直驅(qū)型高速立式加工中心設(shè)計與靜動態(tài)特性分析
0引言精工機(jī)床是集先進(jìn)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(fù)雜生產(chǎn)工具[1]。“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”是目前機(jī)床產(chǎn)品中最常見的進(jìn)給方式，但在高速運(yùn)行時存在 彈性變形大、響應(yīng)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(jī)（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(yùn)動機(jī)械能的新型 電機(jī)，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、進(jìn)給速度快、響應(yīng)速度高、 無機(jī)械磨損、噪音低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[5]。PMLSM將 廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、特種加工、機(jī)器工業(yè)和儀器儀表 工業(yè)等領(lǐng)域[6?9]。鑒于直線電機(jī)直接驅(qū)動方式的諸多優(yōu)點(diǎn)，各種高性 能精工機(jī)床已越來越多地采用直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)[10,11]。 美國Ingersoll公司開發(fā)了X、Y、Z三軸米用直線電機(jī)驅(qū) 動的臥式加工中心（HVM600)，用于加工汽車發(fā)動機(jī) 汽缸；日本SODICK將直線電機(jī)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(jìn)給 軸采用直線電機(jī)進(jìn)給，專門用于大型零件切削加工。目 前，直線電機(jī)技術(shù)在上述領(lǐng)域的應(yīng)用雖取得了實(shí)質(zhì)性的 進(jìn)展，但由于直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)存在的自重相對較大、 功耗大、電機(jī)過載會造成溫度升高、冷卻不佳易造成機(jī) 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(yīng)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(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有固定立柱和移動立柱 兩種。為滿足機(jī)床高速高精、剛性好、便于直線電機(jī)安 裝等要求，本文選取固定立柱結(jié)構(gòu)型式。基于固定立柱 設(shè)計的直線電機(jī)驅(qū)動立式加工中心進(jìn)給系統(tǒng)X、Y、Z軸 由直線電機(jī)驅(qū)動，機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)由一個二維的水平運(yùn) 動平臺（X、Y軸）和一個垂直方向運(yùn)動（Z軸）構(gòu)成。 所設(shè)計的直線電機(jī)驅(qū)動高速立式加工中心的主進(jìn)給系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，在床身上設(shè)置Y向進(jìn)給單元，床鞍放置在Y 向進(jìn)給單元上方，在床鞍的上方設(shè)置X向進(jìn)給單元，X 向直線電機(jī)帶動工作臺做X向往復(fù)直線運(yùn)動。床身的后 端放置固定立柱，在立柱上設(shè)置Z向進(jìn)給單元，Z向進(jìn) 給單元帶動主軸箱運(yùn)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(jī)驅(qū)動高速立式加工中心的技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。 表1 技術(shù)指標(biāo)參數(shù)設(shè)定 技術(shù)指標(biāo) 參數(shù)值 單位 定位精度 ±0.005/300 mm 重復(fù)精度 ±0.005/300 mm ******加速度 2g m/s2 平衡誤差 10 % 為實(shí)現(xiàn)聯(lián)動控制要求，設(shè)定了X、Y、 速度，如表2所示。 Z三軸的進(jìn)給 表2 進(jìn)給速度參數(shù)設(shè)定 進(jìn)給速度 參數(shù)值 單位 切削進(jìn)給速度范圍 1-60 m/min X軸快速移動 60 m/min Y軸快速移動 60 m/min Z軸快速移動 60 m/min 1.3直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計 1.3.1直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)原理如圖2所示，直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)工作時，精工單元 通過通訊結(jié)構(gòu)將控制指令傳遞給運(yùn)動伺服控制器單元， 運(yùn)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(jī)的 運(yùn)動與停止；在運(yùn)動過程中，通過傳感單元將直線電機(jī) 的磁極信息、電流信息、速度信息、位置信息等進(jìn)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(jìn)給單元通過精密插補(bǔ)和微量進(jìn) 給調(diào)節(jié)，可以獲得理想的加工精度和表面質(zhì)量[13]。1.3.2直線電機(jī)選型X向快速移動時直線電機(jī)的******推力為：Fx max = mxax + ^ (mxg + Fg ) (1)式中：為******推力，mA為X向移動部件的總質(zhì) 量，ax為X向加速度，u為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，F(xiàn)g為直線電機(jī) 初級與次級的引力。根據(jù)式(1)計算出的推力值可初步進(jìn)行X向直線電機(jī) 的選型。在初步選型的基礎(chǔ)上對所選直線電機(jī)進(jìn)行校核 計算：1)快速移動滿足響應(yīng)的加減速要求：Fxmax - ^ (mxS + Fg ),ax >2)恒定速度切削要求：Fth ^ Fc + ^(m,8 + Fg) (3)式中：Ftt為所選直線電機(jī)的實(shí)際推力，F(xiàn)c為直線電 機(jī)持續(xù)推力。1.4機(jī)床功能部件設(shè)計機(jī)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(jī)、 主軸、聯(lián)軸器、傳動單元等部分組成，主軸******轉(zhuǎn)速 設(shè)定為20000rpm。油冷系統(tǒng)中油冷機(jī)的流量設(shè)定為30L/ min從而保證直線電機(jī)及主軸的快速冷卻。