斯迎軍，高 峰

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

低溫共燒陶瓷技術(shù)(LTCC)是一種新型多層基板工藝技術(shù)，由于采用了獨特的材料體系，使其成為電子系統(tǒng)最理想的選用材料[1]，而打孔機是LTCC基板制造的關(guān)鍵設(shè)備之一，用于完成互連孔、散熱孔、接地孔、過渡孔以及預(yù)埋件的腔體沖制[2]。精密運動平臺又是打孔機的核心部件，其動態(tài)性能是影響加工精度的關(guān)鍵因素。隨著生產(chǎn)效率的不斷提高，對沖孔速度與沖孔精度提出了更高的要求：沖孔速度1 500孔/min，沖孔精度±10 μm，運動平臺加速2 g，定位精度±1.5 μm。為滿足這些要求，必須對運動平臺機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能進行研究與優(yōu)化。

本文以打孔機運動平臺為研究對象，采用單因素法，建立其有限元模型并進行動力學(xué)分析。通過調(diào)整導(dǎo)軌跨距和平臺重心位置，對Y向平臺剛度進行優(yōu)化。

1 運動平臺機械結(jié)構(gòu)

打孔機精密運動平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示，該運動平臺由兩個直線電機驅(qū)動的一維平臺正交疊加組成。

1-X底座；2-X方向滑臺；3-Y方向滑臺；4-氣爪組件

該運動平臺的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 運動平臺主要技術(shù)參數(shù)

2 運動平臺性能測試與評估

打孔機的運動平臺控制器采用以色列ACS公司生產(chǎn)的多軸運動控制器(以下簡稱ACS運動控制器)。該控制器配套的SPiiPlus MMI Application Studio 2.28軟件包括了一個頻率響應(yīng)函數(shù)分析工具(FRF Analyzer)，使用該工具可以獲得運動平臺X方向、Y方向機械結(jié)構(gòu)的帶寬、幅值裕度以及相角裕度等特征參數(shù)如圖2所示。

從圖2(a)中可以看出X方向機械結(jié)構(gòu)的帶寬為 43.13 Hz、幅值裕度為13.6 dB ，相角裕度為36.5°，Y方向機械結(jié)構(gòu)的帶寬為14.7 Hz、幅值裕度為4.8 dB，相角裕度為22.1°。顯然，運動平臺在Y方向的機械帶寬較低，不符合系統(tǒng)參數(shù)整定目標[3](增益裕度>=10 db；相角裕度>=30°；帶寬>=30 Hz)，在該方向上容易發(fā)生共振，從而影響平臺的運動精度。

圖2 運動平臺在X、Y方向的頻響曲線

通過試驗發(fā)現(xiàn)，僅僅通過調(diào)整電機參數(shù)無法滿足參數(shù)整定的要求，需要對運動平臺Y方向的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提高該方向的動剛度。

3 Y向運動平臺有限元建模

首先運用三維軟件對Y向平臺組件進行建模，然后將模型導(dǎo)入到ABAQUS軟件中進行有限元模型的建模。

Y向平臺由Y向滾動導(dǎo)軌、Y向滑臺與氣爪組件構(gòu)成。Y向滾動導(dǎo)軌為THK公司的球保持器型LM滾動導(dǎo)軌，型號為SHS15V2SS-460LSP-Ⅱ，該類型導(dǎo)軌屬于四方向等載荷型滾動導(dǎo)軌[4]。

導(dǎo)軌與滑塊間的結(jié)合面建模時，選用12組彈簧單元來模擬結(jié)合面，結(jié)合面的參數(shù)通過查表進行確定[5]，彈簧單元的等效剛度如表2所示。

