打孔機(jī)精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)動(dòng)力學(xué)建模與優(yōu)化

斯迎軍，高 峰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

低溫共燒陶瓷技術(shù)(LTCC)是一種新型多層基板工藝技術(shù)，由于采用了獨(dú)特的材料體系，使其成為電子系統(tǒng)最理想的選用材料[1]，而打孔機(jī)是LTCC基板制造的關(guān)鍵設(shè)備之一，用于完成互連孔、散熱孔、接地孔、過渡孔以及預(yù)埋件的腔體沖制[2]。精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)又是打孔機(jī)的核心部件，其動(dòng)態(tài)性能是影響加工精度的關(guān)鍵因素。隨著生產(chǎn)效率的不斷提高，對(duì)沖孔速度與沖孔精度提出了更高的要求：沖孔速度1 500孔/min，沖孔精度±10 μm，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)加速2 g，定位精度±1.5 μm。為滿足這些要求，必須對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行研究與優(yōu)化。

本文以打孔機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為研究對(duì)象，采用單因素法，建立其有限元模型并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。通過調(diào)整導(dǎo)軌跨距和平臺(tái)重心位置，對(duì)Y向平臺(tái)剛度進(jìn)行優(yōu)化。

1 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)

打孔機(jī)精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由兩個(gè)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一維平臺(tái)正交疊加組成。

1-X底座；2-X方向滑臺(tái)；3-Y方向滑臺(tái)；4-氣爪組件

該運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)

2 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)性能測(cè)試與評(píng)估

打孔機(jī)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器采用以色列ACS公司生產(chǎn)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器(以下簡(jiǎn)稱ACS運(yùn)動(dòng)控制器)。該控制器配套的SPiiPlus MMI Application Studio 2.28軟件包括了一個(gè)頻率響應(yīng)函數(shù)分析工具(FRF Analyzer)，使用該工具可以獲得運(yùn)動(dòng)平臺(tái)X方向、Y方向機(jī)械結(jié)構(gòu)的帶寬、幅值裕度以及相角裕度等特征參數(shù)如圖2所示。

從圖2(a)中可以看出X方向機(jī)械結(jié)構(gòu)的帶寬為 43.13 Hz、幅值裕度為13.6 dB ，相角裕度為36.5°，Y方向機(jī)械結(jié)構(gòu)的帶寬為14.7 Hz、幅值裕度為4.8 dB，相角裕度為22.1°。顯然，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在Y方向的機(jī)械帶寬較低，不符合系統(tǒng)參數(shù)整定目標(biāo)[3](增益裕度>=10 db；相角裕度>=30°；帶寬>=30 Hz)，在該方向上容易發(fā)生共振，從而影響平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度。

圖2 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在X、Y方向的頻響曲線

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，僅僅通過調(diào)整電機(jī)參數(shù)無法滿足參數(shù)整定的要求，需要對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)Y方向的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高該方向的動(dòng)剛度。

3 Y向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)有限元建模

首先運(yùn)用三維軟件對(duì)Y向平臺(tái)組件進(jìn)行建模，然后將模型導(dǎo)入到ABAQUS軟件中進(jìn)行有限元模型的建模。

Y向平臺(tái)由Y向滾動(dòng)導(dǎo)軌、Y向滑臺(tái)與氣爪組件構(gòu)成。Y向滾動(dòng)導(dǎo)軌為THK公司的球保持器型LM滾動(dòng)導(dǎo)軌，型號(hào)為SHS15V2SS-460LSP-Ⅱ，該類型導(dǎo)軌屬于四方向等載荷型滾動(dòng)導(dǎo)軌[4]。

導(dǎo)軌與滑塊間的結(jié)合面建模時(shí)，選用12組彈簧單元來模擬結(jié)合面，結(jié)合面的參數(shù)通過查表進(jìn)行確定[5]，彈簧單元的等效剛度如表2所示。

