郑天池，张 军，鞠家全，郭永海，邱自学

（1.南通大学 机械工程学院，南通 226019；2.江苏省经济和信息化研究院，南京 210003）

0 引言

数控机床是集先进制造技术和制造信息为一体的重要装备，是发展装备制造业、高精尖技术产业必不可少的复杂生产工具[1]。 “旋转电机+滚珠丝杠”是目前机床产品中最常见的进给方式，但在高速运行时存在弹性变形大、响应速度慢、有反向间隙、易磨损等缺陷[2～4]。而永磁直线同步电机（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor, PMLSM）是一种不需要通过中间任何转换装置，将电能直接转换成直线运动机械能的新型电机，具有系统结构简单、进给速度快、响应速度高、无机械磨损、噪音低、维护方便等优点[5]。PMLSM将广泛应用于交通运输、特种加工、机器工业和仪器仪表工业等领域[6～9]。

鉴于直线电机直接驱动方式的诸多优点，各种高性能数控机床已越来越多地采用直线电机驱动技术[10,11]。美国Ingersoll公司开发了X、Y、Z三轴采用直线电机驱动的卧式加工中心（HVM600），用于加工汽车发动机汽缸；日本SODICK将直线电机用于电火花成形加工设备；法国Renault Automation生产的Urane20/25所有进给轴采用直线电机进给，专门用于大型零件切削加工。目前，直线电机技术在上述领域的应用虽取得了实质性的进展，但由于直线电机进给系统存在的自重相对较大、功耗大、电机过载会造成温度升高、冷却不佳易造成机床结构变形等缺陷[12]，在精密零件、3C、PCB板等高速高精加工领域的应用还不够广泛。

1 整体方案设计

1.1 主体结构设计

立式加工中心进给系统结构有固定立柱和移动立柱两种。为满足机床高速高精、刚性好、便于直线电机安装等要求，本文选取固定立柱结构型式。基于固定立柱设计的直线电机驱动立式加工中心进给系统X、Y、Z轴由直线电机驱动，机床的主体结构由一个二维的水平运动平台（X、Y轴）和一个垂直方向运动（Z轴）构成。所设计的直线电机驱动高速立式加工中心的主进给系统结构如图1所示。

图1 主进给系统结构图

图1中，在床身上设置Y向进给单元，床鞍放置在Y向进给单元上方，在床鞍的上方设置X向进给单元，X向直线电机带动工作台做X向往复直线运动。床身的后端放置固定立柱，在立柱上设置Z向进给单元，Z向进给单元带动主轴箱运动部件做Z轴方向的上下移动。

1.2 参数设定

依据加工对象的结构特征及尺寸大小，确定了X、Y、Z三轴的行程分别为500mm、400mm、400mm。中高档3C产品精密模具的精度要求相对较高，设定了直线电机驱动高速立式加工中心的技术指标，如表1所示。

表1 技术指标参数设定

为实现联动控制要求，设定了X、Y、Z三轴的进给速度，如表2所示。

表2 进给速度参数设定

1.3 直线电机进给系统设计

1.3.1 直线电机进给系统原理

如图2所示，直线电机进给系统工作时，数控单元通过通讯结构将控制指令传递给运动伺服控制器单元，运动伺服控制器单元将信号传递给控制电路，控制电路通过脉冲宽度调制（PWM）伺服信号控制直线电机的运动与停止；在运动过程中，通过传感单元将直线电机的磁极信息、电流信息、速度信息、位置信息等进给系统信息反馈给伺服系统，形成对系统的双闭环反馈；在高速加工过程中，直线进给单元通过精密插补和微量进给调节，可以获得理想的加工精度和表面质量[13]。

式中：Fxmax为最大推力，mx为X向移动部件的总质量，ax为X向加速度，u为导轨摩擦系数，Fg为直线电机初级与次级的引力。

根据式(1)计算出的推力值可初步进行X向直线电机的选型。在初步选型的基础上对所选直线电机进行校核计算：

1）快速移动满足响应的加减速要求：

1.3.2 直线电机选型

X向快速移动时直线电机的最大推力为：

2）恒定速度切削要求：

式中：Fth为所选直线电机的实际推力，Fc为直线电机持续推力。

1.4 机床功能部件设计

机床功能部件设计主要包括主轴系统设计、油冷系统设计和控制系统设计。主轴系统主要由主轴电机、主轴、联轴器、传动单元等部分组成，主轴最大转速设定为20000rpm。油冷系统中油冷机的流量设定为30L/min，从而保证直线电机及主轴的快速冷却。控制系统采用全闭环控制，提高进给系统的精度和稳定性。

