台式激光雕刻机的X轴向运动部件是其关键部件之一，它的结构与特性将直接影响零件的加工精度。所以设计时必须保证精度和稳定性要求,同时应减轻自重， 因此需要在可靠性分析的基础上对主要零件进行优化，重点是:1）设计新的合理的X轴传动系统以提高雕刻精度；2）优化横梁截面形状避免振动并确保挤压可制造性；3）参考模态分析结果对右上压板进行优化。传统激光雕刻机X轴传动系统采用两同步带轮，虽然传动方式简单，但没有考虑对加工精度的影响，而实际加工中同步带轮直径与加工中的重要参数点阵间距密切相关，因此可从两者关系出发设计更为合理的传动系统。
1 激光雕刻机X轴运动机构
设计完成后的X轴运动机构如图1所示： 
1．横梁 2.左上压板 3.左下压板 4.伏龙同步带传动系统 5.线性导轨 6.下激光头组件 7.安装板 8.右下压板 9.同步带轮Ⅰ10.导轮 11同步带轮Ⅱ 12.步进电机 13.右上压板 14.上反射镜
图1 X轴运动机构结构图（卸掉下激光头罩壳）
如图1所示安装板7放在横梁1中间，并沿线性导轨5左右滑动,其上安装有上反射镜14及下激光头组件6，横梁两侧放置左上压板2、左下压板3、右上压板13和右下压板8用于支撑横梁，整个X轴运动机构通过左右 下压板固定在激光雕刻机的Y轴传动机构上。右下压板两侧附有调节螺钉，用于调节机构两侧的平行度并收紧间隙,同步带轮I、II和导轮10安装在左、右上底板上，同步带轮II与右侧步进电机伸出轴相连。
此机构的设计通过同步带轮I、同步带轮II及导轮10组成X轴传动系统，如图2(b)所示,克服了传统激光雕刻机用两同步带轮导致加工点阵间距较大、精度较低的状况，如图2(a) 所示。 
图2 改进前后X轴传动系统
点阵间距是保证激光雕刻质量的重要参数，对步进电机驱动的激光雕刻机，点阵间距S1可用公式1表示：
S1=π·α·d/360 （1）
其中α为步进电机步进角，d为同步带轮II分度圆直径。
由公式（1）可以看到d越小，点阵间距S1越小，加工精度越高，因此必须在满足结构要求的前提下减小同步带轮II直径，但减小直径，会引起传动系统与横梁的干涉，由此本文利用两个导轮和四个同步带轮I有效避免了干涉，同时又保证了良好的同步性。
2 有限元模型的建立
为了提高有限元分析效率，必须考虑载荷因素，对实际结构进行合理简化。激光雕刻机在加工时为非接触式加工，在加工过程中零件给横梁本身的反力可不计，同步带传动系统对机构的振动分析影响较小，因此将机构简化为简支梁（保留中间横梁和左右上下压板），同时假定横梁截面形状为矩形，在后续分析中将进行优化并给出合理的截面形状，各零件材料常数如表1所示： 
其次由于激光头的移动是通过安装板传递动力给滑块的，扭矩很低，因此可以忽略主扭矩和进给扭矩作用，激光雕刻机在加工过程中激光头的左右移动会导致在加工零件的边缘出现锯齿型，因此必须考虑重力对机构动态性能的影响，由表3计算得重力为180N，机构采用螺栓联接受到预紧力作用。
由计算得知，压板和横梁由于螺栓预紧所引起的压缩量很小，可忽略不计，总预紧力略小于12x4592N=55104N,远远大于在加工中所产生的力（非接触加工）。模型为静态小位移形变，采用线性扰动分析模型。各个接触表面的摩擦特性，采用罚函数，赋与摩擦系数为0.15。考虑到各构件的几何形状和分析精度要求，整体采用六面体进行网格划分。 左右压板和横梁采用不同的单元密度，利用HyperMesh可实现对应节点耦合，划分网格后应检查单元质量，确保单元连续性和质量，并且分析实际边界条件，设定左右下压板凹槽底面自由度为0，网格划分后有限元模型如图3所示，视图显示为横梁左右两侧局部放大视图，划分后的有限元模型节点数量为328845，单元数量为302697，自由度为984303。 
图3 简化的机构有限元模型
3 分析与优化
首先进行应力应变分析，最大位移节点编号为1348977，位移值为5.67e-02, 最大冯·米塞斯应力值为6.91MP,铝合金屈服应力为250MP, 安全系数为36，横梁安全系数足够,材料可适当减少,对高精度激光雕刻机0.05mm的位移已足够影响其精度，需要进行优化。通过对结构进行模态分析，并参考应力应变结果对结构进行优化。
X轴运动部件采用57步进电机驱动，步进角α为1.8°（使步进电机的共振区域向上偏移），同步带轮II的分度圆直径d为10.7mm,并参考目前市场主流雕刻机的雕刻速度V得到激振频率
F=360V/π·α·d=1·360/3.14·1.8·0.0107=5.95KHz（2）
参考激振频率，选择频率范围为0-1000HZ，取15阶模态进行分析，得前四阶模态固有频率和11阶模态振型（图4）。
图4 11阶模态振型
从分析结果看1阶频率过低，机构刚性不好。特别是第11阶模态,导致右上压板振动剧烈，右上压板直接支撑步进电机及传动机构，会严重影响加工精度，所以需特别加以改进。根据分析结果确定优化方案，首先进行拓扑优化[1]（通过设计变量定义模板中的EXTRUSION选项设置相应挤压制造约束，使横梁截面形状保持一致），然后针对右上压板进行形貌优化。具体优化参数设置如表4所示：
拓扑优化结果如图5、图6所示 。图5为优化前后横梁截面形状。 
图5 优化前后横梁截面形状及优化后contour图
从分析结果看,1阶频率优化后为:88.66HZ,较优化前提高了50%, 同时机构体积减少为原来的33.4%,最大位移减少45%,同时通过施加制造约束使横梁截面形状保持连续实现挤压可制造性,在实际设计中为了增加横梁刚性,可在横梁中间加钢筋，下面针对11阶模态右上压板振动剧烈问题进行形貌优化，在优化时首先抽取中面，并根据力的平移定理将载荷移至孔的中心，结果如图6所示。优化后圆孔中心位移减少为原来的12.4%，振动得到良好改善。
图6 优化后右上压板变形图和contour图
4 结论
（1）本文通过对X轴向传动系统的合理设计，克服了传统激光雕刻机在雕刻时采用两同步带轮导致加工点阵间距较大、精度较低的情况；
（2）结合两种优化方法对其中主要零件进行优化，改善了结构性能；
（3）通过横梁截面形状优化,同时考虑制造约束,得出理想的优化结果；
（4）设计分析结果提高了整机的精度和切削性能，在实际应用中收到了很好的效果。(end)
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