直驅型高速數(shù)控機床進給系統(tǒng)設計分析及實驗*

萬莉平，張 軍，鄭天池，鞠家全，郭永海，邱自學

（南通大學機械工程學院，江蘇南通 226019）

直驅型高速數(shù)控機床進給系統(tǒng)設計分析及實驗*

萬莉平，張 軍，鄭天池，鞠家全，郭永海，邱自學

（南通大學機械工程學院，江蘇南通 226019）

為克服傳統(tǒng)機床“旋轉電機+滾珠絲杠”進給傳動方式存在的彈性變形大、響應速度慢、易磨損等問題，利用永磁直線同步電機（PMLSM）設計了一種直線電機驅動高速數(shù)控機床進給系統(tǒng)。從理論上分析了系統(tǒng)機械結構對動態(tài)特性的影響，在此基礎上，對最大切削力工況下的進給系統(tǒng)主體結構進行了剛度、強度以及模態(tài)分析，最后，實驗測試了進給系統(tǒng)的位置精度及動平衡精度。結果表明，該進給系統(tǒng)結構變形量小于0.01mm，最大應力為5.7MPa，且在低階頻率范圍內(nèi)，主動避開1、2、5、6階加工激振頻率可使進給系統(tǒng)具有較高的抗振特性，同時該系統(tǒng)的位置精度、平衡精度均在設計指標內(nèi)，有效的保證了進給系統(tǒng)主體結構的動態(tài)精度及穩(wěn)定性。

進給系統(tǒng)；直線電機；靜動態(tài)特性；精度實驗

0 引言

隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品質量的不斷提升，傳統(tǒng)數(shù)控機床的加工效率和加工精度很難適應4G時代電子信息業(yè)產(chǎn)品大批量的加工需求［1-2］。而提高機械加工設備的進給系統(tǒng)性能可以很大程度上提升生產(chǎn)效率和加工精度，以適應現(xiàn)代電子信息行業(yè)高速變革的需求［3］。目前，“旋轉電機+滾珠絲杠”是機床產(chǎn)品中一種最常見的進給方式，絲杠與螺母之間通過滾珠來傳遞力和能量，將伺服電機的旋轉變成進給系統(tǒng)的直線運動［4］。該方式平穩(wěn)度好、成本低，但也有響應速度慢、存在反向間隙、裝配工藝復雜等缺點［5-6］。按照目前機床的高效、高速、高精度的發(fā)展趨勢，“旋轉電機+滾珠絲杠”進給傳動方式，在很大程度上將難以滿足未來高性能機床的技術要求［7］。

針對上述情況，利用永磁直線同步電機（PMLSM）構建了機床主體進給系統(tǒng)，它可以將電能直接轉換成直線運動的機械能，具有系統(tǒng)結構簡單、無機械磨損、噪音低、維護方便等優(yōu)點［8］。同時對機床X向進給系統(tǒng)的動態(tài)特性進行了理論分析，以探究機械結構對機床動態(tài)特性的影響，然后，在Ansys WorkBench（AWB）平臺上對進給系統(tǒng)的主體結構進行了最大載荷工況下的結構靜力學分析和模態(tài)分析，并對關鍵部件進行了位置精度和平衡精度測試。結果表明：該進給系統(tǒng)主體結構剛性、強度較高，在避開1、2、5、6階加工激振頻率時，具有較高的抗振特性，同時各項動態(tài)精度均滿足設計指標。

1 主進給系統(tǒng)設計

1.1 整體結構設計

設計的直線電機驅動高速數(shù)控機床的主進給系統(tǒng)如圖1所示，在床身基礎上設置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。床身的后端放置立柱，在立柱上設置Z向進給單元帶動主軸箱運動部件做垂直于XY平面的上下運動。其中，X、Y、Z三軸進給系統(tǒng)均采用全閉環(huán)反饋控制。

圖1 主進給系統(tǒng)整體結構圖

1.2 進給系統(tǒng)驅動單元設計

利用永磁直線同步電機（PMLSM）作為驅動單元，不僅省去了絲桿、軸承、電機座等“電機+絲杠”驅動單元中易損部件，且結構上看起來更加簡易。同時，考慮到PMLSM的價格和推力等因素，數(shù)控機床的X、Y、Z三軸驅動單元均選用單邊平板形PMLSM。每軸進給單元主要有PMLSM、傳感反饋單元、直線導軌、移動部件、基體組成。在Y向上，基體為床身，移動部件為床鞍；在X向上移動部件為工作臺，基體為床鞍；在Z向上移動部件為銑頭（主軸、主軸箱、主軸電機等部件組件），基體為立柱。具體結構示意圖如圖2所示。

直線電機進給系統(tǒng)工作時，數(shù)控單元首先通過通訊結構將控制指令傳遞給運動伺服控制器單元，然后，運動伺服控制器單元將信號傳遞給控制電路，控制電路再通過脈沖寬度調(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。此外，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量。

