PCB數(shù)控鉆床直線電機驅(qū)動工作臺的力學性能分析與結(jié)構(gòu)改進

周松霖，蔡長韜*，周彥君，馬飛達

(1.西華大學機械工程學院， 四川 成都 610039；2.成都金大立科技有限公司， 四川 成都 610041)

?

·機電工程·

PCB數(shù)控鉆床直線電機驅(qū)動工作臺的力學性能分析與結(jié)構(gòu)改進

周松霖1，蔡長韜1*，周彥君1，馬飛達2

(1.西華大學機械工程學院， 四川 成都 610039；2.成都金大立科技有限公司， 四川 成都 610041)

PCB數(shù)控鉆床直線電機驅(qū)動工作臺的力學特性對鉆床的加工性能有直接的影響。為提高PCB數(shù)控鉆床的鉆孔精度和效率，建立直線電機和工作臺的一體化模型，利用有限元法對該模型進行靜力學和動力學分析，通過分析結(jié)果對工作臺進行結(jié)構(gòu)改進，添加14個減振孔。試驗表明，此改進不僅使鉆針折斷次數(shù)減少，而且使加工精度也得到提高。本研究能為改善直線電機進給工作臺的整體性能、提高數(shù)控鉆床的鉆孔精度提供參考。

PCB數(shù)控鉆床；直線電機進給工作臺；鉆孔精度；靜力學；動力學；減振孔

眾所周知，印刷電路板(printed circuit board,PCB)在電子產(chǎn)品中占據(jù)著重要的地位。目前，對PCB板的加工要求越來越高。PCB數(shù)控鉆床是生產(chǎn)印刷電路板的專業(yè)機床[1]，其鉆孔精度和效率有嚴格的要求[2-3]。數(shù)控鉆床直線進給工作臺的力學特性直接影響加工精度[4-5]。

為提高機床的精度，學者從2方面進行研究和改進。一是對直線電機的結(jié)構(gòu)進行改進[6-8]，文獻[6]和文獻[7]分別采取了優(yōu)化直線電機動子的長度、改變端齒形狀等措施。二是從工作臺的結(jié)構(gòu)入手，分別對工作臺、支撐架等進行改進，通過對比篩選，采用合理的結(jié)構(gòu)，消除過度的振動[9]。

隨著數(shù)控鉆床精度的提高，工作臺微小的振動也會影響PCB板加工的精度；因此，對直線電機驅(qū)動工作臺振動分析時，應進行一體化分析充分考慮直線電機與機械結(jié)構(gòu)的關(guān)系。本文對型號為DLD34的PCB數(shù)控鉆床進行分析。在建立進給工作臺與電機動子的一體化模型的基礎(chǔ)上，分別進行靜力學和動力學分析，通過分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行改進，這為改善直線電機進給工作臺的整體性能、提高數(shù)控鉆床的鉆孔精度提供了理論參考。

1　建立有限元模型

DLD34型數(shù)控鉆床采用直線電機加滾動直線導軌的驅(qū)動導向方式。直線電機安裝在工作臺中間，直線滾珠導軌分別安裝在兩邊。工作臺、動子在直線電機電磁力的驅(qū)動下沿導軌做往復直線運動。

本文采用SolidWorks2012軟件[10]，建立直線電機驅(qū)動工作臺模型。模型主要包括工作臺、滑架支撐、直線電機動子和導軌支撐。各零件間通過螺栓進行剛性連接。其零件圖和裝配圖如圖1所示。

圖1　驅(qū)動工作臺模型

在有限元分析之前，應對模型進行簡化：去掉工作臺上的螺栓孔和連接螺栓；用4個小長方體代替4個導軌支撐的位置[11]。工作臺整體為一裝配體，選用四面體和六面體單元進行網(wǎng)格劃分，具體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2　工作臺網(wǎng)格劃分效果

2　靜力學分析

運用ANSYS軟件，對直線電機驅(qū)動工作臺進行靜力學分析，限制導軌支撐的4個接觸面和滑架支撐4個面在X、Y、Z方向上的自由度為0。直線電機提供垂直工作臺的磁力和水平向前的推力。此工作臺采用的是HIWIN公司LMF33型直線電機，直線電機的性能參數(shù)如表1所示。有限元模型參數(shù)如表2所示。

