萬(wàn)莉平，張 軍，鄭天池，鞠家全，郭永海，邱自學(xué)

（南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通 226019）

直驅(qū)型高速數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析及實(shí)驗(yàn)*

萬(wàn)莉平，張 軍，鄭天池，鞠家全，郭永海，邱自學(xué)

（南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通 226019）

為克服傳統(tǒng)機(jī)床“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”進(jìn)給傳動(dòng)方式存在的彈性變形大、響應(yīng)速度慢、易磨損等問(wèn)題，利用永磁直線同步電機(jī)（PMLSM）設(shè)計(jì)了一種直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)。從理論上分析了系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響，在此基礎(chǔ)上，對(duì)最大切削力工況下的進(jìn)給系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剛度、強(qiáng)度以及模態(tài)分析，最后，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了進(jìn)給系統(tǒng)的位置精度及動(dòng)平衡精度。結(jié)果表明，該進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變形量小于0.01mm，最大應(yīng)力為5.7MPa，且在低階頻率范圍內(nèi)，主動(dòng)避開(kāi)1、2、5、6階加工激振頻率可使進(jìn)給系統(tǒng)具有較高的抗振特性，同時(shí)該系統(tǒng)的位置精度、平衡精度均在設(shè)計(jì)指標(biāo)內(nèi)，有效的保證了進(jìn)給系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)精度及穩(wěn)定性。

進(jìn)給系統(tǒng)；直線電機(jī)；靜動(dòng)態(tài)特性；精度實(shí)驗(yàn)

0 引言

隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提升，傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的加工效率和加工精度很難適應(yīng)4G時(shí)代電子信息業(yè)產(chǎn)品大批量的加工需求［1-2］。而提高機(jī)械加工設(shè)備的進(jìn)給系統(tǒng)性能可以很大程度上提升生產(chǎn)效率和加工精度，以適應(yīng)現(xiàn)代電子信息行業(yè)高速變革的需求［3］。目前，“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”是機(jī)床產(chǎn)品中一種最常見(jiàn)的進(jìn)給方式，絲杠與螺母之間通過(guò)滾珠來(lái)傳遞力和能量，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)變成進(jìn)給系統(tǒng)的直線運(yùn)動(dòng)［4］。該方式平穩(wěn)度好、成本低，但也有響應(yīng)速度慢、存在反向間隙、裝配工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)［5-6］。按照目前機(jī)床的高效、高速、高精度的發(fā)展趨勢(shì)，“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”進(jìn)給傳動(dòng)方式，在很大程度上將難以滿足未來(lái)高性能機(jī)床的技術(shù)要求［7］。

針對(duì)上述情況，利用永磁直線同步電機(jī)（PMLSM）構(gòu)建了機(jī)床主體進(jìn)給系統(tǒng)，它可以將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)機(jī)械磨損、噪音低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)［8］。同時(shí)對(duì)機(jī)床X向進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了理論分析，以探究機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的影響，然后，在Ansys WorkBench（AWB）平臺(tái)上對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了最大載荷工況下的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了位置精度和平衡精度測(cè)試。結(jié)果表明：該進(jìn)給系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)剛性、強(qiáng)度較高，在避開(kāi)1、2、5、6階加工激振頻率時(shí)，具有較高的抗振特性，同時(shí)各項(xiàng)動(dòng)態(tài)精度均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1 主進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速數(shù)控機(jī)床的主進(jìn)給系統(tǒng)如圖1所示，在床身基礎(chǔ)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(dòng)工作臺(tái)做X向往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。床身的后端放置立柱，在立柱上設(shè)置Z向進(jìn)給單元帶動(dòng)主軸箱運(yùn)動(dòng)部件做垂直于XY平面的上下運(yùn)動(dòng)。其中，X、Y、Z三軸進(jìn)給系統(tǒng)均采用全閉環(huán)反饋控制。

