李長喜，王天雷，王 柱，趙 挺，陳惠添

（1.廣東科杰機械自動化有限公司，廣東江門 529030;2.五邑大學信息工程學院，廣東江門 529020）

0 引言

“3C產(chǎn)品”是計算機(Computer)、通信（Communication）和消費類電子產(chǎn)品（Consumer Electronics）三者結(jié)合，覆蓋面廣，需求量大，品種繁多。通常包括平板電腦、智能手機與手表、電子辭典、智能翻譯器與影音播放器等，其關鍵零部件關鍵零件主要有觸控面板、不銹鋼框架、手表底座與陶瓷表殼等，見圖1。目前，觸控面板模組表層的蓋板玻璃 (也稱cover-lens或cov?er-glass)也逐步應用到高端智能電子產(chǎn)品中。蓋板外廓的磨邊、拋光加工是極為重要的工序之一[1-3]。

1 “3C產(chǎn)品”專機

1.1 觸控面板工藝分析

圖1 典型的3C產(chǎn)品零件

智能手機、腕表等的觸控面板材質(zhì)大多為康寧玻璃(Corning gorilla glass)，具有高耐用度和防刮傷性，能承受強力擠壓和反復觸摸。目前，部分面板材料采用藍寶石玻璃(SAPPHIRE CRYSTAL)材質(zhì)后，其硬度僅次于金剛石達莫氏9級[5]，加工難度增加。一般觸控面板玻璃要進行打孔、開槽以及成形后的磨邊等加工[4]。本文主要討論磨邊工藝及其專機設計，磨邊加工方法為：在主軸上裝夾直徑大約為?1.5 mm～?10 mm的陶瓷結(jié)合劑金剛石指形組合刀具（砂刀/砂輪棒），沿面板的加工邊緣或其他位置進行磨削成形。實際加工過程時，工藝參數(shù)控制不好，產(chǎn)品會出現(xiàn)崩裂、崩邊、振紋等品質(zhì)問題，見圖2。

圖2 典型不良品圖

產(chǎn)生不良品情況除材料本身問題外，主要原因可分為：（1）工藝系統(tǒng)設計不合理；（2）工藝參數(shù)選定問題；（3）機床的動態(tài)特性問題。

1.2 KJ400專機設計

根據(jù)上述“3C產(chǎn)品”機床加工的工藝特點，本文設計了KJ400專機結(jié)構(gòu)（見圖3）。由于大理石材料具有對溫度不敏感、導熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)較小，內(nèi)阻尼系數(shù)較鋼材大15倍，具有良好的減震性能等優(yōu)點，專機的底座、立柱與橫梁均采用大理石，以期減小振動，提高機床的整體性能等。溜板等其他主件采用HT250鑄鐵。由于工件薄和易脆裂，采用真空吸附夾具，工作臺則采用鋁合金，專機主要參數(shù)見表1。

工藝系統(tǒng)是由機床、刀具、夾具和工件組成，為保證系統(tǒng)能高效、高精完成加工，機床必須具備良好的動態(tài)特性，本文采用有限元方法，對KJ400數(shù)控專機的整機結(jié)構(gòu)動態(tài)特性進行分析。

2 KJ400數(shù)控專機模態(tài)分析[5-6]

2.1 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析算法原理

多自由度系統(tǒng)以某一固有頻率振動時所呈現(xiàn)的振動形態(tài)稱為模態(tài)，此時系統(tǒng)各點位移存在一定的比例關系，稱為固有振型。不論何種阻尼情況，機械結(jié)構(gòu)對外力的響應都可以表示成由固有頻率、阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù)組成的各階振型模態(tài)的疊加。系統(tǒng)的運動微分方程為：

其中：[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；因為剛度矩陣；分別為系統(tǒng)的加速度、速度和位移；{F}為載荷向量。

求解系統(tǒng)的固有頻率和固有振型時，由于結(jié)構(gòu)的阻尼對其模態(tài)頻率及振型的影響很小，可忽略。

系統(tǒng)的自由振動方程可簡化為：

其中：{φ}為位移矢量的幅值；ω為角頻率。

將式(3)代入式((2)得：

式(4)在任何時刻t均成立，除去含t的項得：

由線性代數(shù)方程組有非零解的充分必要條件：

2.2 KJ400型專機三維模型建立

采用Solidworks軟件建立KJ400型專機三維模型，見圖3(a)。

2.3 有限元模型建立

采用有限元分析軟件ANSYS對KJ400數(shù)控專機進行分析，建模步驟如下。

表1 KJ400主要技術(shù)參數(shù)

圖3 KJ400數(shù)控專機

（1）模型的簡化。為了更加清晰地表現(xiàn)機床的整體形變，把軸承，絲杠去掉，將他們的剛度等效到導軌與滑塊的彈簧接觸單元上面，導入實體文件后，定義單元的類型和材料特性參數(shù)。

（2）網(wǎng)格劃分。使用實體單元Solid95對底座、橫梁，立柱，溜板等劃分網(wǎng)格。

（3）結(jié)合面處理。使用Combin14彈簧單元來連接可動的結(jié)合面，螺栓結(jié)合面則采用glue操作來進行部件模型裝配，彈簧剛度則根據(jù)相關數(shù)據(jù)進行計算得到，阻尼系數(shù)采用0.1。研究整機的動態(tài)特性，采用ANSYS網(wǎng)格劃分功能進行網(wǎng)格自動劃分，網(wǎng)格模型如圖1(b)。