圖2 直線電機進給系統(tǒng)結構示意圖

2 進給系統(tǒng)靜動態(tài)特性分析

2.1 理論分析

在PMLSM進給系統(tǒng)中機械環(huán)節(jié)是實現(xiàn)高速高加速進給的基礎。直驅型高速數(shù)控機床進給系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)（X、Y、Z）組成，現(xiàn)對其中X向進給系統(tǒng)進行機械環(huán)節(jié)建模，探究PMLSM進給系統(tǒng)靜動態(tài)特性與機械環(huán)節(jié)關鍵參數(shù)之間的關系。

X向進給系統(tǒng)主要承擔著工作臺的動作，由于線圈安裝板與工作臺面通過緊固件剛性連接在一起，在模型建立時，將分體式工作臺化簡成整體式工作臺，如圖3所示。

圖3 X向進給系統(tǒng)模型圖

當X軸進給方向上機械結構系統(tǒng)在受到電機推力中干擾諧波分量作用時，系統(tǒng)的動力學模型為：

忽略阻尼影響，僅考慮機械系統(tǒng)頻率特性對運動精度的影響，可得系統(tǒng)的輸出響應偏差為：

式中：等式右側第1項為瞬態(tài)誤差，第2項為穩(wěn)態(tài)誤差中的勻速段波動誤差；ωn=（Ke/m）1/2為機械系統(tǒng)固有頻率；λ=ω/ωn。

由式（2）可以看出，機械結構的動態(tài)特性主要影響進給系統(tǒng)運動精度的瞬態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)誤差中的勻速段波動誤差。在實際應用中，為減小這種運動誤差，常采用以下兩種方法［9］：一是根據(jù)加工要求，選擇機械構件，使得機械固有頻率避開可能的外界激勵頻率；二是機械系統(tǒng)已選定，通過設計控制策略，控制外界激勵。本文采用第一種策略，根據(jù)進給系統(tǒng)的靜動態(tài)特性，在AWB中建立進給系統(tǒng)模型進行靜動態(tài)分析，以驗證PMLSM進給系統(tǒng)的性能。

2.2 靜剛度、強度分析

在對靜剛度、強度分析前，應先對整機進行三維建模、模型簡化、網(wǎng)格劃分及工況載荷設定，其中，直驅型高速機床主要工況有兩種即高速高加速的啟動與停止和最大極限載荷切削，這兩種工況對機床的靜動態(tài)穩(wěn)定性有著很高的要求，而在之前的研究分析中已發(fā)現(xiàn)切削載荷對機床結構影響更大［10］，因此，主要分析該工況下的影響。

將地腳螺栓安裝位置固定，最大切削力工況下的機床受力主要包括：切削力及切削力矩、PMLSM初級線圈與次級磁板引力、電機推力、平衡系統(tǒng)對銑頭拉力、后配重電箱重力、地球引力等。將受力模型導入到AWB平臺的Static Structure模塊中，并運用Total Deformation和Equivalent Stress功能分別對機床主體結構的剛度和強度進行分析，結果分別如圖4、圖5所示。

圖4 整機變形大小云圖

從圖4中可以看出：十字平臺（XY向）進給系統(tǒng)變形量最小，其值為0.008mm，這說明平臺結構平穩(wěn)性較高；此外，最大變形出現(xiàn)在主軸端部，其最大位移僅為0.028mm，這表明整機結構變形很小，抗切削剛性較強，完全滿足加工時進給系統(tǒng)的剛度要求。

圖5 整機應力云圖

從圖5整機的結構應力上可以看出：最大應力僅為5.7MPa（遠小于HT250屈服強度σb=250MPa），平均應力在2.4MPa以下，這主要是由于整機筋板結構分布均勻，結構傳遞載荷能力強。但是在立柱與床身結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，所以在切削加工過程中應減少交變載荷的產(chǎn)生。

總體而言，該進給系統(tǒng)整體結構具有足夠的強度和剛度來適應各種工況，以保證機床在加工過程中的精度可靠性。

2.3 模態(tài)分析

在結構的動態(tài)特性分析中，模態(tài)分析是工程結構中常見的動力學分析之一，其主要是求解系統(tǒng)的固有頻率及振型，根據(jù)振動系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)對結構的動態(tài)響應性能進行預測、評價［11-12］。

本文對進給系統(tǒng)結構取前十階模態(tài)進行分析，結果如圖6所示，振型情況如表1所示。

圖6 前十階頻率振型

表1 整機前十階模態(tài)響應結果

上述結果表明，由于平衡氣缸伸出量較大，易出現(xiàn)振動，但整個機床的結構相對抗振性能較好，且在加工過程中，主動避開第1、2、5、6階加工轉速對應的激振頻率，可以有效提高整機的抗振性能，保證加工質量。

3 實驗及分析

3.1 進給系統(tǒng)位置精度實驗

位置精度是考量直線電機驅動高速進給系統(tǒng)性能的一個重要指標，通常包括：定位精度、重復定位精度以及反向差值。針對此，本文采用英國雷尼紹（Renishaw）ML-10激光干涉儀系統(tǒng)用于進給系統(tǒng)的位置精度評價與標定，其中，ML-10線性位置測量精度為≤±0.5ppm，線性位置精度測量范圍為40m，滿足測試需求。