圖1 主進(jìn)給系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

利用永磁直線同步電機(jī)（PMLSM）作為驅(qū)動(dòng)單元，不僅省去了絲桿、軸承、電機(jī)座等“電機(jī)+絲杠”驅(qū)動(dòng)單元中易損部件，且結(jié)構(gòu)上看起來(lái)更加簡(jiǎn)易。同時(shí)，考慮到PMLSM的價(jià)格和推力等因素，數(shù)控機(jī)床的X、Y、Z三軸驅(qū)動(dòng)單元均選用單邊平板形PMLSM。每軸進(jìn)給單元主要有PMLSM、傳感反饋單元、直線導(dǎo)軌、移動(dòng)部件、基體組成。在Y向上，基體為床身，移動(dòng)部件為床鞍；在X向上移動(dòng)部件為工作臺(tái)，基體為床鞍；在Z向上移動(dòng)部件為銑頭（主軸、主軸箱、主軸電機(jī)等部件組件），基體為立柱。具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)工作時(shí)，數(shù)控單元首先通過(guò)通訊結(jié)構(gòu)將控制指令傳遞給運(yùn)動(dòng)伺服控制器單元，然后，運(yùn)動(dòng)伺服控制器單元將信號(hào)傳遞給控制電路，控制電路再通過(guò)脈沖寬度調(diào)制（PWM）伺服信號(hào)控制直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)與停止。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)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(duì)系統(tǒng)的雙閉環(huán)反饋。此外，在高速加工過(guò)程中，直線進(jìn)給單元通過(guò)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。

圖2 直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 進(jìn)給系統(tǒng)靜動(dòng)態(tài)特性分析

2.1 理論分析

在PMLSM進(jìn)給系統(tǒng)中機(jī)械環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)高速高加速進(jìn)給的基礎(chǔ)。直驅(qū)型高速數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)由三個(gè)子系統(tǒng)（X、Y、Z）組成，現(xiàn)對(duì)其中X向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械環(huán)節(jié)建模，探究PMLSM進(jìn)給系統(tǒng)靜動(dòng)態(tài)特性與機(jī)械環(huán)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)之間的關(guān)系。

X向進(jìn)給系統(tǒng)主要承擔(dān)著工作臺(tái)的動(dòng)作，由于線圈安裝板與工作臺(tái)面通過(guò)緊固件剛性連接在一起，在模型建立時(shí)，將分體式工作臺(tái)化簡(jiǎn)成整體式工作臺(tái)，如圖3所示。

圖3 X向進(jìn)給系統(tǒng)模型圖

當(dāng)X軸進(jìn)給方向上機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在受到電機(jī)推力中干擾諧波分量作用時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型為：

忽略阻尼影響，僅考慮機(jī)械系統(tǒng)頻率特性對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的影響，可得系統(tǒng)的輸出響應(yīng)偏差為：

式中：等式右側(cè)第1項(xiàng)為瞬態(tài)誤差，第2項(xiàng)為穩(wěn)態(tài)誤差中的勻速段波動(dòng)誤差；ωn=（Ke/m）1/2為機(jī)械系統(tǒng)固有頻率；λ=ω/ωn。

由式（2）可以看出，機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性主要影響進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度的瞬態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)誤差中的勻速段波動(dòng)誤差。在實(shí)際應(yīng)用中，為減小這種運(yùn)動(dòng)誤差，常采用以下兩種方法［9］：一是根據(jù)加工要求，選擇機(jī)械構(gòu)件，使得機(jī)械固有頻率避開(kāi)可能的外界激勵(lì)頻率；二是機(jī)械系統(tǒng)已選定，通過(guò)設(shè)計(jì)控制策略，控制外界激勵(lì)。本文采用第一種策略，根據(jù)進(jìn)給系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)特性，在AWB中建立進(jìn)給系統(tǒng)模型進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)分析，以驗(yàn)證PMLSM進(jìn)給系統(tǒng)的性能。

2.2 靜剛度、強(qiáng)度分析

在對(duì)靜剛度、強(qiáng)度分析前，應(yīng)先對(duì)整機(jī)進(jìn)行三維建模、模型簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分及工況載荷設(shè)定，其中，直驅(qū)型高速機(jī)床主要工況有兩種即高速高加速的啟動(dòng)與停止和最大極限載荷切削，這兩種工況對(duì)機(jī)床的靜動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性有著很高的要求，而在之前的研究分析中已發(fā)現(xiàn)切削載荷對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)影響更大［10］，因此，主要分析該工況下的影響。

