李天箭 丁 輝 程 凱

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

超精密加工機(jī)床系統(tǒng)是包含機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)，電磁驅(qū)動，內(nèi)在氣、固、熱、電、磁相互作用的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含顯著的多層次、復(fù)雜耦合特征。目前超精密加工機(jī)床在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，往往只針對具體應(yīng)用的精度需求，先進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)與分析，然后進(jìn)行部件的設(shè)計(jì)與分析，缺少部件間綜合動態(tài)綜合、整體系統(tǒng)的無縫解析和系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。盡管各國精密機(jī)床廠和制造科學(xué)家設(shè)計(jì)了各種超精密加工機(jī)床，有許多針對具體應(yīng)用的機(jī)床設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析案例［1－4］，但設(shè)計(jì)往往是“具體應(yīng)用—經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動”，尚沒有任何機(jī)床系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)理論體系。1992年，美國MIT的著名學(xué)者Slocum教授曾編寫《Precision Machine Design》一書［5］，該書是精密機(jī)床具體應(yīng)用—經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動設(shè)計(jì)方法的代表性著作。

CIRP會員Altintas教授在2005年CIRP大會上曾針對虛擬機(jī)床技術(shù)的研究狀況與未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了詳細(xì)的綜述分析［6］。他的綜述報告探討了機(jī)床的多體動力學(xué)模型，并討論了機(jī)床靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)以及控制策略集成仿真環(huán)境等問題。2010年3月，機(jī)械工程著名刊物《International Journal of Machine Tools and Manufacture》出版的“Special issue on design of ultraprecision and micro machine tools and their key enabling technologies”（“超精密加工機(jī)床設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)”?？?］指出，復(fù)雜系統(tǒng)集成技術(shù)是超精密加工機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。集成設(shè)計(jì)與仿真分析是實(shí)現(xiàn)機(jī)床指標(biāo)評價、系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的重要手段。因此，在機(jī)床系統(tǒng)統(tǒng)一建模求解的基礎(chǔ)上，結(jié)合超精密加工機(jī)床系統(tǒng)的多尺度、多層次復(fù)雜特性，開展超精密加工機(jī)床系統(tǒng)的集成仿真環(huán)境和實(shí)驗(yàn)平臺的研究具有重要的意義。

1 多尺度集成設(shè)計(jì)方法

在精密機(jī)床的設(shè)計(jì)中，機(jī)床產(chǎn)品本身是具有多尺度特征的，如圖1所示。對任何一臺精密機(jī)床，都可以從宏觀尺度、介觀尺度、微觀尺度來區(qū)分機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動部件及控制系統(tǒng)等。在當(dāng)代設(shè)計(jì)中，圖中9大區(qū)域每一塊都有很多熱點(diǎn)問題為技術(shù)人員、專家學(xué)者們研究。并隨著基礎(chǔ)理論的應(yīng)用研究、仿真技術(shù)的發(fā)展和各模塊研究的日益成熟，這些正是本文建立機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)的統(tǒng)一表述模型基礎(chǔ)。即通過“部件－系統(tǒng)－集成－應(yīng)用”實(shí)現(xiàn)超精密加工機(jī)床系統(tǒng)多尺度設(shè)計(jì)，形成超精密加工機(jī)床的集成設(shè)計(jì)理論體系。本文研究是在圖1所示的平臺思想和原理與方法的支持下實(shí)現(xiàn)的。

為了達(dá)到最好的集成效果，多尺度集成分析平臺分為機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動部件和控制系統(tǒng)3個模塊，各模塊之間的數(shù)據(jù)通過集成的方法進(jìn)行傳遞［8］。下面將使用機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊介紹多尺度分析方法。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)中的多尺度

2．1 動力分析模塊

現(xiàn)階段機(jī)床機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為達(dá)到良好的動態(tài)性能，通?？梢圆捎枚喾N微結(jié)構(gòu)，目前應(yīng)用較多的是浮動導(dǎo)軌的氣孔結(jié)構(gòu)。本文使用本實(shí)驗(yàn)室已有機(jī)床與改進(jìn)氣浮導(dǎo)軌微結(jié)構(gòu)機(jī)床進(jìn)行仿真對比來闡述微結(jié)構(gòu)對宏觀性能的影響。機(jī)械結(jié)構(gòu)多尺度模型如圖2所示。

2．2 動力分析流程

如圖3所示，動力分析是以機(jī)床為載體，以外力為激勵，計(jì)算剛度和響應(yīng)，并從中取得動態(tài)性能較好的優(yōu)化解。優(yōu)化時可直接使用優(yōu)化軟件。

3 微結(jié)構(gòu)對宏觀動特性影響分析

氣浮導(dǎo)軌上下表面之間設(shè)計(jì)時要求高精度和一定的承載能力，提高氣浮導(dǎo)軌的精度和剛度是止推氣浮軸承研究的一個熱點(diǎn)［9－12］。本文通過仿真計(jì)算了動導(dǎo)軌表面具有如圖2左側(cè)所示的兩種氣浮導(dǎo)軌的表面結(jié)構(gòu)的壓強(qiáng)分布。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了氣壓波動時宏觀動態(tài)性能仿真。

