朱歡歡

【摘 要】文章以機(jī)床直線電機(jī)工作臺(tái)作為研究對(duì)象，對(duì)電機(jī)與導(dǎo)軌之間結(jié)合面的參數(shù)確定方法進(jìn)行說(shuō)明;對(duì)該模型進(jìn)行有限元建模及其動(dòng)力學(xué)仿真方法逐一說(shuō)明，說(shuō)明每種方法如何實(shí)施;對(duì)模型模態(tài)測(cè)試也進(jìn)行相關(guān)說(shuō)明。將仿真分析與實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合起來(lái)，從而得到更準(zhǔn)確的計(jì)算數(shù)據(jù)，為后續(xù)其他人從事相關(guān)研究提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】機(jī)床直線電機(jī)工作臺(tái);有限元建模;動(dòng)力學(xué)仿真

【中圖分類號(hào)】TH112 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）12-0126-02

0 引言

數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的主流設(shè)備，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是實(shí)現(xiàn)零件分度加工的重要附件，用于各種圓弧加工、與直線坐標(biāo)進(jìn)給聯(lián)動(dòng)進(jìn)行曲面加工及實(shí)現(xiàn)精確的數(shù)控分度。準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)與控制參數(shù)，可以保證數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)快速響應(yīng)的精確度和穩(wěn)定性[1]。直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能而不需要任何轉(zhuǎn)換裝置的新型電機(jī)，它具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、磨損少、噪聲低、組合性能強(qiáng)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[2]?，F(xiàn)階段，直線電機(jī)振動(dòng)主要的計(jì)算分析方法是解析法和有限元法，解析法針對(duì)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單或者針對(duì)一些特殊情況的電機(jī)振動(dòng)可以進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算[3]。近年來(lái)，數(shù)控機(jī)床的研究方向主要集中在進(jìn)給系統(tǒng)方面，對(duì)工作臺(tái)方面的研究較少。本文主要是研究機(jī)床工作臺(tái)直線電機(jī)動(dòng)態(tài)仿真方法，為后續(xù)工作臺(tái)方面的仿真提供一個(gè)新思路。

直線電機(jī)能直接將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，不需要中間環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換，它是由旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿著軸向展開延伸得來(lái)。直線電機(jī)的優(yōu)勢(shì)明顯。第一，節(jié)省空間。采用直線電機(jī)后，省略了很多中間環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，增加機(jī)床空間布局范圍。第二，響應(yīng)速度高。電氣元件的響應(yīng)速度大大增加，縮減了中間機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)反應(yīng)時(shí)間。第三，噪音低，無(wú)磨損，效率高。中間傳動(dòng)件沒(méi)有了，機(jī)械零部件之間是零接觸，減少摩擦過(guò)程中的能力耗損，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。第四，行程長(zhǎng)度不限。驅(qū)動(dòng)行程是由電機(jī)本身決定的，可以根據(jù)需要鋪設(shè)想要的長(zhǎng)度。電機(jī)出力停止或者驟然停電，由于慣性的作用，運(yùn)動(dòng)部件會(huì)繼續(xù)前進(jìn)，所以要設(shè)計(jì)好防撞機(jī)械裝置。

1 結(jié)合面參數(shù)的確定

在裝配過(guò)程，機(jī)床直線電機(jī)工作臺(tái)零件之間有很多連接，存在著固定結(jié)合面或是運(yùn)動(dòng)結(jié)合面，這些結(jié)合面既有彈性又有阻尼，具有存儲(chǔ)能量又消耗能量的特性，選擇不匹配的連接方式，可能會(huì)增加整體結(jié)構(gòu)的阻尼，降低剛度，影響系統(tǒng)的固有頻率。因此，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析時(shí)，必須確定結(jié)合面的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。只有這樣，仿真的結(jié)果才能更貼近實(shí)際，才能有效地預(yù)測(cè)整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。

動(dòng)力學(xué)參數(shù)的識(shí)別方法有理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以及理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，有些結(jié)合面動(dòng)力學(xué)參數(shù)很難采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論計(jì)算相結(jié)合的方法，可以參考其文獻(xiàn)內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)仿真方法驗(yàn)證，計(jì)算得到適用于本論文結(jié)合面動(dòng)力學(xué)參數(shù)。例如，直線電機(jī)與導(dǎo)軌之間采用零接觸，導(dǎo)軌為導(dǎo)向作用，直線電機(jī)受到另外約束和限制。