將地腳螺栓安裝位置固定，最大切削力工況下的機(jī)床受力主要包括：切削力及切削力矩、PMLSM初級(jí)線圈與次級(jí)磁板引力、電機(jī)推力、平衡系統(tǒng)對(duì)銑頭拉力、后配重電箱重力、地球引力等。將受力模型導(dǎo)入到AWB平臺(tái)的Static Structure模塊中，并運(yùn)用Total Deformation和Equivalent Stress功能分別對(duì)機(jī)床主體結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行分析，結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

圖4 整機(jī)變形大小云圖

從圖4中可以看出：十字平臺(tái)（XY向）進(jìn)給系統(tǒng)變形量最小，其值為0.008mm，這說(shuō)明平臺(tái)結(jié)構(gòu)平穩(wěn)性較高；此外，最大變形出現(xiàn)在主軸端部，其最大位移僅為0.028mm，這表明整機(jī)結(jié)構(gòu)變形很小，抗切削剛性較強(qiáng)，完全滿足加工時(shí)進(jìn)給系統(tǒng)的剛度要求。

圖5 整機(jī)應(yīng)力云圖

從圖5整機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力上可以看出：最大應(yīng)力僅為5.7MPa（遠(yuǎn)小于HT250屈服強(qiáng)度σb=250MPa），平均應(yīng)力在2.4MPa以下，這主要是由于整機(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(guò)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，所以在切削加工過(guò)程中應(yīng)減少交變載荷的產(chǎn)生。

總體而言，該進(jìn)給系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度來(lái)適應(yīng)各種工況，以保證機(jī)床在加工過(guò)程中的精度可靠性。

2.3 模態(tài)分析

在結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性分析中，模態(tài)分析是工程結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的動(dòng)力學(xué)分析之一，其主要是求解系統(tǒng)的固有頻率及振型，根據(jù)振動(dòng)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)［11-12］。

本文對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)取前十階模態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示，振型情況如表1所示。

圖6 前十階頻率振型

表1 整機(jī)前十階模態(tài)響應(yīng)結(jié)果

上述結(jié)果表明，由于平衡氣缸伸出量較大，易出現(xiàn)振動(dòng)，但整個(gè)機(jī)床的結(jié)構(gòu)相對(duì)抗振性能較好，且在加工過(guò)程中，主動(dòng)避開(kāi)第1、2、5、6階加工轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的激振頻率，可以有效提高整機(jī)的抗振性能，保證加工質(zhì)量。

3 實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 進(jìn)給系統(tǒng)位置精度實(shí)驗(yàn)

位置精度是考量直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速進(jìn)給系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，通常包括：定位精度、重復(fù)定位精度以及反向差值。針對(duì)此，本文采用英國(guó)雷尼紹（Renishaw）ML-10激光干涉儀系統(tǒng)用于進(jìn)給系統(tǒng)的位置精度評(píng)價(jià)與標(biāo)定，其中，ML-10線性位置測(cè)量精度為≤±0.5ppm，線性位置精度測(cè)量范圍為40m，滿足測(cè)試需求。

如圖7所示，測(cè)量X向時(shí)，將干涉鏡安裝于機(jī)床的主軸上，反射鏡則裝在工作臺(tái)上，調(diào)整光點(diǎn)后，控制X向電機(jī)每次運(yùn)動(dòng)50mm，連續(xù)運(yùn)動(dòng)16次，然后往返重復(fù)3次，測(cè)試完畢后，再依次對(duì)Y向、Z向進(jìn)行激光干涉測(cè)試，最終根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17421.2-2000進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表2所示。

圖7 激光干涉現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

表2 進(jìn)給系統(tǒng)位置精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以上結(jié)果顯示，直驅(qū)型進(jìn)給系統(tǒng)各個(gè)方向的定位、重復(fù)及反向間隙精度均低于設(shè)計(jì)指標(biāo)，這保證了機(jī)床主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度。

3.2 進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)