（4）材料參數(shù)的確定。底座、立柱與橫梁采用大理石，溜板等其他主件采用HT250鑄鐵，工作臺采用鋁合金，性能參數(shù)見表2。

表2 材料性能參數(shù)

3 模態(tài)分析

專機底座是由螺栓固定在地面上，模態(tài)分析之前，先施加約束條件。在有限元模型中，把機床的邊界約束簡化為：約束與固定螺栓位置相對應的節(jié)點的各個方向的自由度，即在固定底座與螺栓位置相對應節(jié)點的各個自由度接觸表面加約束[7]。施加約束后的有限元模型如圖3(b)。通過ANSYS軟件仿真，計算得到整機的20階模態(tài)，前8階模態(tài)的固有頻率和振型見表3與圖4。

表3 整機前8階固有頻率及振型

4 KJ400專機振動激勵源分析[8-12]

整機動態(tài)設計主要目的是提高機床整機剛度，盡可能避免或減少工作時所產(chǎn)生的振動。導致機床振動主要激勵源有：①刀具切削加工時，切削力波動所引起；②伺服進給系統(tǒng)中電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩脈動、滾珠絲桿螺母、滾動導軌滑塊的制造精度和預緊力等問題，導致其在運動過程中產(chǎn)生摩擦力矩波動以及爬形；③電主軸的轉(zhuǎn)子/砂輪系統(tǒng)質(zhì)心偏離其回轉(zhuǎn)中心，在高速旋轉(zhuǎn)時，使電主軸—砂輪系統(tǒng)產(chǎn)生動不平衡引起的振動。

圖4 整機前8階的模態(tài)振型

問題①分析說明：當磨輪/磨棒在足夠銳利的情況下，單個磨粒所產(chǎn)生的激勵頻率遠大于表3中第6階固有頻率，對整機振動不會造成太大影響；問題②分析說明：由于其最大加工速度為10 m/min時，激勵頻率是在166 Hz以下，對加工質(zhì)量有影響，可能導致加工產(chǎn)品出現(xiàn)振紋/楞痕，見圖1(c)，但對整機振動影響極??；問題③分析說明：高速電主軸作為激振源，對整機振動的影響是不可避免，如何有效地控制和減小電主軸高速運轉(zhuǎn)時引起的動不平衡問題，減小高速電主軸/砂輪系統(tǒng)的振動是目前研究熱點之一。因此，在設計的KJ400數(shù)控專機時，作者希望機床整機各階固有頻率，能盡量遠離或避開對應電主軸工作所產(chǎn)生的激勵頻率。

根據(jù)用戶長期加工面板玻璃的經(jīng)驗積累，作者不斷試驗和相關參考資料，整理了面向幾種典型產(chǎn)品在不同加工工序/工步時，所對應的電主軸轉(zhuǎn)速分布范圍以及產(chǎn)生激勵的頻率，見表4。對比表3可知，電主軸工作區(qū)域所產(chǎn)生激勵頻率，大于表3中第6階固有頻率，小于后7、8階固有頻率，對KJ400數(shù)控專機整機的振動不會產(chǎn)生較大影響。

根據(jù)表4所列數(shù)據(jù)，對比表3整機前8階的固有頻率可知，電主軸工作時所產(chǎn)生激勵頻率均較好地避開了整機固有頻率，其動態(tài)性能滿足加工要求，特別是對面板玻璃類零件加工，見圖5，完全達到了設計要求。筆者對KJ400數(shù)控專機進行了現(xiàn)場測試（見圖6），基本驗證以上分析，本文不作詳細介紹。

表4 典型產(chǎn)品加工時對應主軸轉(zhuǎn)速

圖5 加工的產(chǎn)品

圖6 KJ400數(shù)控專機測試現(xiàn)場

目前，該類專機已經(jīng)批量化生產(chǎn)和銷售，得到終端應用客戶廣泛的好評。對于加工其他3C產(chǎn)品零件可根據(jù)具體情況，可通過適當?shù)母淖冋麢C結(jié)構(gòu)，或調(diào)整工藝參數(shù)，使工藝系統(tǒng)達到最佳匹配。

5 結(jié)語

本文通過面向“3C產(chǎn)品”的數(shù)控專機設計與分析，得出了如下結(jié)論：

（1）對機床振動激勵源分析表明，電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)質(zhì)量中心偏離與其旋轉(zhuǎn)中心，在高速旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的離心力是整機振動主要激振源；

（2）整機模態(tài)分析表明，在加工觸控面板時，KJ400數(shù)控專機處于前6階與7階固有頻率之間，其動態(tài)性能較好的滿足加工要求；

（3）對于其他3C產(chǎn)品零件的加工，如工藝參數(shù)與專機不能滿足，可通過改變整機結(jié)構(gòu)，或調(diào)整工藝參數(shù)使工藝系統(tǒng)達到最佳匹配。

本文分析結(jié)果，可為產(chǎn)品的進一步改進和新品開發(fā)提供依據(jù)。

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