2 有限元模型與仿真方法

2.1 有限元模型

機(jī)床工作臺(tái)直線電機(jī)模型中，先要對(duì)幾何模型進(jìn)行處理，去掉直接小于4 mm的螺紋孔，去除倒角，這些都是對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量影響很大的部分，但是刪除它們不影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果;對(duì)于焊接或者拼接部分，可以將其看作是一個(gè)整體。系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)形狀對(duì)稱且規(guī)整的零件采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，其余的則考慮運(yùn)用四面體網(wǎng)格，并進(jìn)行二次節(jié)點(diǎn)?？紤]到部分零件對(duì)整體結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響很小，會(huì)刪除這部分零件。

采用Hypermesh軟件對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行前處理，其中直線電機(jī)的動(dòng)子和定子部分是分開的，劃分網(wǎng)格時(shí)，定子作為一個(gè)整體考慮。固定部分采用剛性連接，電機(jī)與導(dǎo)軌之間采用彈簧作為連接單元，分別設(shè)置垂向和垂直于導(dǎo)軌方向的剛度和阻尼，后處理部分采用nastran進(jìn)行計(jì)算，材料選擇的都是線性材料，在進(jìn)行靜力分析時(shí)，運(yùn)用胡克定律進(jìn)行仿真。

2.2 仿真方法

靜力分析是用來(lái)分析結(jié)構(gòu)在給定的靜力載荷作用下的響應(yīng)，例如位移、應(yīng)力及應(yīng)變等。機(jī)床工作臺(tái)直線電機(jī)模型中，受到自身重力的影響，橫梁會(huì)產(chǎn)生位移量，導(dǎo)致直線電機(jī)與導(dǎo)軌之間的間隙減少。在進(jìn)行約束設(shè)置時(shí)，考慮到接觸面之間無(wú)摩擦，采用約束力的方式，作用于接觸點(diǎn)，其方向是沿著該接觸面的法線方向上設(shè)置重力加速度，在系統(tǒng)的重力與約束力的共同作用下，計(jì)算出彈性范圍內(nèi)整體結(jié)構(gòu)的位移量。

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)的固有特性。將機(jī)床工作臺(tái)直線電機(jī)模型看成一個(gè)線性系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^(guò)理論經(jīng)驗(yàn)公式或是激勵(lì)測(cè)試的方式，獲得系統(tǒng)的固有頻率和振型，判斷其是否與其他機(jī)構(gòu)產(chǎn)生共振，改變系統(tǒng)的比模量，提高或者降低結(jié)構(gòu)的固有頻率，有效指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。導(dǎo)軌底部是固定連接在平臺(tái)上的，對(duì)其底部采用全約束，設(shè)置求解范圍，計(jì)算結(jié)構(gòu)頻率范圍為0～2 000 Hz，取其前7階振型和頻率。

頻率響應(yīng)分析是一種用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受隨時(shí)間按一定規(guī)律變化載荷時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。本系統(tǒng)中電機(jī)一直出力，假設(shè)電機(jī)出1 N的力，判斷系統(tǒng)隨時(shí)間變化的響應(yīng)情況。分析仿真計(jì)算得到的結(jié)果，能夠預(yù)估機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

諧響應(yīng)分析是確定該線性結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間成正弦或余弦變化作用下隨時(shí)間變化的響應(yīng)情況。該分析能夠預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的連續(xù)動(dòng)力學(xué)特性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的模型是否能夠避開共振、疲勞及其他不利影響。在計(jì)算得到模態(tài)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用模態(tài)疊加法對(duì)模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析。計(jì)算出電機(jī)出力曲線，作為輸入激勵(lì)，在橫梁上安裝刀具的地方作為輸出點(diǎn)，查看輸出的曲線上是否有很大的峰值。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

模態(tài)試驗(yàn)中激勵(lì)方式有正弦、隨機(jī)和瞬態(tài)，選擇不同的激勵(lì)方式，識(shí)別模態(tài)參數(shù)的方法各不相同，有單輸入單輸出、單輸入多輸出和多輸入多輸出3種方法。單輸入單輸出的方法是同時(shí)采用輸入與輸出兩個(gè)點(diǎn)的信號(hào)，不斷移動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)的位置或者響應(yīng)點(diǎn)的位置得到結(jié)構(gòu)的振型，單輸入多輸出及多輸入多輸出的方法要求采用大量的通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這樣就需要大量的傳感器或振蕩器，試驗(yàn)成本較高。本文中模態(tài)測(cè)試建議采用單輸入單輸出的方法。

