直驅型高速立式加工中心設計與靜動態(tài)特性分析
0引言精工機床是集先進制造技術和制造信息為一體的 重要裝備,，是發(fā)展裝備制造業(yè),、高精尖技術產業(yè)必不可 少的復雜生產工具[1],。“旋轉電機+滾珠絲杠”是目前機床產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 何轉換裝置，將電能直接轉換成直線運動機械能的新型 電機,，具有系統(tǒng)結構簡單,、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)等領域[6?9],。鑒于直線電機直接驅動方式的諸多優(yōu)點，各種高性 能精工機床已越來越多地采用直線電機驅動技術[10,11],。 美國Ingersoll公司開發(fā)了X,、Y、Z三軸米用直線電機驅 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 備；法國Renault Automation生產的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，直線電機技術在上述領域的應用雖取得了實質性的 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 床結構變形等缺陷[12],，在精密零件、3C,、PCB板等高速 高精加工領域的應用還不夠廣泛,。1整體方案設計1.1主體結構設計 立式加工中心進給系統(tǒng)結構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構型式,?；诠潭⒅?設計的直線電機驅動立式加工中心進給系統(tǒng)X、Y,、Z軸 由直線電機驅動,，機床的主體結構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）構成。 所設計的直線電機驅動高速立式加工中心的主進給系統(tǒng) 結構如圖1所示,。圖1中,，在床身上設置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 端放置固定立柱,，在立柱上設置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。1.2參數設定依據加工對象的結構特征及尺寸大小,，確定了 X,、 Y、Z三軸的行程分別為500mm,、400mm,、400mm。中高檔3C產品精密模具的精度要求相對較高,，設定了直線 電機驅動高速立式加工中心的技術指標,，如表1所示。 表1 技術指標參數設定 技術指標 參數值 單位 定位精度 ±0.005/300 mm 重復精度 ±0.005/300 mm ******加速度 2g m/s2 平衡誤差 10 % 為實現聯(lián)動控制要求,，設定了X,、Y、 速度,，如表2所示,。 Z三軸的進給 表2 進給速度參數設定 進給速度 參數值 單位 切削進給速度范圍 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直線電機進給系統(tǒng)設計 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,，精工單元 通過通訊結構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 給調節(jié)，可以獲得理想的加工精度和表面質量[13]。1.3.2直線電機選型X向快速移動時直線電機的******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 量,，ax為X向加速度，u為導軌摩擦系數,，Fg為直線電機 初級與次級的引力,。根據式(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：Fxmax - ^ (mxS + Fg ),ax >2)恒定速度切削要求：Fth ^ Fc + ^(m,8 + Fg) (3)式中：Ftt為所選直線電機的實際推力,，Fc為直線電 機持續(xù)推力,。1.4機床功能部件設計機床功能部件設計主要包括主軸系統(tǒng)設計、油冷 系統(tǒng)設計和控制系統(tǒng)設計,。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******轉速 設定為20000rpm。油冷系統(tǒng)中油冷機的流量設定為30L/ min從而保證直線電機及主軸的快速冷卻,?？刂葡到y(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機床整體結構直驅型高速立式加工中心整機采用C型機床結構， 整機效果圖如圖3所示,，能夠實現直線電機驅動單元在 進給系統(tǒng)中的便捷安裝,。融合合理結構方案、現代傳感 器技術,、設計高性能的驅動單元和控制系統(tǒng),，可以充分 發(fā)揮直線電機進給系統(tǒng)的高性能。2靜態(tài)特性分析2.1模型簡化與網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)的數值模擬分析軟件,，可以高效輔助工程人員 的樣機設計分析。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,，并進行結構簡化,，如圖4所示。將簡化后的模型轉化成Geomotry,，重新編輯各個 零件的連接關系,，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，主要零 件材質有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行合理的網格 劃分,，實現有限單元與節(jié)點的有序、可靠連接,。整機 模型合理簡化后進行的網格劃分結果如圖5所示,，共有 587220個節(jié)點，328634個單元組成,。2.2變形量與應力分析在AWB平臺的Static Structure模塊下進行******載荷工況下機床主體結構的強度和剛性分析,。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,。從圖6中可以看出：所設計的直線電機驅動高速 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,說明十字平臺結構 平穩(wěn)性較好,；主軸端面變形量******，但******變形量小 于0.01mm,說明整機結構變形量很小,，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,。從圖7中可以看出,，所設計的直線電機驅動高速立 式加工中心進給系統(tǒng)******應力5.66MPa (小于HT250的 屈服強度〇b=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 集中現象,，在機床切削加工過程中，銑頭隨著切削載荷 變化,，易產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生。 綜上所述,，所設計的直線電機驅動高速立式加工中 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,，其主要求解系統(tǒng)的固有頻率及 振型,，根據振動系統(tǒng)的模態(tài)參數對結構的動態(tài)響應性能 進行預測、評價,。 從系統(tǒng)的固有頻率叫=^,，可以得知進給系統(tǒng)整 體結構的固有頻率與系統(tǒng)的剛度、質量有關,。若主體結 構的質量越小,，剛度越大，則其固有頻率越高,，反之固 有頻率就越低,。想要提高機床的固有頻率實現機床抗振 性能可以從提高機床剛度、減輕機床質量入手,。 對于可變形的彈性體零部件而言,，在空間內有無 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構實際工況相關的 模態(tài)情況，所以在模態(tài)分析中,，只需要求出設計分析需 要的前幾階模態(tài),，本文對整機前六階模態(tài)進行分析，分 析結果云圖如圖8所示,。由于平衡杠伸出量較大,，容易出現在低階頻率 內振動,，整個機床的結構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 應的主軸轉速,。表3整機前六階模態(tài)響應結果 模態(tài)階數 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動 從表3中的模態(tài)頻率分析結果可以看出,，設計的直 線電機驅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結論1) 為滿足機床高速高精的加工要求,，設計了直線電 機驅動高速立式加工中心的整體結構，在方案設計中，充 分考慮結構布局,、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,，提高生產效率,。2) 對設計的直線電機驅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 床結構的剛性、強度及抗振特性要求,，達到設計要求,。本文由海天精工整理發(fā)表文章均來自網絡僅供學習參考，轉載請注明,！ iF:,3Il!=lr iF:,3Il!=lr I