1.5 机床整体结构

直驱型高速立式加工中心整机采用C型机床结构，整机效果图如图3所示，能够实现直线电机驱动单元在进给系统中的便捷安装。融合合理结构方案、现代传感器技术、设计高性能的驱动单元和控制系统，可以充分发挥直线电机进给系统的高性能。

图2 直线电机进给系统工作原理图

图3 整机效果图

2 静态特性分析

2.1 模型简化与网格划分

计算机辅助工程（CAE）是一种常用于工程、机械等行业的数值模拟分析软件，可以高效辅助工程人员的样机设计分析。CAE分析中常用方法之一为有限元法（FEM）。

本文采用ANSYS Workbench（AWB）有限元分析软件对整机静态特性进行分析。将直线电机驱动高速立式加工中心的整机三维实体模型，导入到AWB有限元分析软件中，并进行结构简化，如图4所示。

图4 简化后整机三维实体模型

将简化后的模型转化成Geomotry，重新编辑各个零件的连接关系，将螺栓连接在一起的零件和不重要的面接触简化为绑定，定义各个零件的材质，主要零件材质有Structure Steel（45钢，密度为7850kg/m3，弹性模量E为2×1011Pa/mm，泊松比μ为0.3）、Gray Cast Iron（HT250，密度为7200kg/m3，弹性模量E为1.18×1011Pa/mm，泊松比μ为0.28）。

在完成所有零件及整体的定义后进行合理的网格划分，实现有限单元与节点的有序、可靠连接。整机模型合理简化后进行的网格划分结果如图5所示，共有587220个节点，328634个单元组成。

图5 加工中心有限元分析模型网格划分

2.2 变形量与应力分析

在AWB平台的Static Structure模块下进行最大载荷工况下机床主体结构的强度和刚性分析。整机在极限切削载荷作用下，变形云图如图6所示，应力云图如图7所示。

图6 机床静态分析的变形云图

从图6中可以看出：所设计的直线电机驱动高速立式加工中心进给系统中，十字平台（XY向）进给系统变形量最小，小于0.008mm，说明十字平台结构平稳性较好；主轴端面变形量最大，但最大变形量小于 0.01mm，说明整机结构变形量很小，抗切削刚性较好。因此，能够满足加工精度和加工时的进给系统刚度要求。

图7 机床静态分析的应力云图

从图7中可以看出，所设计的直线电机驱动高速立式加工中心进给系统最大应力5.66MPa（小于HT250的屈服强度σb=250MPa），说明整机的应力值很小，平均应力为2.51MPa，得益于整机筋板结构分布均匀，结构传递载荷能力强。但是在立柱与床身结合附近有应力集中现象，在机床切削加工过程中，铣头随着切削载荷变化，易产生交变载荷引起的疲劳破坏，所以在切削加工等使用过程中应减少交变载荷的产生。

综上所述，所设计的直线电机驱动高速立式加工中心进给系统具有良好的强度和刚度，能满足机床在加工过程中高精度的要求。

3 动态特性分析

在结构的动态特性分析中，模态分析是工程结构中常见的动力学分析之一，其主要求解系统的固有频率及振型，根据振动系统的模态参数对结构的动态响应性能进行预测、评价。

对于可变形的弹性体零部件而言，在空间内有无穷多自由度，故可以求解无穷多阶振型，但在实际工程中，往往只考察几阶与被分析工程结构实际工况相关的模态情况，所以在模态分析中，只需要求出设计分析需要的前几阶模态，本文对整机前六阶模态进行分析，分析结果云图如图8所示。

图8 前六阶模态响应云图

整机前六阶模态响应结果如表3所示，在低阶频率范围内，由于平衡杠伸出量较大，容易出现在低阶频率内振动，整个机床的结构相对抗振性能比较好，在低速粗加工过程中主动避开第1、2、5、6阶的加工转速相对应的加工激振频率，尽量避开前六阶各个模态频率相对应的主轴转速。

表3 整机前六阶模态响应结果

从表3中的模态频率分析结果可以看出，设计的直线电机驱动高速立式加工中心进给系统能够满足粗加工及加减速对机床抗振特性的要求。然而面向电子信息业的高速立式加工中心更多是完成精密零件的钻铣加工，其切削载荷不会很大，但是对精度要求很高，尤其要避开激振力和自激振动对精度的影响。

4 结论

1）为满足机床高速高精的加工要求，设计了直线电机驱动高速立式加工中心的整体结构，在方案设计中，充分考虑结构布局、电机选型、功能部件选择，利用直线电机作为立式加工中心进给系统驱动单元可以提高立式加工中心的切削进给速度和控制精度，提高生产效率。

2）对设计的直线电机驱动高速立式加工中心整机基于有限元的静动态特性分析，结果显示：整机具有良好的强度、刚度和抗振特性，满足粗加工及加减速对机床结构的刚性、强度及抗振特性要求，达到设计要求。

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