表1　直線電機性能參數(shù)

在直線電機產(chǎn)生的推力和法向力作用下，得到工作臺在X、Y、Z向的位移分布圖和位移變化量，分別如圖3和表3所示。

(a)X方向

(b)Y方向

(c)Z方向圖3　工作臺的位移分布圖表3　工作臺靜力學分析結(jié)果

工作臺位移變化量/μmX向Y向Z向最大變形/μm質(zhì)量/kg1.647.552.168.02202.14

由圖3和表3可見，工作臺的最大位移分布在工作臺與滑架的接觸面上，即直線電機動子的安裝位置。工作臺在3個方向的最大位移量表現(xiàn)在Y向，即垂直于工作臺平面的方向。Y向?qū)庸ぞ鹊挠绊懽畲?、最突出。工作臺與動子、滑架的結(jié)合面是進給工作臺的薄弱部分?？赏ㄟ^對工作臺結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計來改善工作臺的變形情況，提高工作臺的剛度。

3　動力學分析

對機床的動態(tài)特性的分析是機床設計過程的一部分，因為其影響機床的加工精度和效率。

結(jié)構(gòu)的固有頻率與相應的模態(tài)結(jié)構(gòu)形狀是設計承受變化載荷條件結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。模態(tài)分析用于計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)形狀。模態(tài)分析，可為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析提供依據(jù)。

運用ANSYS14.5軟件對工作臺進行仿真。其中，定義模型的約束是模態(tài)分析中重要的環(huán)節(jié)之一。本工作臺系統(tǒng)共有8處約束，由于3點就能確定一個平面，所以本文的約束方式選擇至少有C83種。鑒于在靜力學分析中，工作臺與直線電機連接處的變形量最大，所以此次模態(tài)分析約束選擇的位置是使工作臺與直線電機連接處振動變形量最大的位置。經(jīng)過對比試驗篩選，此次模態(tài)分析施加的位置是4個導軌滑架處，運用Block Lanczos法進行模態(tài)分析，其固有頻率和振幅如表4所示，前5階模態(tài)如圖4所示。

表4　工作臺固有頻率

(b)2階模態(tài)

(c)3階模態(tài)

(d)4階模態(tài)

(e)5階模態(tài)圖4　工作臺前5階模態(tài)

由圖4可見：工作臺第1階模態(tài)振型主要是工作臺安裝直線電機處的上下擺動變形；工作臺第2階模態(tài)振型主要是工作臺安裝直線電機處的前后翻轉(zhuǎn)變形；工作臺第3階模態(tài)振型主要是工作臺安裝直線電機處的左右上下擺動變形；工作臺第4、5階模態(tài)振型主要是工作臺前后、左右彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。在工作臺模態(tài)振型中可見，工作臺與直線電機連接處的變形較大，可通過優(yōu)化工作臺支撐部分結(jié)構(gòu)、增加工作臺支撐結(jié)構(gòu)個數(shù)、增加支撐剛度和阻尼來減小對工作臺動態(tài)性能的影響。

4　結(jié)構(gòu)改進

通過上述靜、動力學分析可知，振動對機床加工精度有著較大的影響，故在結(jié)構(gòu)改進過程中，主要通過減少振動來達到改善此數(shù)控鉆床性能的目的[12]。此處可以從3方面考慮。

1)從振動的源頭進行改進，減小振動源的能量、振幅和頻率。DLD34數(shù)控鉆床的工作臺振動源主要來自于直線電機。對于改進直線電機的結(jié)構(gòu)和性能涉及到的內(nèi)在和外在因素較多，操作性困難。

2)切斷振動傳播路徑。硬連接改為軟連接，軟連接改為不連接。加強工作臺與直線電機及其他構(gòu)件的裝配方式。加強對中找正，規(guī)范裝配流程方法，降低裝配誤差。

3)對被振動的物體進行結(jié)構(gòu)改進，改變共振頻率。 對于振動，工作臺受到一次激勵，所獲得的動能為

(1)

式中：A為最大振幅；f0為固有頻率；E為激勵能量。

由式(1)可知，當激勵能量E一定時，工作臺振幅A與固有頻率f0成反比，固有頻率f0越大，工作臺振幅A越小；所以，提高工作臺固有頻率，可降低工作臺的振幅，達到減振、提高加工精度的目的。