如圖7所示，測量X向時，將干涉鏡安裝于機床的主軸上，反射鏡則裝在工作臺上，調(diào)整光點后，控制X向電機每次運動50mm，連續(xù)運動16次，然后往返重復3次，測試完畢后，再依次對Y向、Z向進行激光干涉測試，最終根據(jù)國家標準GB/T 17421.2-2000進行統(tǒng)計分析，結果如表2所示。

圖7 激光干涉現(xiàn)場測試圖

表2 進給系統(tǒng)位置精度實驗結果

以上結果顯示，直驅型進給系統(tǒng)各個方向的定位、重復及反向間隙精度均低于設計指標，這保證了機床主體結構的穩(wěn)定性及進給系統(tǒng)的動態(tài)精度。

3.2 進給系統(tǒng)動平衡實驗

動平衡是評價直驅型高速機床進給系統(tǒng)的另一重要因素。它是由于偏心質量產(chǎn)生的離心慣性力不在同一回轉平面內(nèi)形成了慣性力偶，并且作用方位隨轉子的回轉而變化，引起機械設備的振動［13］。若進給系統(tǒng)動平衡不穩(wěn)定，將會出現(xiàn)加工件變形、表面振紋等不良影響，給進給系統(tǒng)的性能帶來較大干擾。而在進給系統(tǒng)動平衡測試中，主軸轉子的靜動態(tài)平衡對加工精度影響最為明顯，為此，采用日本Showa公司的1332B-01L動平衡儀對機床主軸進行測試，測試時主軸轉速從5000r/min逐漸增加到20000r/min，測試時長2小時，現(xiàn)場測試及結果分別如圖8、圖9所示。

圖8 動平衡現(xiàn)場測試圖

圖9 動平衡測試結果

由上述結果可以看出，X與Y向的動平衡精度均小于0.8mm/s，當主軸轉速在16000rpm時，平衡精度的最大值為0.7mm/s，根據(jù)平衡精度相關公式［13］計算出其偏心距為0.8μm，小于平衡等級G1的許用偏心距1μm，因此，進給系統(tǒng)的動平衡性能良好，滿足設計要求。

4 結論

（1）為滿足機床動態(tài)精度要求，利用永磁同步電機驅動單元設計了高速機床的主進給系統(tǒng)，不僅避免了傳統(tǒng)“旋轉電機+滾珠絲杠”進給系統(tǒng)的靜動態(tài)精度不高、加速度小、進給速度慢等問題，而且提高了精密零件加工的精度和效率。

（2）針對直驅型機床進給系統(tǒng)進行了靜動態(tài)理論分析，并在AWB平臺上對極限切削力情況下進行剛度、強度以及模態(tài)分析。在此基礎上進行了位置精度、平衡精度測試。結果表明：該進給系統(tǒng)整體結構變形及應力均較小，在避開1、2、5、6階加工激振頻率情況下，機床具有更好的抗振性能，同時測試的位置精度及平衡精度均在設計指標之內(nèi)，這很好的保證了進給系統(tǒng)的動態(tài)精度及穩(wěn)定性。

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（編輯 李秀敏）

Design Analysis and Experiment of High Speed CNC Machine Tool Feed System Driven by Liner Motor

WAN Li-ping，ZHANG Jun，ZHENG Tian-chi，JU Jia-quan，GUO Yong-hai，QIU Zi-xue
（School of Mechanical Engineering，Nantong University，Nantong Jiangsu 226019，China）

In order to overcome the problems of traditional feed drive way composed by spin motor combined w ith ball screw in machine tool，such as high elastic deformation，slow response speed and easy to wear，a high speed CNC machine tool feed system driven by liner motor was designed using permanent magnet linear synchronous motor（PMSM）.The influence of mechanical structure on the dynamic characteristics was analyzed theoretically.On the basis of this，the stiffness，strength and modal analysis of the main structure of the system were made under the working condition of the maximum cutting force.Finally，the position precision and dynamic balance precision of the feed system were tested.The results show that the deformation of the system structure is less than 0.01 mm and the maximum stress is 5.7MPa.And in low frequency range，a high anti vibration characteristics of the feed system can be obtained by avoiding 1，2，5，6 order processing excitation frequency.At the same time，the system position precision and balance precision both meet the design index，and dynamic precision and stability of main structure of the feed system are guaranteed effectively.

feed system；liner motor；static and dynamic characteristics；precision experiment

TH122；TG502

A

1001-2265（2015）03-0111-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.03.030

2014-07-03

江蘇省產(chǎn)學研聯(lián)合創(chuàng)新資金-前瞻性聯(lián)合研究項目（BY2013042-01）；南通大學研究生科技創(chuàng)新計劃項目（YKC13013）

萬莉平（1988—），女，江蘇徐州人，南通大學碩士研究生，研究方向為機電系統(tǒng)及測控技術，（E-mail）2606264619@qq.com；通訊作者：邱自學（1963—），男，江蘇南通人，南通大學教授，博導，研究方向為機電系統(tǒng)及測控技術，（E-mail）qiu.zx@ntu.edu.cn。