超精密機床多尺度設計方法和仿真研究

李天箭 丁 輝 程 凱

（哈爾濱工業(yè)大學機電學院，黑龍江哈爾濱 150001）

超精密加工機床系統(tǒng)是包含機械結構，控制系統(tǒng)，電磁驅動，內在氣、固、熱、電、磁相互作用的復雜機電系統(tǒng)。系統(tǒng)設計包含顯著的多層次、復雜耦合特征。目前超精密加工機床在機械結構設計時，往往只針對具體應用的精度需求，先進行系統(tǒng)結構布局設計與分析，然后進行部件的設計與分析，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)化設計。盡管各國精密機床廠和制造科學家設計了各種超精密加工機床，有許多針對具體應用的機床設計與優(yōu)化分析案例［1－4］，但設計往往是“具體應用—經驗驅動”，尚沒有任何機床系統(tǒng)集成設計理論體系。1992年，美國MIT的著名學者Slocum教授曾編寫《Precision Machine Design》一書［5］，該書是精密機床具體應用—經驗驅動設計方法的代表性著作。

CIRP會員Altintas教授在2005年CIRP大會上曾針對虛擬機床技術的研究狀況與未來發(fā)展趨勢進行了詳細的綜述分析［6］。他的綜述報告探討了機床的多體動力學模型，并討論了機床靜力學、結構動力學以及控制策略集成仿真環(huán)境等問題。2010年3月，機械工程著名刊物《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”（“超精密加工機床設計與關鍵技術”?？?］指出，復雜系統(tǒng)集成技術是超精密加工機床的關鍵技術之一。集成設計與仿真分析是實現(xiàn)機床指標評價、系統(tǒng)綜合設計的重要手段。因此，在機床系統(tǒng)統(tǒng)一建模求解的基礎上，結合超精密加工機床系統(tǒng)的多尺度、多層次復雜特性，開展超精密加工機床系統(tǒng)的集成仿真環(huán)境和實驗平臺的研究具有重要的意義。

1 多尺度集成設計方法

在精密機床的設計中，機床產品本身是具有多尺度特征的，如圖1所示。對任何一臺精密機床，都可以從宏觀尺度、介觀尺度、微觀尺度來區(qū)分機械結構、驅動部件及控制系統(tǒng)等。在當代設計中，圖中9大區(qū)域每一塊都有很多熱點問題為技術人員、專家學者們研究。并隨著基礎理論的應用研究、仿真技術的發(fā)展和各模塊研究的日益成熟，這些正是本文建立機床系統(tǒng)設計的統(tǒng)一表述模型基礎。即通過“部件－系統(tǒng)－集成－應用”實現(xiàn)超精密加工機床系統(tǒng)多尺度設計，形成超精密加工機床的集成設計理論體系。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現(xiàn)的。

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

2 機械結構中的多尺度

2．1 動力分析模塊

現(xiàn)階段機床機械機構設計中，為達到良好的動態(tài)性能，通?？梢圆捎枚喾N微結構，目前應用較多的是浮動導軌的氣孔結構。本文使用本實驗室已有機床與改進氣浮導軌微結構機床進行仿真對比來闡述微結構對宏觀性能的影響。機械結構多尺度模型如圖2所示。

2．2 動力分析流程

如圖3所示，動力分析是以機床為載體，以外力為激勵，計算剛度和響應，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 微結構對宏觀動特性影響分析

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

3．1 微結構與無微結構導軌工作條件

為保證仿真數(shù)據(jù)的可信性，仿真中數(shù)據(jù)使用了筆者實驗室現(xiàn)有超精密機床導軌設計數(shù)據(jù)［12］。此數(shù)據(jù)可通過傳統(tǒng)無微結構導軌表面壓強的仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)一致性，確保仿真方法的正確性。

導軌工作基本條件如表1所示。

表1 導軌工況表

3．2 仿真及實驗結果

圖4為微結構和無微結構壓強分布圖，其中傳統(tǒng)無微結構導軌壓強仿真結果與實驗結果基本一致，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，微結構表面的設計明顯改善了導軌表面的壓強分布，因此，將會改善整體的動性能。

3．3 不同微結構下機床的動特性

為了進一步說明微結構對動態(tài)性能的改善，進行了氣壓波動時壓強波動仿真。圖5是外界氣壓從0.4 MPa波動到0.5 MPa時，動導軌氣壓面上壓強對面積積分后得到的壓力波動曲線。方點為有微結構，圓點為無微結構。

由圖5可知，微結構改變了導軌的動態(tài)承載能力，同時，基于承載能力與剛度成正比的關系，微結構提升了導軌的動剛度。可以肯定地說，微結構將同樣提升機床的動剛度，改善機床的動態(tài)特性。

圖6是使用多尺度集成模型計算出的兩種結構在0.1 s內壓強由0.4 MPa波動到0.5 MPa并復原后引發(fā)的宏觀結果:Y向跳動?？紤]到兩導軌同時受氣壓影響發(fā)生跳動［13］，計算Y向跳動時，計算相對跳動。從圖中可知，與傳統(tǒng)氣腔（圖6a）相比，帶有微結構的（圖6b）機床氣壓變化引起的Y向跳動減小了0.09 μm，機床動特性更好。

4 結語

本文提出了多尺度集成設計方法，建立了多尺度集成設計模型。并通過動導軌微結構設計對超精密機床宏觀動態(tài)性能的影響，說明了機床設計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．精密和超精密機床設計理論與方法［M］．長沙:國防科技大學出版社，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，2006．

［12］孫西芝．臺式納微米機床關鍵技術研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，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．