控制系統(tǒng) 采用全閉環(huán)控制，提高進(jìn)給系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。1.5機(jī)床整體結(jié)構(gòu)直驅(qū)型高速立式加工中心整機(jī)采用C型機(jī)床結(jié)構(gòu)， 整機(jī)效果圖如圖3所示，能夠?qū)崿F(xiàn)直線電機(jī)驅(qū)動單元在 進(jìn)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(jī)進(jìn)給系統(tǒng)的高性能。2靜態(tài)特性分析2.1模型簡化與網(wǎng)格劃分計算機(jī)輔助工程（CAE)是一種常用于工程、機(jī) 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(jī)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(jī)靜態(tài)特性進(jìn)行分析。將直線電機(jī)驅(qū)動高速立 式加工中心的整機(jī)三維實(shí)體模型，導(dǎo)入到AWB有限元 分析軟件中，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，如圖4所示。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2X10uPa/mm，泊松比y為0.3)、Gray Cast Iron (HT250,密度為7200kg/m3，彈性模量E為 1.18X10nPa/mm，泊松比y為 0.28)。在完成所有零件及整體的定乂后進(jìn)行合理的網(wǎng)格 劃分，實(shí)現(xiàn)有限單元與節(jié)點(diǎn)的有序、可靠連接。整機(jī) 模型合理簡化后進(jìn)行的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示，共有 587220個節(jié)點(diǎn)，328634個單元組成。2.2變形量與應(yīng)力分析在AWB平臺的Static Structure模塊下進(jìn)行******載荷工況下機(jī)床主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛性分析。整機(jī)在極限切削 載荷作用下，變形云圖如圖6所示，應(yīng)力云圖如圖7所示。從圖6中可以看出：所設(shè)計的直線電機(jī)驅(qū)動高速 立式加工中心進(jìn)給系統(tǒng)中，十字平臺（XY向）進(jìn)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******，但******變形量小 于0.01mm,說明整機(jī)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(jìn)給系統(tǒng)剛度 要求。從圖7中可以看出，所設(shè)計的直線電機(jī)驅(qū)動高速立 式加工中心進(jìn)給系統(tǒng)******應(yīng)力5.66MPa (小于HT250的 屈服強(qiáng)度〇b=250MPa)，說明整機(jī)的應(yīng)力值很小，平 均應(yīng)力為2.51MPa，得益于整機(jī)筋板結(jié)構(gòu)分布均勻，結(jié) 構(gòu)傳遞載荷能力強(qiáng)。但是在立柱與床身結(jié)合附近有應(yīng)力 集中現(xiàn)象，在機(jī)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(yīng)減少交變載荷的產(chǎn)生。 綜上所述，所設(shè)計的直線電機(jī)驅(qū)動高速立式加工中 心進(jìn)給系統(tǒng)具有良好的強(qiáng)度和剛度，能滿足機(jī)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(xué)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(yīng)性能 進(jìn)行預(yù)測、評價。 從系統(tǒng)的固有頻率叫=^，可以得知進(jìn)給系統(tǒng)整 體結(jié)構(gòu)的固有頻率與系統(tǒng)的剛度、質(zhì)量有關(guān)。若主體結(jié) 構(gòu)的質(zhì)量越小，剛度越大，則其固有頻率越高，反之固 有頻率就越低。想要提高機(jī)床的固有頻率實(shí)現(xiàn)機(jī)床抗振 性能可以從提高機(jī)床剛度、減輕機(jī)床質(zhì)量入手。 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(shí)際工程 中，往往只考察幾階與被分析工程結(jié)構(gòu)實(shí)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(jī)前六階模態(tài)進(jìn)行分析，分 析結(jié)果云圖如圖8所示。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(jī)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(yīng)的加工激振頻率，盡量避開前六階各個模態(tài)頻率相對 應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速。表3整機(jī)前六階模態(tài)響應(yīng)結(jié)果 模態(tài)階數(shù) 共振頻率/Hz 振型 1 40.25 繞立柱與床身安裝位置的 主軸箱上下擺動 2 59.32 主軸箱左右擺動 3 87.37 平衡氣缸左右擺動 4 89.29 平衡氣缸前后擺動 5 108.38 立柱左右擺動 6 132.24 主軸箱繞中間位置轉(zhuǎn)動 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(jī)驅(qū)動高速立式加工中心進(jìn)給系統(tǒng)能夠滿足粗加工 及加減速對機(jī)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(jī)床高速高精的加工要求，設(shè)計了直線電 機(jī)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(jī)選型、功能部件選擇，利用直線電 機(jī)作為立式加工中心進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動單元可以提高立式加工 中心的切削進(jìn)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(jī)驅(qū)動高速立式加工中心整機(jī) 基于有限元的靜動態(tài)特性分析，結(jié)果顯示：整機(jī)具有良 好的強(qiáng)度、剛度和抗振特性，滿足粗加工及加減速對機(jī) 床結(jié)構(gòu)的剛性、強(qiáng)度及抗振特性要求，達(dá)到設(shè)計要求。本文由海天精工整理發(fā)表文章均來自網(wǎng)絡(luò)僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請注明！ iF:,3Il!=lr iF:,3Il!=lr I