通過以上3種減振方式的分析對比可知，第3種減振方式的可操作性最強，故在結(jié)構(gòu)改進方面，主要對被振動的工作臺的結(jié)構(gòu)進行改進。對工作臺添加減振孔，不僅方法簡單易行，而且能改變共振頻率，減輕工作臺重量，使工作臺輕量化。

對工作臺添加減振孔，使系統(tǒng)的各階固有頻率避開載荷的主要頻率，消除過度的振動和噪聲；然而，減振孔的位置、減振孔的大小、減振孔的數(shù)目，都影響著工作臺的性能。結(jié)合圖1中工作臺模型可知，在工作臺上其他部件安裝孔主要集中在直線電機和導軌安裝處，所以添加的減振孔應該避開這些位置。在添加減振孔時，應充分考慮工作臺的質(zhì)量問題、強度問題以及應力集中問題，為此，本文找到一種最佳的減振孔方式。工作臺左右兩側(cè)對稱，減振孔數(shù)量為4、8、12、14個，對應的編碼依次是1、2、3、4，對所添加的減振孔數(shù)量按編碼依次增加，圖中圓孔即為減振孔，減振孔半徑為25 mm，添加的減振孔情況如圖5所示。

圖5　添加減振孔的工作臺

運用靜力學方法對添加了數(shù)量為14個減振孔的工作臺進行靜力學分析，其結(jié)果如圖6所示。對比圖3和圖6可知，工作臺發(fā)生位移變化的位置基本上沒有變，依然是直線電機安裝位置處Y向位移變化最大。

(a)X方向

(b)Y方向

(c)Z方向圖6　有14個減振孔的工作臺位移變化量

采用上述方法，又分別對減振孔數(shù)量為4、8、12的工作臺進行靜力學計算。提取出此4類工作臺在X、Y、Z向的變形量及質(zhì)量，如表5所示。

表5　有減振孔的工作臺位移變化量

由表5可知，減振孔數(shù)量為14的工作臺無論是在質(zhì)量方面還是在最大變形方面都優(yōu)于其他3種。對比表3和表5可知，減振孔數(shù)量為14的工作臺比原工作臺在3個方向上的位移變化量都有降低，最大變形量降低14.46 %，質(zhì)量減少5.04 kg。改進后的工作臺位移變化量更小，并且質(zhì)量減輕，更加的輕量化。工作臺質(zhì)量輕，慣性小，運動更加的靈活；因此，添加數(shù)量為14個減振孔的工作臺，不僅增強了其整體性能，還提高了加工精度。

運用動力學方法對添加減振孔數(shù)目為14的工作臺進行模態(tài)分析，模態(tài)振型如圖7所示。對比圖4和圖7可知，工作臺的振型變化情況基本上一致。

(a)1階模態(tài)

(c)3階模態(tài)

(d)4階模態(tài)

(e)5階模態(tài)圖7　有14個減振孔的工作臺前5階模態(tài)

采用上述方法，分別對減振孔數(shù)量分別為4、8、12的工作臺進行模態(tài)分析計算。提取出此4類工作臺的固有頻率，如表6所示。

由表6可知，減振孔數(shù)量為14的工作臺在每階固有頻率都高于其他3種。對比表3和表6可知，有14個減振孔的工作臺比原工作臺的固有頻率都有所增加。固有頻率增加，在激振能量一定時，工作臺的振幅就減小。振幅減小，工作臺的精度提高了，工作臺的穩(wěn)定性和壽命增強了。

表6　減振孔工作臺固有頻率

綜上分析可知，對工作臺添加減振孔，這不僅讓工作臺更加的輕量化，減小工作臺慣性，而且改善了工作臺的振動情況。對工作臺添加減振孔可行，且減振孔的數(shù)量為14個為最佳。圖8是車間現(xiàn)場大理石對應的減振孔實物圖，圖中圓孔加黑部分即為對應的減振孔。

圖8　現(xiàn)場實物圖

將結(jié)構(gòu)改進后的工作臺運用到實際機床，對比原有結(jié)構(gòu)(無減振孔)與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)(有14個減振孔的結(jié)構(gòu))在加工PCB板時的情況，其統(tǒng)計對比結(jié)果如表7所示。