3．1 微結(jié)構(gòu)與無微結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌工作條件

為保證仿真數(shù)據(jù)的可信性，仿真中數(shù)據(jù)使用了筆者實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有超精密機(jī)床導(dǎo)軌設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)［12］。此數(shù)據(jù)可通過傳統(tǒng)無微結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌表面壓強(qiáng)的仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性，確保仿真方法的正確性。

導(dǎo)軌工作基本條件如表1所示。

表1 導(dǎo)軌工況表

3．2 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4為微結(jié)構(gòu)和無微結(jié)構(gòu)壓強(qiáng)分布圖，其中傳統(tǒng)無微結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌壓強(qiáng)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，傳統(tǒng)小孔節(jié)流壓力分布曲線如圖4a所示。

由以上圖譜可知，微結(jié)構(gòu)表面的設(shè)計(jì)明顯改善了導(dǎo)軌表面的壓強(qiáng)分布，因此，將會改善整體的動性能。

3．3 不同微結(jié)構(gòu)下機(jī)床的動特性

為了進(jìn)一步說明微結(jié)構(gòu)對動態(tài)性能的改善，進(jìn)行了氣壓波動時壓強(qiáng)波動仿真。圖5是外界氣壓從0.4 MPa波動到0.5 MPa時，動導(dǎo)軌氣壓面上壓強(qiáng)對面積積分后得到的壓力波動曲線。方點(diǎn)為有微結(jié)構(gòu)，圓點(diǎn)為無微結(jié)構(gòu)。

由圖5可知，微結(jié)構(gòu)改變了導(dǎo)軌的動態(tài)承載能力，同時，基于承載能力與剛度成正比的關(guān)系，微結(jié)構(gòu)提升了導(dǎo)軌的動剛度?？梢钥隙ǖ卣f，微結(jié)構(gòu)將同樣提升機(jī)床的動剛度，改善機(jī)床的動態(tài)特性。

圖6是使用多尺度集成模型計(jì)算出的兩種結(jié)構(gòu)在0.1 s內(nèi)壓強(qiáng)由0.4 MPa波動到0.5 MPa并復(fù)原后引發(fā)的宏觀結(jié)果:Y向跳動。考慮到兩導(dǎo)軌同時受氣壓影響發(fā)生跳動［13］，計(jì)算Y向跳動時，計(jì)算相對跳動。從圖中可知，與傳統(tǒng)氣腔（圖6a）相比，帶有微結(jié)構(gòu)的（圖6b）機(jī)床氣壓變化引起的Y向跳動減小了0.09 μm，機(jī)床動特性更好。

4 結(jié)語

本文提出了多尺度集成設(shè)計(jì)方法，建立了多尺度集成設(shè)計(jì)模型。并通過動導(dǎo)軌微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對超精密機(jī)床宏觀動態(tài)性能的影響，說明了機(jī)床設(shè)計(jì)時采用多尺度方法的必要性和重要性。

［1］LUO X C，CHENG K，WEBB D E，et al．Design of ultra－precision machine tools with applications to manufacture of miniature and micro components［J］．Journal of Materials Processing Technology，2005，167（2/3）:515－528．

［2］SHINNO H，YOSHIOKA H，TANIGUCHI K．A newly developed linear motor－driven aerostatic X－Y planar motion table system for nano－machi-ning［J］．Annals of the CIRP，2007，56（1）:369 －372．

［3］URIARTE L，HERRERO A，ZATARAIN M，et al．Error budget and stiffness chain assessment in a micromilling machine equipped with tools less than 0．3 mm in diameter［J］．Precision Engineering，2007，31（1）:1－12．

［4］李圣怡，戴一凡，王建敏，等．精密和超精密機(jī)床設(shè)計(jì)理論與方法［M］．長沙:國防科技大學(xué)出版社，2009．

［5］SLOCUM A H．Precision machine design［M］．Prentice－ Hall Inc，Dearborn，Michigan．USA，1992．

［6］ALTINTAS Y，BRECHER C，WECK M，et al．Virtual machine tools［J］．Annals of the CIRP，2005，54（2）:651 －674．

［7］CHENG K，SHORE P．Special issue on“design of ultraprecision and micro machine tools and their key enabling technologies”［J］．International Journal of Machine Tools＆ Manufacture，2010，50（4）:309．

［8］LI Tianjian ，DING Hui，CHEN Shijin，et al．An Integrated engineering approach for agile design of high precision machines and its implementation perspectives［J］．International Journal of Agile Manufacturing，2011，11（2）:60 －65．

［9］CHEN M F，HUANG W L，CHEN Y P．Design of the aerostatic linear guideway with a passive disk－spring compensator for PCB drilling machine［J］．Tribology International，2010，43（1/2）:395 －403．

［10］KAWAI T，EBIHARA K，TAKEUCHI Y．Improvement of machining accuracy of 5－axis control ultraprecision machining by means of laminarization and mirror surface finishing［J］．Annals of the CIRP，2005，54（1）:329－332．

［11］張君安．高剛度空氣靜壓軸承研究［D］．西安:西北工業(yè)大學(xué)，2006．

［12］孫西芝．臺式納微米機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2003:12 －19．

［13］LI Tianjian，CHEN Shijin，CHENG Kai．Optimization on motion errors of ultra－precision machine tools based on multi－body system and monte carlo simulation［J］．Advanced Materials Research，2011，201:543－549．