直驅(qū)型高速立式加工中心設(shè)計與靜動態(tài)特性分析

鄭天池，張 軍，鞠家全，郭永海，邱自學

（1.南通大學 機械工程學院，南通 226019；2.江蘇省經(jīng)濟和信息化研究院，南京 210003）

0 引言

數(shù)控機床是集先進制造技術(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)必不可少的復雜生產(chǎn)工具[1]。 “旋轉(zhuǎn)電機+滾珠絲杠”是目前機床產(chǎn)品中最常見的進給方式，但在高速運行時存在彈性變形大、響應速度慢、有反向間隙、易磨損等缺陷[2～4]。而永磁直線同步電機（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)換成直線運動機械能的新型電機，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、進給速度快、響應速度高、無機械磨損、噪音低、維護方便等優(yōu)點[5]。PMLSM將廣泛應用于交通運輸、特種加工、機器工業(yè)和儀器儀表工業(yè)等領(lǐng)域[6～9]。

鑒于直線電機直接驅(qū)動方式的諸多優(yōu)點，各種高性能數(shù)控機床已越來越多地采用直線電機驅(qū)動技術(shù)[10,11]。美國Ingersoll公司開發(fā)了X、Y、Z三軸采用直線電機驅(qū)動的臥式加工中心（HVM600），用于加工汽車發(fā)動機汽缸；日本SODICK將直線電機用于電火花成形加工設(shè)備；法國Renault Automation生產(chǎn)的Urane20/25所有進給軸采用直線電機進給，專門用于大型零件切削加工。目前，直線電機技術(shù)在上述領(lǐng)域的應用雖取得了實質(zhì)性的進展，但由于直線電機進給系統(tǒng)存在的自重相對較大、功耗大、電機過載會造成溫度升高、冷卻不佳易造成機床結(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)域的應用還不夠廣泛。

1 整體方案設(shè)計

1.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

立式加工中心進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有固定立柱和移動立柱兩種。為滿足機床高速高精、剛性好、便于直線電機安裝等要求，本文選取固定立柱結(jié)構(gòu)型式?；诠潭⒅O(shè)計的直線電機驅(qū)動立式加工中心進給系統(tǒng)X、Y、Z軸由直線電機驅(qū)動，機床的主體結(jié)構(gòu)由一個二維的水平運動平臺（X、Y軸）和一個垂直方向運動（Z軸）構(gòu)成。所設(shè)計的直線電機驅(qū)動高速立式加工中心的主進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1中，在床身上設(shè)置Y向進給單元，床鞍放置在Y向進給單元上方，在床鞍的上方設(shè)置X向進給單元，X向直線電機帶動工作臺做X向往復直線運動。床身的后端放置固定立柱，在立柱上設(shè)置Z向進給單元，Z向進給單元帶動主軸箱運動部件做Z軸方向的上下移動。

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)定了直線電機驅(qū)動高速立式加工中心的技術(shù)指標，如表1所示。

表1 技術(shù)指標參數(shù)設(shè)定

為實現(xiàn)聯(lián)動控制要求，設(shè)定了X、Y、Z三軸的進給速度，如表2所示。

表2 進給速度參數(shù)設(shè)定

1.3 直線電機進給系統(tǒng)設(shè)計

1.3.1 直線電機進給系統(tǒng)原理

如圖2所示，直線電機進給系統(tǒng)工作時，數(shù)控單元通過通訊結(jié)構(gòu)將控制指令傳遞給運動伺服控制器單元，運動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的運動與停止；在運動過程中，通過傳感單元將直線電機的磁極信息、電流信息、速度信息、位置信息等進給系統(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，直線進給單元通過精密插補和微量進給調(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向移動部件的總質(zhì)量，ax為X向加速度，u為導軌摩擦系數(shù)，F(xiàn)g為直線電機初級與次級的引力。

根據(jù)式(1)計算出的推力值可初步進行X向直線電機的選型。在初步選型的基礎(chǔ)上對所選直線電機進行校核計算：

1）快速移動滿足響應的加減速要求：

1.3.2 直線電機選型

X向快速移動時直線電機的最大推力為：

2）恒定速度切削要求：

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

1.4 機床功能部件設(shè)計

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

1.5 機床整體結(jié)構(gòu)

直驅(qū)型高速立式加工中心整機采用C型機床結(jié)構(gòu)，整機效果圖如圖3所示，能夠?qū)崿F(xiàn)直線電機驅(qū)動單元在進給系統(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)計高性能的驅(qū)動單元和控制系統(tǒng)，可以充分發(fā)揮直線電機進給系統(tǒng)的高性能。

圖2 直線電機進給系統(tǒng)工作原理圖

圖3 整機效果圖

2 靜態(tài)特性分析

2.1 模型簡化與網(wǎng)格劃分

計算機輔助工程（CAE）是一種常用于工程、機械等行業(yè)的數(shù)值模擬分析軟件，可以高效輔助工程人員的樣機設(shè)計分析。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靜態(tài)特性進行分析。將直線電機驅(qū)動高速立式加工中心的整機三維實體模型，導入到AWB有限元分析軟件中，并進行結(jié)構(gòu)簡化，如圖4所示。

圖4 簡化后整機三維實體模型

將簡化后的模型轉(zhuǎn)化成Geomotry，重新編輯各個零件的連接關(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行合理的網(wǎng)格劃分，實現(xiàn)有限單元與節(jié)點的有序、可靠連接。整機模型合理簡化后進行的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示，共有587220個節(jié)點，328634個單元組成。

