直驱型高速立式加工中心设计与静动态特性分析
0引言
数控机床是集*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三轴米用直线电机驱 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
技术指标
参数值
单位
定位精度
±0.005/300
mm
重复精度
±0.005/300
mm
大加速度
2g
m/s2
平衡误差
10
%
为实现联动控制要求，设定了x、y、 速度，如表2所示。
z三轴的进给
表2
进给速度参数设定
进给速度
参数值
单位
切削进给速度范围
1-60
m/min
x轴快速移动
60
m/min
y轴快速移动
60
m/min
z轴快速移动
60
m/min
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]。
1.3.2直线电机选型
x向快速移动时直线电机的大推力为：
fx max = mxax + ^ (mxg + fg ) (1)
式中：为大推力，ma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：
fxmax - ^ (mxs + fg )
,ax >
2)恒定速度切削要求：
fth ^ fc + ^(m,8 + fg) (3)
式中：ftt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。
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。
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2x10upa/mm，泊松比y为0.3)、gray cast iron (ht250,密度为7200kg/m3，弹性模量e为 1.18x10npa/mm，泊松比y为 0.28)。
在完成所有零件及整体的定乂后进行合理的网格 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。
2.2变形量与应力分析
在awb平台的static structure模块下进行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。
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；主轴端面变形量大，但大变形量小 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。
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大应力5.66mpa (小于ht250的 屈服强度〇b=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。
从系统的固有频率叫=^，可以得知进给系统整 体结构的固有频率与系统的刚度、质量有关。若主体结 构的质量越小，刚度越大，则其固有频率越高，反之固 有频率就越低。想要提高机床的固有频率实现机床抗振 性能可以从提高机床刚度、减轻机床质量入手。
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。
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
模态阶数
共振频率/hz
振型
1
40.25
绕立柱与床身安装位置的 主轴箱上下摆动
2
59.32
主轴箱左右摆动
3
87.37
平衡气缸左右摆动
4
89.29
平衡气缸前后摆动
5
108.38
立柱左右摆动
6
132.24
主轴箱绕中间位置转动
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。
本文由伯特利数控整理发表文章均来自网络仅供学习参考，转载请注明！
放散式全焊接球阀介质参数
地埋管换热器换热能力分析方法
砍排机的各方面特点分享
四环素（TCs）ELISA试剂盒详细使用如何操作？
养殖污水处理一体化装置
直驱型高速立式加工中心设计与静动态特性分析
插入式超声波流量计的安装指南
不锈钢滚筒烘干机鸡粪有机肥生产线
在线总氮自动分析仪拥有多种明显优势
MJS-250型 细菌培养箱 Bacteriological Incudbator
果蔬脆片变温压差膨化设备的工作原理是什么？
立磨中磨损情况有哪些？耐磨厂家如何制造与修复立磨磨损件？
双螺杆pp塑料造粒设备
化妆品中禁用物质磷酸三（2-氯乙基）酯和磷酸*酚酯的测定
什么是建筑排烟材料理想选择？当然是阻燃通风软连接
迷走神经参与宿主对内毒素反应的调节
哪里有二手168型榨油机
HYDAC压力传感器与贺德克压力开关区别HDA4746-A-060-0
滴丸机的相关知识普及
环境负氧离子监测系统：一种提高空气质量和人体健康的创新技术
数控机床是集*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三轴米用直线电机驱 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
技术指标
参数值
单位
定位精度
±0.005/300
mm
重复精度
±0.005/300
mm
大加速度
2g
m/s2
平衡误差
10
%
为实现联动控制要求，设定了x、y、 速度，如表2所示。
z三轴的进给
表2
进给速度参数设定
进给速度
参数值
单位
切削进给速度范围
1-60
m/min
x轴快速移动
60
m/min
y轴快速移动
60
m/min
z轴快速移动
60
m/min
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]。
1.3.2直线电机选型
x向快速移动时直线电机的大推力为：
fx max = mxax + ^ (mxg + fg ) (1)
式中：为大推力，ma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：
fxmax - ^ (mxs + fg )
,ax >
2)恒定速度切削要求：
fth ^ fc + ^(m,8 + fg) (3)
式中：ftt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。
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。
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2x10upa/mm，泊松比y为0.3)、gray cast iron (ht250,密度为7200kg/m3，弹性模量e为 1.18x10npa/mm，泊松比y为 0.28)。
在完成所有零件及整体的定乂后进行合理的网格 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。
2.2变形量与应力分析
在awb平台的static structure模块下进行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。
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；主轴端面变形量大，但大变形量小 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。
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大应力5.66mpa (小于ht250的 屈服强度〇b=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。
从系统的固有频率叫=^，可以得知进给系统整 体结构的固有频率与系统的刚度、质量有关。若主体结 构的质量越小，刚度越大，则其固有频率越高，反之固 有频率就越低。想要提高机床的固有频率实现机床抗振 性能可以从提高机床刚度、减轻机床质量入手。
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。
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
模态阶数
共振频率/hz
振型
1
40.25
绕立柱与床身安装位置的 主轴箱上下摆动
2
59.32
主轴箱左右摆动
3
87.37
平衡气缸左右摆动
4
89.29
平衡气缸前后摆动
5
108.38
立柱左右摆动
6
132.24
主轴箱绕中间位置转动
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。
本文由伯特利数控整理发表文章均来自网络仅供学习参考，转载请注明！
放散式全焊接球阀介质参数
地埋管换热器换热能力分析方法
砍排机的各方面特点分享
四环素（TCs）ELISA试剂盒详细使用如何操作？
养殖污水处理一体化装置
直驱型高速立式加工中心设计与静动态特性分析
插入式超声波流量计的安装指南
不锈钢滚筒烘干机鸡粪有机肥生产线
在线总氮自动分析仪拥有多种明显优势
MJS-250型 细菌培养箱 Bacteriological Incudbator
果蔬脆片变温压差膨化设备的工作原理是什么？
立磨中磨损情况有哪些？耐磨厂家如何制造与修复立磨磨损件？
双螺杆pp塑料造粒设备
化妆品中禁用物质磷酸三（2-氯乙基）酯和磷酸*酚酯的测定
什么是建筑排烟材料理想选择？当然是阻燃通风软连接
迷走神经参与宿主对内毒素反应的调节
哪里有二手168型榨油机
HYDAC压力传感器与贺德克压力开关区别HDA4746-A-060-0
滴丸机的相关知识普及
环境负氧离子监测系统：一种提高空气质量和人体健康的创新技术