表2 滾動(dòng)結(jié)合彈簧單元等效剛度值

Y向滑臺(tái)與滑塊、氣爪組件結(jié)合面由螺釘構(gòu)成，由于螺釘結(jié)合部的接觸面較小，連接螺釘數(shù)目較多，其影響與運(yùn)動(dòng)結(jié)合部相比較小，可忽略不計(jì)，故在為工作臺(tái)等結(jié)構(gòu)有限元建模時(shí)，對(duì)螺釘連接等固定結(jié)合面采用剛性連接處理。整個(gè)Y平臺(tái)的有限元模型如圖3所示。約束導(dǎo)軌底面的6個(gè)自由度，以模擬工作臺(tái)導(dǎo)軌系統(tǒng)邊界條件。

圖3 Y向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)有限元模型

4 Y向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真與優(yōu)化

目前，Y向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)間的導(dǎo)軌跨距為185 mm。受上下料位置限制，導(dǎo)軌跨距最大為265 mm。導(dǎo)軌跨距依次取185 mm、225 mm和265 mm，記為d185、d225、d265。利用ABAQUS軟件中的BlockLanczos 方法分別對(duì)d185、d225和d265進(jìn)行模態(tài)分析。

模擬分析結(jié)果顯示，系統(tǒng)的低階模態(tài)主要表現(xiàn)為工作臺(tái)沿三個(gè)方向的振動(dòng)以及繞三個(gè)方向的扭轉(zhuǎn)變形，比較相同振型下各組模型的固有頻率值，如表3所示 其中，導(dǎo)軌軸向?yàn)閅向，Y向平臺(tái)上表面法向?yàn)閆向，垂直于導(dǎo)軌側(cè)面為X向。

表3 d185，d225，d265各階振型下的固有頻率值

由表3可知，導(dǎo)軌跨距的改變主要影響工作臺(tái)繞Y向的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，且隨著導(dǎo)軌跨距的增加，該振型下的固有頻率不斷提高，說明系統(tǒng)抑制扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和變形的能力增強(qiáng)。圖4為d265的工作臺(tái)繞Y向扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的振型圖。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將該Y向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)導(dǎo)軌跨距調(diào)整為265 mm。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述仿真結(jié)果，將導(dǎo)軌跨距調(diào)整為265 mm，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)并使用頻率響應(yīng)函數(shù)分析工具(FRF Analyzer)對(duì)改進(jìn)后的平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，Y方向機(jī)械結(jié)構(gòu)的帶寬為35.7、幅值裕度為22.1 dB，相角裕度為46.1°，滿足機(jī)械參數(shù)的要求，平臺(tái)的剛度得到了改善，為后續(xù)的電機(jī)參數(shù)調(diào)整奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖5 導(dǎo)軌跨距調(diào)整后Y方向的頻響曲線

6 結(jié)論

導(dǎo)軌跨距的改變對(duì)系統(tǒng)沿運(yùn)動(dòng)軸向的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響較為明顯，且隨著導(dǎo)軌跨距的增大，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在相應(yīng)振型下固有頻率越高，抵抗振動(dòng)和變形的能也越強(qiáng)，動(dòng)態(tài)特性得到改善。所以，對(duì)于直線進(jìn)給系統(tǒng)，在空間布局、工況等條件允許的情況下，優(yōu)先選擇較大的導(dǎo)軌跨距。

[1] 楊邦朝,付賢民,胡永達(dá).低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)新進(jìn)展[J].電子元件與材料,2008(6):1-5.

[2] 張曉云,唐卓睿.生瓷帶沖孔工藝設(shè)備應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2014,43(5):1-6.

[3] 鐘黔,洪榮晶.黃莜調(diào).基于ABAQUS的高加速度高精度定位氣浮平臺(tái)有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013(4):137-140.

[4] 范晉偉,王鴻亮,張?zhí)m清,等.數(shù)控機(jī)床滾動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)合面剛度的有限元分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2016,38(2):134-138.

[5] 廖伯瑜，周新民，尹志宏.現(xiàn)代機(jī)械動(dòng)力學(xué)及其工程應(yīng)用—建模、分析、仿真、修改、控制、優(yōu)化[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.