為了最大限度地減少模態(tài)丟失問(wèn)題，需要合理布置激勵(lì)點(diǎn)與響應(yīng)點(diǎn)各自的位置，可以預(yù)先選擇幾點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，查看輸出的函數(shù)曲線，確定最終的測(cè)試點(diǎn)頻率響應(yīng)函數(shù)曲線光滑且清晰。測(cè)試點(diǎn)布置能夠保證輸出的曲線計(jì)算出結(jié)構(gòu)的振型，且關(guān)鍵點(diǎn)也在測(cè)試范圍內(nèi)。本文中測(cè)試激勵(lì)信號(hào)采用脈沖信號(hào)，即采用錘擊法，該力激勵(lì)點(diǎn)的選擇主要考慮以下兩點(diǎn)：{1}激勵(lì)點(diǎn)的位置避開結(jié)構(gòu)振型上的節(jié)點(diǎn)，保證測(cè)試系統(tǒng)有很高的信噪比;{2}激勵(lì)點(diǎn)位置處的剛度盡量大，便于激勵(lì)能量進(jìn)行傳遞。

被測(cè)試機(jī)床工作臺(tái)直線電機(jī)模型處于一定的約束狀態(tài)中，理論分析時(shí)非常重視約束情況，但是實(shí)際操作中很難到達(dá)，會(huì)考慮采用替代的支承方式。該方式有自由支承和地面支承。機(jī)床工作臺(tái)直線電機(jī)質(zhì)量和體積都很大，很難采用懸掛法，只能采用地面支承方式，結(jié)構(gòu)與地面之間的加速度傳遞導(dǎo)納較小，可以忽略不計(jì)。

4 總結(jié)與展望

直線電機(jī)運(yùn)用到機(jī)床上，既有優(yōu)點(diǎn)又有缺點(diǎn)。當(dāng)機(jī)床直線電機(jī)工作時(shí)，進(jìn)行電磁轉(zhuǎn)換產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致直線電機(jī)內(nèi)部的溫度升高，如果散熱系統(tǒng)不完善的時(shí)候，會(huì)造成機(jī)床導(dǎo)軌受熱變形，影響機(jī)床的精度。直線電機(jī)會(huì)吸附周圍的磁性物質(zhì)，減少氣隙，改變了磁場(chǎng)力的大小，導(dǎo)致推力發(fā)生變化，必須對(duì)直線電機(jī)模型采用防磁措施。

機(jī)床工作臺(tái)直線運(yùn)動(dòng)促進(jìn)了制造業(yè)的發(fā)展，大大提高了加工精度和加工效率。為了更好地研究直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真和分析方法進(jìn)行研究，保證機(jī)床工作臺(tái)直線電機(jī)仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果有據(jù)可依，為以后類似研究和設(shè)計(jì)提供新思路。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]陳東菊，董麗華，潘日，等.滑移及黏度對(duì)超緊密氣浮工作臺(tái)性能影響研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，51（11）：63-70，143.

[2]唐振宇.直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2009，37（3）：62-63，70.

[3]岳非弘，李爭(zhēng)，王群京.U型無(wú)鐵芯直線電機(jī)的振動(dòng)模態(tài)計(jì)算與分析[J].電機(jī)技術(shù)，2018（11）：117-122.

[4]余顯忠，陳學(xué)東，葉燚璽，等.精密雙層氣浮直線電機(jī)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析[J].中國(guó)機(jī)械工程，2008，19（7）：761-

765.

[5]張翔，葉佩青，張輝，等.基于組合繼電反饋的永磁同步直線電機(jī)推力波動(dòng)辨識(shí)方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2017

（9）：1-9.

[6]程雪峰.直線電機(jī)在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用[J].工業(yè)技術(shù)，2018

（12）：4-5，23.

[7]李周平.基于直線電機(jī)的數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（3）：158-160.

[8]梁惠升，王天乙，焦宗夏，等.新型直線振蕩電機(jī)建模與動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，40

（5）：662-667.

[9]許丹，劉強(qiáng)，袁松梅，等.一種龍門式加工中心橫梁的動(dòng)力學(xué)仿真研究[J].振動(dòng)與沖擊，2008，27（2）：169-

171，185.

[10]張從鵬，鄧士龍，徐宏海，等.直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的微銑床整機(jī)動(dòng)態(tài)特性分析[J].機(jī)床與液壓，2015，43（23）：178-183.

[11]李增剛.Nastran快速入門與實(shí)例[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[12]胡新宇，張東，劉音，等.直線舵機(jī)測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)建模與仿真[J].2017，32（2）：7-11.