulation劃分網(wǎng)格。同時，根據(jù)實際結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，在自動劃分網(wǎng)格之后，手工調(diào)整。圖3為實際劃分后的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，單元總數(shù)35388，節(jié)點總數(shù)55241。圖3橫梁有限元網(wǎng)格劃分圖Y軸橫梁與過渡板之間用M10螺栓固定連接，隨著X軸方向滑座一起移動。根據(jù)載荷的力學(xué)性質(zhì)和在結(jié)構(gòu)上的分布情況，可以分為以下幾類。⑴集中載荷。由橫梁上Z軸部件的自重引起，隨Z軸部件在橫梁上的位置不同，力的作用點也不同，故可將Z軸部件的自重作集中載荷處理，分別取幾個截面位置作分析。作用在Y軸橫梁上的集中載荷為：F集中=mZg=80×10=800N。⑵分布載荷。主要由Y軸自重構(gòu)成。橫梁的質(zhì)心位置始終在0.5L處，故可將其自重按分布載荷加載求解，計算Y軸橫梁的分布載荷為：F分布=mYg=181.91×10=1819.1N。⑶慣性載荷。數(shù)控激光切割機3個方向的運動均由電機控制，當(dāng)電機啟動時，Y軸橫梁會產(chǎn)生X軸方向加速度，Z軸部件沿Y、Z方向的啟動加速度會對Y軸橫梁產(chǎn)生慣性載荷。慣性載荷計算公式如下：F慣性=m（Y+Z）ax=（181.91+80）×15=3928.65N。依據(jù)上述條件，建立Y軸橫梁力學(xué)模型，如圖4所示，加載時將橫梁的集中載荷作用于中心位置。X軸加速度對Y軸的慣性力以面載荷加載，同時，依據(jù)力平移原理，將Z軸部件重力簡化為作用在橫梁中心的力和力矩。圖4橫梁所受載荷示意圖Y軸橫梁的應(yīng)變分析使用Simulation對Y軸橫梁進行有限元分析，主要為得到激光切割機工作范圍內(nèi)的應(yīng)變量，用它來校核成形質(zhì)量，按以下兩種工況進行分析。⑴載荷分布設(shè)置。在全長L的范圍內(nèi)，取3個位置作有限元分析：0.5L，0.25L，0.125L。⑵加速度影響分析。在啟動時，沿Y軸方向的慣性力對Y軸橫梁產(chǎn)生的橫向變形（Z方向變形）很小，可忽略不計。沿Z方向的慣性力已按集中載荷處理。因此，主要考慮沿X方向的啟動加速度ax產(chǎn)生的慣性載荷對Y軸橫梁變形的影響，以獲取在最惡劣工況下Y軸橫梁的變形情況。計算結(jié)果分別以列表和云圖兩種形式表現(xiàn)出來，如表2和圖5所示。表2集中力在不同位置處時橫梁的最大變形值（mm）圖5作用力在橫梁不同位置處時橫梁總變形量Y軸橫梁的有限元模態(tài)分析模態(tài)分析就是進行特征值和特征向量的求解，也稱為模態(tài)提取。用Simulation的頻率算例分析求解橫梁的固有頻率和振型。屬性設(shè)置頻率數(shù)5，就是5階模態(tài)。解算器選擇Directsparse解算器（稀疏矩陣求解器），加快求解速度。前5階模態(tài)參數(shù)見表3，頻率不同時橫梁