鄭天池，張 軍，鞠家全，郭永海，邱自學(xué)

（1.南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南通 226019；2.江蘇省經(jīng)濟(jì)和信息化研究院，南京 210003）

0 引言

數(shù)控機(jī)床是集先進(jìn)制造技術(shù)和制造信息為一體的重要裝備，是發(fā)展裝備制造業(yè)、高精尖技術(shù)產(chǎn)業(yè)必不可少的復(fù)雜生產(chǎn)工具[1]。 “旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”是目前機(jī)床產(chǎn)品中最常見的進(jìn)給方式，但在高速運(yùn)行時(shí)存在彈性變形大、響應(yīng)速度慢、有反向間隙、易磨損等缺陷[2～4]。而永磁直線同步電機(jī)（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor, PMLSM）是一種不需要通過中間任何轉(zhuǎn)換裝置，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的新型電機(jī)，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、進(jìn)給速度快、響應(yīng)速度高、無機(jī)械磨損、噪音低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[5]。PMLSM將廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、特種加工、機(jī)器工業(yè)和儀器儀表工業(yè)等領(lǐng)域[6～9]。

鑒于直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式的諸多優(yōu)點(diǎn)，各種高性能數(shù)控機(jī)床已越來越多地采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)[10,11]。美國Ingersoll公司開發(fā)了X、Y、Z三軸采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的臥式加工中心（HVM600），用于加工汽車發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸；日本SODICK將直線電機(jī)用于電火花成形加工設(shè)備；法國Renault Automation生產(chǎn)的Urane20/25所有進(jìn)給軸采用直線電機(jī)進(jìn)給，專門用于大型零件切削加工。目前，直線電機(jī)技術(shù)在上述領(lǐng)域的應(yīng)用雖取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，但由于直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)存在的自重相對較大、功耗大、電機(jī)過載會(huì)造成溫度升高、冷卻不佳易造成機(jī)床結(jié)構(gòu)變形等缺陷[12]，在精密零件、3C、PCB板等高速高精加工領(lǐng)域的應(yīng)用還不夠廣泛。

1 整體方案設(shè)計(jì)

1.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

立式加工中心進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有固定立柱和移動(dòng)立柱兩種。為滿足機(jī)床高速高精、剛性好、便于直線電機(jī)安裝等要求，本文選取固定立柱結(jié)構(gòu)型式?；诠潭⒅O(shè)計(jì)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)立式加工中心進(jìn)給系統(tǒng)X、Y、Z軸由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)由一個(gè)二維的水平運(yùn)動(dòng)平臺(tái)（X、Y軸）和一個(gè)垂直方向運(yùn)動(dòng)（Z軸）構(gòu)成。所設(shè)計(jì)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速立式加工中心的主進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1中，在床身上設(shè)置Y向進(jìn)給單元，床鞍放置在Y向進(jìn)給單元上方，在床鞍的上方設(shè)置X向進(jìn)給單元，X向直線電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)做X向往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。床身的后端放置固定立柱，在立柱上設(shè)置Z向進(jìn)給單元，Z向進(jìn)給單元帶動(dòng)主軸箱運(yùn)動(dòng)部件做Z軸方向的上下移動(dòng)。

1.2 參數(shù)設(shè)定

依據(jù)加工對象的結(jié)構(gòu)特征及尺寸大小，確定了X、Y、Z三軸的行程分別為500mm、400mm、400mm。中高檔3C產(chǎn)品精密模具的精度要求相對較高，設(shè)定了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速立式加工中心的技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。

表1 技術(shù)指標(biāo)參數(shù)設(shè)定

為實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制要求，設(shè)定了X、Y、Z三軸的進(jìn)給速度，如表2所示。

表2 進(jìn)給速度參數(shù)設(shè)定

1.3 直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)原理

如圖2所示，直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)工作時(shí)，數(shù)控單元通過通訊結(jié)構(gòu)將控制指令傳遞給運(yùn)動(dòng)伺服控制器單元，運(yùn)動(dòng)伺服控制器單元將信號傳遞給控制電路，控制電路通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）伺服信號控制直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)與停止；在運(yùn)動(dòng)過程中，通過傳感單元將直線電機(jī)的磁極信息、電流信息、速度信息、位置信息等進(jìn)給系統(tǒng)信息反饋給伺服系統(tǒng)，形成對系統(tǒng)的雙閉環(huán)反饋；在高速加工過程中，直線進(jìn)給單元通過精密插補(bǔ)和微量進(jìn)給調(diào)節(jié)，可以獲得理想的加工精度和表面質(zhì)量[13]。

