李天箭 丁 輝 程 凱

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

超精密加工機(jī)床系統(tǒng)是包含機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)，電磁驅(qū)動(dòng)，內(nèi)在氣、固、熱、電、磁相互作用的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含顯著的多層次、復(fù)雜耦合特征。目前超精密加工機(jī)床在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，往往只針對(duì)具體應(yīng)用的精度需求，先進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)與分析，然后進(jìn)行部件的設(shè)計(jì)與分析，缺少部件間綜合動(dòng)態(tài)綜合、整體系統(tǒng)的無(wú)縫解析和系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。盡管各國(guó)精密機(jī)床廠和制造科學(xué)家設(shè)計(jì)了各種超精密加工機(jī)床，有許多針對(duì)具體應(yīng)用的機(jī)床設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析案例［1－4］，但設(shè)計(jì)往往是“具體應(yīng)用—經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)”，尚沒(méi)有任何機(jī)床系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)理論體系。1992年，美國(guó)MIT的著名學(xué)者Slocum教授曾編寫(xiě)《Precision Machine Design》一書(shū)［5］，該書(shū)是精密機(jī)床具體應(yīng)用—經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法的代表性著作。

CIRP會(huì)員Altintas教授在2005年CIRP大會(huì)上曾針對(duì)虛擬機(jī)床技術(shù)的研究狀況與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了詳細(xì)的綜述分析［6］。他的綜述報(bào)告探討了機(jī)床的多體動(dòng)力學(xué)模型，并討論了機(jī)床靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)以及控制策略集成仿真環(huán)境等問(wèn)題。2010年3月，機(jī)械工程著名刊物《International Journal of Machine Tools and Manufacture》出版的“Special issue on design of ultraprecision and micro machine tools and their key enabling technologies”（“超精密加工機(jī)床設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)”?？?］指出，復(fù)雜系統(tǒng)集成技術(shù)是超精密加工機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。集成設(shè)計(jì)與仿真分析是實(shí)現(xiàn)機(jī)床指標(biāo)評(píng)價(jià)、系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的重要手段。因此，在機(jī)床系統(tǒng)統(tǒng)一建模求解的基礎(chǔ)上，結(jié)合超精密加工機(jī)床系統(tǒng)的多尺度、多層次復(fù)雜特性，開(kāi)展超精密加工機(jī)床系統(tǒng)的集成仿真環(huán)境和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究具有重要的意義。

1 多尺度集成設(shè)計(jì)方法

在精密機(jī)床的設(shè)計(jì)中，機(jī)床產(chǎn)品本身是具有多尺度特征的，如圖1所示。對(duì)任何一臺(tái)精密機(jī)床，都可以從宏觀尺度、介觀尺度、微觀尺度來(lái)區(qū)分機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)部件及控制系統(tǒng)等。在當(dāng)代設(shè)計(jì)中，圖中9大區(qū)域每一塊都有很多熱點(diǎn)問(wèn)題為技術(shù)人員、專家學(xué)者們研究。并隨著基礎(chǔ)理論的應(yīng)用研究、仿真技術(shù)的發(fā)展和各模塊研究的日益成熟，這些正是本文建立機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)的統(tǒng)一表述模型基礎(chǔ)。即通過(guò)“部件－系統(tǒng)－集成－應(yīng)用”實(shí)現(xiàn)超精密加工機(jī)床系統(tǒng)多尺度設(shè)計(jì)，形成超精密加工機(jī)床的集成設(shè)計(jì)理論體系。本文研究是在圖1所示的平臺(tái)思想和原理與方法的支持下實(shí)現(xiàn)的。

為了達(dá)到最好的集成效果，多尺度集成分析平臺(tái)分為機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)部件和控制系統(tǒng)3個(gè)模塊，各模塊之間的數(shù)據(jù)通過(guò)集成的方法進(jìn)行傳遞［8］。下面將使用機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊介紹多尺度分析方法。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)中的多尺度

2．1 動(dòng)力分析模塊

現(xiàn)階段機(jī)床機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為達(dá)到良好的動(dòng)態(tài)性能，通?？梢圆捎枚喾N微結(jié)構(gòu)，目前應(yīng)用較多的是浮動(dòng)導(dǎo)軌的氣孔結(jié)構(gòu)。本文使用本實(shí)驗(yàn)室已有機(jī)床與改進(jìn)氣浮導(dǎo)軌微結(jié)構(gòu)機(jī)床進(jìn)行仿真對(duì)比來(lái)闡述微結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀性能的影響。機(jī)械結(jié)構(gòu)多尺度模型如圖2所示。