圖5 加工中心有限元分析模型網(wǎng)格劃分

2.2 變形量與應力分析

在AWB平臺的Static Structure模塊下進行最大載荷工況下機床主體結(jié)構(gòu)的強度和剛性分析。整機在極限切削載荷作用下，變形云圖如圖6所示，應力云圖如圖7所示。

圖6 機床靜態(tài)分析的變形云圖

從圖6中可以看出：所設(shè)計的直線電機驅(qū)動高速立式加工中心進給系統(tǒng)中，十字平臺（XY向）進給系統(tǒng)變形量最小，小于0.008mm，說明十字平臺結(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的進給系統(tǒng)剛度要求。

圖7 機床靜態(tài)分析的應力云圖

從圖7中可以看出，所設(shè)計的直線電機驅(qū)動高速立式加工中心進給系統(tǒng)最大應力5.66MPa（小于HT250的屈服強度σb=250MPa），說明整機的應力值很小，平均應力為2.51MPa，得益于整機筋板結(jié)構(gòu)分布均勻，結(jié)構(gòu)傳遞載荷能力強。但是在立柱與床身結(jié)合附近有應力集中現(xiàn)象，在機床切削加工過程中，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減少交變載荷的產(chǎn)生。

綜上所述，所設(shè)計的直線電機驅(qū)動高速立式加工中心進給系統(tǒng)具有良好的強度和剛度，能滿足機床在加工過程中高精度的要求。

3 動態(tài)特性分析

在結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性分析中，模態(tài)分析是工程結(jié)構(gòu)中常見的動力學分析之一，其主要求解系統(tǒng)的固有頻率及振型，根據(jù)振動系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)對結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應性能進行預測、評價。

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，但在實際工程中，往往只考察幾階與被分析工程結(jié)構(gòu)實際工況相關(guān)的模態(tài)情況，所以在模態(tài)分析中，只需要求出設(shè)計分析需要的前幾階模態(tài)，本文對整機前六階模態(tài)進行分析，分析結(jié)果云圖如圖8所示。

圖8 前六階模態(tài)響應云圖

整機前六階模態(tài)響應結(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，整個機床的結(jié)構(gòu)相對抗振性能比較好，在低速粗加工過程中主動避開第1、2、5、6階的加工轉(zhuǎn)速相對應的加工激振頻率，盡量避開前六階各個模態(tài)頻率相對應的主軸轉(zhuǎn)速。

表3 整機前六階模態(tài)響應結(jié)果

從表3中的模態(tài)頻率分析結(jié)果可以看出，設(shè)計的直線電機驅(qū)動高速立式加工中心進給系統(tǒng)能夠滿足粗加工及加減速對機床抗振特性的要求。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，其切削載荷不會很大，但是對精度要求很高，尤其要避開激振力和自激振動對精度的影響。

4 結(jié)論

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

2）對設(shè)計的直線電機驅(qū)動高速立式加工中心整機基于有限元的靜動態(tài)特性分析，結(jié)果顯示：整機具有良好的強度、剛度和抗振特性，滿足粗加工及加減速對機床結(jié)構(gòu)的剛性、強度及抗振特性要求，達到設(shè)計要求。

[1]唐克巖.我國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].機床與液壓,2012,40(5):145-147.

[2]盧秉恒,趙萬華,張俊,等.高速高加速下的進給系統(tǒng)機電耦合[J].機械工程學報,2013,49(6):1-11.

[3]Hosseinkhani Y, Erkorkmaz K.High frequency harmonic cancellation in ball-screw drives[J].Procedia CIRP,2012,1:615-620.

[4]楊濟森.高精度數(shù)控機床滾珠絲杠的裝配與調(diào)整[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2011,(5):102-104.

[5]唐振宇.直線電機進給驅(qū)動技術(shù)在數(shù)控機床上的應用[J].機床與液壓,2009,37(3):62-34.

[6]Gordon S,Hillery M T.Development of a high-speed CNC cutting machine using linear motors[J].Journal of Materials Processing Technology,2005,166(3):321-329.

[7]Hsieh M F,Tung C J,Yao W S,et al.Servo design of a vertical axis drive using dual linear motors for high speed electric discharge machining[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2007,47(3):546-554.

[8]尹宜勇,賈志新,李威.高速走絲電火花線切割機床驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化.2011,33(8):137-138.

[9]Shinno H,Yoshioka H,Taniguchi K.A newly developed linear motor-driven aerostatic XY planar motion system for nanomachining[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2007,56(1):369-372.

[10]尹宜勇,賈志新,李威.高檔數(shù)控機床中永磁直線同步電機驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析[J].制造業(yè)自動化,2011,33(7):89-91.

[11]郭永海,邱自學,萬莉平,等.基于動態(tài)精度的直驅(qū)型高速機床主軸箱靜動態(tài)特性分析[J].制造業(yè)自動化,2014,36(1):104-108.

[12]汪木蘭,張崇巍,林健,等.數(shù)控機床用直線電機伺服試驗平臺開發(fā)及應用[J].中國機械工程,2012,23(3):274-277.

[13]馬平,王少衡,段明亮,等.零傳動機床高速直線數(shù)控進給單元的速度與加速度特性研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2004,(8):27-29.