式中：Fxmax為最大推力，mx為X向移動(dòng)部件的總質(zhì)量，ax為X向加速度，u為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，F(xiàn)g為直線電機(jī)初級與次級的引力。

根據(jù)式(1)計(jì)算出的推力值可初步進(jìn)行X向直線電機(jī)的選型。在初步選型的基礎(chǔ)上對所選直線電機(jī)進(jìn)行校核計(jì)算：

1）快速移動(dòng)滿足響應(yīng)的加減速要求：

1.3.2 直線電機(jī)選型

X向快速移動(dòng)時(shí)直線電機(jī)的最大推力為：

2）恒定速度切削要求：

式中：Fth為所選直線電機(jī)的實(shí)際推力，F(xiàn)c為直線電機(jī)持續(xù)推力。

1.4 機(jī)床功能部件設(shè)計(jì)

機(jī)床功能部件設(shè)計(jì)主要包括主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)、油冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主軸系統(tǒng)主要由主軸電機(jī)、主軸、聯(lián)軸器、傳動(dòng)單元等部分組成，主軸最大轉(zhuǎn)速設(shè)定為20000rpm。油冷系統(tǒng)中油冷機(jī)的流量設(shè)定為30L/min，從而保證直線電機(jī)及主軸的快速冷卻。控制系統(tǒng)采用全閉環(huán)控制，提高進(jìn)給系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。

1.5 機(jī)床整體結(jié)構(gòu)

直驅(qū)型高速立式加工中心整機(jī)采用C型機(jī)床結(jié)構(gòu)，整機(jī)效果圖如圖3所示，能夠?qū)崿F(xiàn)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元在進(jìn)給系統(tǒng)中的便捷安裝。融合合理結(jié)構(gòu)方案、現(xiàn)代傳感器技術(shù)、設(shè)計(jì)高性能的驅(qū)動(dòng)單元和控制系統(tǒng)，可以充分發(fā)揮直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)的高性能。

圖2 直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)工作原理圖

圖3 整機(jī)效果圖

2 靜態(tài)特性分析

2.1 模型簡化與網(wǎng)格劃分

計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）是一種常用于工程、機(jī)械等行業(yè)的數(shù)值模擬分析軟件，可以高效輔助工程人員的樣機(jī)設(shè)計(jì)分析。CAE分析中常用方法之一為有限元法（FEM）。

本文采用ANSYS Workbench（AWB）有限元分析軟件對整機(jī)靜態(tài)特性進(jìn)行分析。將直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速立式加工中心的整機(jī)三維實(shí)體模型，導(dǎo)入到AWB有限元分析軟件中，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，如圖4所示。

圖4 簡化后整機(jī)三維實(shí)體模型

將簡化后的模型轉(zhuǎn)化成Geomotry，重新編輯各個(gè)零件的連接關(guān)系，將螺栓連接在一起的零件和不重要的面接觸簡化為綁定，定義各個(gè)零件的材質(zhì)，主要零件材質(zhì)有Structure Steel（45鋼，密度為7850kg/m3，彈性模量E為2×1011Pa/mm，泊松比μ為0.3）、Gray Cast Iron（HT250，密度為7200kg/m3，彈性模量E為1.18×1011Pa/mm，泊松比μ為0.28）。

在完成所有零件及整體的定義后進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，實(shí)現(xiàn)有限單元與節(jié)點(diǎn)的有序、可靠連接。整機(jī)模型合理簡化后進(jìn)行的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示，共有587220個(gè)節(jié)點(diǎn)，328634個(gè)單元組成。

圖5 加工中心有限元分析模型網(wǎng)格劃分

2.2 變形量與應(yīng)力分析

在AWB平臺(tái)的Static Structure模塊下進(jìn)行最大載荷工況下機(jī)床主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛性分析。整機(jī)在極限切削載荷作用下，變形云圖如圖6所示，應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖6 機(jī)床靜態(tài)分析的變形云圖