2．2 動(dòng)力分析流程

如圖3所示，動(dòng)力分析是以機(jī)床為載體，以外力為激勵(lì)，計(jì)算剛度和響應(yīng)，并從中取得動(dòng)態(tài)性能較好的優(yōu)化解。優(yōu)化時(shí)可直接使用優(yōu)化軟件。

3 微結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀動(dòng)特性影響分析

氣浮導(dǎo)軌上下表面之間設(shè)計(jì)時(shí)要求高精度和一定的承載能力，提高氣浮導(dǎo)軌的精度和剛度是止推氣浮軸承研究的一個(gè)熱點(diǎn)［9－12］。本文通過(guò)仿真計(jì)算了動(dòng)導(dǎo)軌表面具有如圖2左側(cè)所示的兩種氣浮導(dǎo)軌的表面結(jié)構(gòu)的壓強(qiáng)分布。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了氣壓波動(dòng)時(shí)宏觀動(dòng)態(tài)性能仿真。

3．1 微結(jié)構(gòu)與無(wú)微結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌工作條件

為保證仿真數(shù)據(jù)的可信性，仿真中數(shù)據(jù)使用了筆者實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有超精密機(jī)床導(dǎo)軌設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)［12］。此數(shù)據(jù)可通過(guò)傳統(tǒng)無(wú)微結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌表面壓強(qiáng)的仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性，確保仿真方法的正確性。

導(dǎo)軌工作基本條件如表1所示。

表1 導(dǎo)軌工況表

3．2 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4為微結(jié)構(gòu)和無(wú)微結(jié)構(gòu)壓強(qiáng)分布圖，其中傳統(tǒng)無(wú)微結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌壓強(qiáng)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，傳統(tǒng)小孔節(jié)流壓力分布曲線如圖4a所示。

由以上圖譜可知，微結(jié)構(gòu)表面的設(shè)計(jì)明顯改善了導(dǎo)軌表面的壓強(qiáng)分布，因此，將會(huì)改善整體的動(dòng)性能。

3．3 不同微結(jié)構(gòu)下機(jī)床的動(dòng)特性

為了進(jìn)一步說(shuō)明微結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)態(tài)性能的改善，進(jìn)行了氣壓波動(dòng)時(shí)壓強(qiáng)波動(dòng)仿真。圖5是外界氣壓從0.4 MPa波動(dòng)到0.5 MPa時(shí)，動(dòng)導(dǎo)軌氣壓面上壓強(qiáng)對(duì)面積積分后得到的壓力波動(dòng)曲線。方點(diǎn)為有微結(jié)構(gòu)，圓點(diǎn)為無(wú)微結(jié)構(gòu)。

由圖5可知，微結(jié)構(gòu)改變了導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)承載能力，同時(shí)，基于承載能力與剛度成正比的關(guān)系，微結(jié)構(gòu)提升了導(dǎo)軌的動(dòng)剛度?？梢钥隙ǖ卣f(shuō)，微結(jié)構(gòu)將同樣提升機(jī)床的動(dòng)剛度，改善機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性。

圖6是使用多尺度集成模型計(jì)算出的兩種結(jié)構(gòu)在0.1 s內(nèi)壓強(qiáng)由0.4 MPa波動(dòng)到0.5 MPa并復(fù)原后引發(fā)的宏觀結(jié)果:Y向跳動(dòng)?？紤]到兩導(dǎo)軌同時(shí)受氣壓影響發(fā)生跳動(dòng)［13］，計(jì)算Y向跳動(dòng)時(shí)，計(jì)算相對(duì)跳動(dòng)。從圖中可知，與傳統(tǒng)氣腔（圖6a）相比，帶有微結(jié)構(gòu)的（圖6b）機(jī)床氣壓變化引起的Y向跳動(dòng)減小了0.09 μm，機(jī)床動(dòng)特性更好。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了多尺度集成設(shè)計(jì)方法，建立了多尺度集成設(shè)計(jì)模型。并通過(guò)動(dòng)導(dǎo)軌微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)超精密機(jī)床宏觀動(dòng)態(tài)性能的影響，說(shuō)明了機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)采用多尺度方法的必要性和重要性。

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