表2 滾動結(jié)合彈簧單元等效剛度值

Y向滑臺與滑塊、氣爪組件結(jié)合面由螺釘構(gòu)成，由于螺釘結(jié)合部的接觸面較小，連接螺釘數(shù)目較多，其影響與運動結(jié)合部相比較小，可忽略不計，故在為工作臺等結(jié)構(gòu)有限元建模時，對螺釘連接等固定結(jié)合面采用剛性連接處理。整個Y平臺的有限元模型如圖3所示。約束導(dǎo)軌底面的6個自由度，以模擬工作臺導(dǎo)軌系統(tǒng)邊界條件。

圖3 Y向運動平臺有限元模型

4 Y向運動平臺動力學(xué)仿真與優(yōu)化

目前，Y向運動平臺間的導(dǎo)軌跨距為185 mm。受上下料位置限制，導(dǎo)軌跨距最大為265 mm。導(dǎo)軌跨距依次取185 mm、225 mm和265 mm，記為d185、d225、d265。利用ABAQUS軟件中的BlockLanczos 方法分別對d185、d225和d265進行模態(tài)分析。

模擬分析結(jié)果顯示，系統(tǒng)的低階模態(tài)主要表現(xiàn)為工作臺沿三個方向的振動以及繞三個方向的扭轉(zhuǎn)變形，比較相同振型下各組模型的固有頻率值，如表3所示 其中，導(dǎo)軌軸向為Y向，Y向平臺上表面法向為Z向，垂直于導(dǎo)軌側(cè)面為X向。

表3 d185，d225，d265各階振型下的固有頻率值

由表3可知，導(dǎo)軌跨距的改變主要影響工作臺繞Y向的扭轉(zhuǎn)振動，且隨著導(dǎo)軌跨距的增加，該振型下的固有頻率不斷提高，說明系統(tǒng)抑制扭轉(zhuǎn)振動和變形的能力增強。圖4為d265的工作臺繞Y向扭轉(zhuǎn)振動的振型圖。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，將該Y向運動平臺導(dǎo)軌跨距調(diào)整為265 mm。

5 試驗驗證

根據(jù)上述仿真結(jié)果，將導(dǎo)軌跨距調(diào)整為265 mm，搭建了試驗平臺并使用頻率響應(yīng)函數(shù)分析工具(FRF Analyzer)對改進后的平臺進行試驗，試驗結(jié)果如圖5所示，Y方向機械結(jié)構(gòu)的帶寬為35.7、幅值裕度為22.1 dB，相角裕度為46.1°，滿足機械參數(shù)的要求，平臺的剛度得到了改善，為后續(xù)的電機參數(shù)調(diào)整奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖5 導(dǎo)軌跨距調(diào)整后Y方向的頻響曲線

6 結(jié)論

導(dǎo)軌跨距的改變對系統(tǒng)沿運動軸向的扭轉(zhuǎn)振動的影響較為明顯，且隨著導(dǎo)軌跨距的增大，運動平臺在相應(yīng)振型下固有頻率越高，抵抗振動和變形的能也越強，動態(tài)特性得到改善。所以，對于直線進給系統(tǒng)，在空間布局、工況等條件允許的情況下，優(yōu)先選擇較大的導(dǎo)軌跨距。

[1] 楊邦朝,付賢民,胡永達.低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)新進展[J].電子元件與材料,2008(6):1-5.

[2] 張曉云,唐卓睿.生瓷帶沖孔工藝設(shè)備應(yīng)用及發(fā)展趨勢[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2014,43(5):1-6.

[3] 鐘黔,洪榮晶.黃莜調(diào).基于ABAQUS的高加速度高精度定位氣浮平臺有限元分析[J].機械設(shè)計與制造,2013(4):137-140.

[4] 范晉偉,王鴻亮,張?zhí)m清,等.數(shù)控機床滾動導(dǎo)軌結(jié)合面剛度的有限元分析[J].制造業(yè)自動化,2016,38(2):134-138.

[5] 廖伯瑜，周新民，尹志宏.現(xiàn)代機械動力學(xué)及其工程應(yīng)用—建模、分析、仿真、修改、控制、優(yōu)化[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.