表7　結(jié)構(gòu)改進后的對比

對結(jié)構(gòu)改進的數(shù)控機床進行測試件測試，測試件(PCB板)加工后的情況如圖9所示。可知，結(jié)構(gòu)改進的工作臺(數(shù)量為14減振孔的工作臺)加工出的孔，排列更加的整齊、規(guī)則、無偏孔、孔徑大小均勻。

5　結(jié)論

本文對影響PCB數(shù)控鉆床鉆孔精度因素之一的工作臺力學特性問題進行了探討，將直線電機動子與工作臺作為一個整體，分析計算了其靜力學和

圖9　測試件對比圖

動力學特性。根據(jù)分析結(jié)果和實際情況，對工作臺添加減振孔，并對添加的減振孔的數(shù)量進行了對比計算分析，分析得到工作臺在添加了14個減振孔時，效果最佳。將其運用于實際機床中，機床運行良好，且其精度和效率都有提高。

[1]馬飛達.PCB數(shù)控鉆床XY軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計與分析[D].成都：西華大學,2013.

[2]王冰,王成勇,湯宏群,等.印刷電路板高速數(shù)控鉆床的特點及關(guān)鍵技術(shù)[J].工具技術(shù)，2009,43(12):3.

[3]王忠林,王英章,高中濤.印制電路板孔加工精度因素分析[J]. 印制電路信息,2004(10):20.

[4]寧建榮,夏加寬,于玲,等.高精度數(shù)控機床永磁直線進給工作臺的力學性能分析[J].機械設計與制造,2013(12):205.

[5]宮明興.高速高精度PCB數(shù)控鉆床進給系統(tǒng)靜動特性的研究[D]. 北京：北京交通大學，2009.

[6]潘開林,傅建中,陳子辰.永磁直線同步電機的磁阻力分析及其優(yōu)化[J].浙江大學學報(工學版),2005,39(10):1627.

[7]Nyambayar Baatar,Hee Sung Yoon,Minh Trien Pham. Shape Optimal Design of a 9-pole 10-slot PMLSM for Detent Force Reduction using Adaptive Response Surface Method [J]. IEEE Transactions on Magnetics，2009,45(10):4562.

[8]葉云岳.直線電機原理與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社,2006：12-68.

[9]董立立,朱煜,牛小鐵,等.超精密機械結(jié)構(gòu)多目標拓撲優(yōu)化設計[J].中國機械工程,2010,21(7):761.

[10]恒盛杰咨詢.Solidworks2006從入門到精通[M].北京：中國青年出版社，2006：88-126.

[11]陳艷霞,林金寶.ANSYS14完全自學一本通[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013：34-123.

[12]Singiresu S Rao.機械振動 [M]. 4版.北京：清華大學出版社,2009:2-30.

(編校：饒莉)

Mechanical Property Analysis and Structure Improvement of Linear Motor Drive Worktable in PCB NC Drilling Machine

ZHOU Songlin1， CAI Changtao1*， ZHOU Yanjun1，MA Feida2

(1.SchoolofMechanicalEngineering，XihuaUniversity，Chengdu610039China；2.ChengduJinDaLiTechnologyCo.Ltd.,Chengdu610041China)

The mechanical property of linear motor drive worktable is one of the main factors affecting the machining accuracy. In order to improve the PCB NC drilling machine’s precision and efficiency, we integrated the linear motor and the workbench into one structure model. Finite element method is adopted to analyze the static and dynamic property. According to the analysis results, 14 damping holes are added to improve the performance of worktable. Experiment results show that the worktable quality is improved and drill broken frequency is reduced, and the machining accuracy is enhanced. The work provides the theory reference for improving the overall performance of linear motor feed worktable and increasing the accuracy of the numerical control drilling machine drilling.

PCB machine tool；linear motor feed worktable；drilling precision；statics； dynamics；dampling hole

2015-05-09

四川省科技支撐計劃項目(2015GZ0048)；西華大學研究生創(chuàng)新基金項目(ycjj2015075)。

蔡長韜(1963—)，女，教授，博士，碩士生導師，主要研究方向為CAD技術(shù)、CAPP技術(shù)，CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技術(shù)。E-mail:cct0622@mail.xhu.edu.cn

TG527

A

1673-159X(2016)04-0079-6

10.3969/j.issn.1673-159X.2016.04.017