動(dòng)平衡是評(píng)價(jià)直驅(qū)型高速機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的另一重要因素。它是由于偏心質(zhì)量產(chǎn)生的離心慣性力不在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)形成了慣性力偶，并且作用方位隨轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)而變化，引起機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)［13］。若進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)平衡不穩(wěn)定，將會(huì)出現(xiàn)加工件變形、表面振紋等不良影響，給進(jìn)給系統(tǒng)的性能帶來(lái)較大干擾。而在進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)平衡測(cè)試中，主軸轉(zhuǎn)子的靜動(dòng)態(tài)平衡對(duì)加工精度影響最為明顯，為此，采用日本Showa公司的1332B-01L動(dòng)平衡儀對(duì)機(jī)床主軸進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?000r/min逐漸增加到20000r/min，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)2小時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及結(jié)果分別如圖8、圖9所示。

圖8 動(dòng)平衡現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

圖9 動(dòng)平衡測(cè)試結(jié)果

由上述結(jié)果可以看出，X與Y向的動(dòng)平衡精度均小于0.8mm/s，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在16000rpm時(shí)，平衡精度的最大值為0.7mm/s，根據(jù)平衡精度相關(guān)公式［13］計(jì)算出其偏心距為0.8μm，小于平衡等級(jí)G1的許用偏心距1μm，因此，進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)平衡性能良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

（1）為滿足機(jī)床動(dòng)態(tài)精度要求，利用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)了高速機(jī)床的主進(jìn)給系統(tǒng)，不僅避免了傳統(tǒng)“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”進(jìn)給系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)精度不高、加速度小、進(jìn)給速度慢等問(wèn)題，而且提高了精密零件加工的精度和效率。

（2）針對(duì)直驅(qū)型機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了靜動(dòng)態(tài)理論分析，并在AWB平臺(tái)上對(duì)極限切削力情況下進(jìn)行剛度、強(qiáng)度以及模態(tài)分析。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了位置精度、平衡精度測(cè)試。結(jié)果表明：該進(jìn)給系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力均較小，在避開(kāi)1、2、5、6階加工激振頻率情況下，機(jī)床具有更好的抗振性能，同時(shí)測(cè)試的位置精度及平衡精度均在設(shè)計(jì)指標(biāo)之內(nèi)，這很好的保證了進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度及穩(wěn)定性。

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（編輯 李秀敏）

Design Analysis and Experiment of High Speed CNC Machine Tool Feed System Driven by Liner Motor

WAN Li-ping，ZHANG Jun，ZHENG Tian-chi，JU Jia-quan，GUO Yong-hai，QIU Zi-xue
（School of Mechanical Engineering，Nantong University，Nantong Jiangsu 226019，China）

In order to overcome the problems of traditional feed drive way composed by spin motor combined w ith ball screw in machine tool，such as high elastic deformation，slow response speed and easy to wear，a high speed CNC machine tool feed system driven by liner motor was designed using permanent magnet linear synchronous motor（PMSM）.The influence of mechanical structure on the dynamic characteristics was analyzed theoretically.On the basis of this，the stiffness，strength and modal analysis of the main structure of the system were made under the working condition of the maximum cutting force.Finally，the position precision and dynamic balance precision of the feed system were tested.The results show that the deformation of the system structure is less than 0.01 mm and the maximum stress is 5.7MPa.And in low frequency range，a high anti vibration characteristics of the feed system can be obtained by avoiding 1，2，5，6 order processing excitation frequency.At the same time，the system position precision and balance precision both meet the design index，and dynamic precision and stability of main structure of the feed system are guaranteed effectively.

feed system；liner motor；static and dynamic characteristics；precision experiment

TH122；TG502

A

1001-2265（2015）03-0111-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.03.030

2014-07-03

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金-前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目（BY2013042-01）；南通大學(xué)研究生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（YKC13013）

萬(wàn)莉平（1988—），女，江蘇徐州人，南通大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)及測(cè)控技術(shù)，（E-mail）2606264619@qq.com；通訊作者：邱自學(xué)（1963—），男，江蘇南通人，南通大學(xué)教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)及測(cè)控技術(shù)，（E-mail）qiu.zx@ntu.edu.cn。