從圖6中可以看出：所設(shè)計(jì)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速立式加工中心進(jìn)給系統(tǒng)中，十字平臺(tái)（XY向）進(jìn)給系統(tǒng)變形量最小，小于0.008mm，說明十字平臺(tái)結(jié)構(gòu)平穩(wěn)性較好；主軸端面變形量最大，但最大變形量小于 0.01mm，說明整機(jī)結(jié)構(gòu)變形量很小，抗切削剛性較好。因此，能夠滿足加工精度和加工時(shí)的進(jìn)給系統(tǒng)剛度要求。

圖7 機(jī)床靜態(tài)分析的應(yīng)力云圖

從圖7中可以看出，所設(shè)計(jì)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速立式加工中心進(jìn)給系統(tǒng)最大應(yīng)力5.66MPa（小于HT250的屈服強(qiáng)度σb=250MPa），說明整機(jī)的應(yīng)力值很小，平均應(yīng)力為2.51MPa，得益于整機(jī)筋板結(jié)構(gòu)分布均勻，結(jié)構(gòu)傳遞載荷能力強(qiáng)。但是在立柱與床身結(jié)合附近有應(yīng)力集中現(xiàn)象，在機(jī)床切削加工過程中，銑頭隨著切削載荷變化，易產(chǎn)生交變載荷引起的疲勞破壞，所以在切削加工等使用過程中應(yīng)減少交變載荷的產(chǎn)生。

綜上所述，所設(shè)計(jì)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速立式加工中心進(jìn)給系統(tǒng)具有良好的強(qiáng)度和剛度，能滿足機(jī)床在加工過程中高精度的要求。

3 動(dòng)態(tài)特性分析

在結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性分析中，模態(tài)分析是工程結(jié)構(gòu)中常見的動(dòng)力學(xué)分析之一，其主要求解系統(tǒng)的固有頻率及振型，根據(jù)振動(dòng)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)對結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能進(jìn)行預(yù)測、評價(jià)。

對于可變形的彈性體零部件而言，在空間內(nèi)有無窮多自由度，故可以求解無窮多階振型，但在實(shí)際工程中，往往只考察幾階與被分析工程結(jié)構(gòu)實(shí)際工況相關(guān)的模態(tài)情況，所以在模態(tài)分析中，只需要求出設(shè)計(jì)分析需要的前幾階模態(tài)，本文對整機(jī)前六階模態(tài)進(jìn)行分析，分析結(jié)果云圖如圖8所示。

圖8 前六階模態(tài)響應(yīng)云圖

整機(jī)前六階模態(tài)響應(yīng)結(jié)果如表3所示，在低階頻率范圍內(nèi)，由于平衡杠伸出量較大，容易出現(xiàn)在低階頻率內(nèi)振動(dòng)，整個(gè)機(jī)床的結(jié)構(gòu)相對抗振性能比較好，在低速粗加工過程中主動(dòng)避開第1、2、5、6階的加工轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的加工激振頻率，盡量避開前六階各個(gè)模態(tài)頻率相對應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速。

表3 整機(jī)前六階模態(tài)響應(yīng)結(jié)果

從表3中的模態(tài)頻率分析結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速立式加工中心進(jìn)給系統(tǒng)能夠滿足粗加工及加減速對機(jī)床抗振特性的要求。然而面向電子信息業(yè)的高速立式加工中心更多是完成精密零件的鉆銑加工，其切削載荷不會(huì)很大，但是對精度要求很高，尤其要避開激振力和自激振動(dòng)對精度的影響。

4 結(jié)論

1）為滿足機(jī)床高速高精的加工要求，設(shè)計(jì)了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速立式加工中心的整體結(jié)構(gòu)，在方案設(shè)計(jì)中，充分考慮結(jié)構(gòu)布局、電機(jī)選型、功能部件選擇，利用直線電機(jī)作為立式加工中心進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元可以提高立式加工中心的切削進(jìn)給速度和控制精度，提高生產(chǎn)效率。

2）對設(shè)計(jì)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速立式加工中心整機(jī)基于有限元的靜動(dòng)態(tài)特性分析，結(jié)果顯示：整機(jī)具有良好的強(qiáng)度、剛度和抗振特性，滿足粗加工及加減速對機(jī)床結(jié)構(gòu)的剛性、強(qiáng)度及抗振特性要求，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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