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數控機床是集先進制造技術和制造信息為一體的重要裝備，是發展裝備制造業、高精尖技術產業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、維護方便等優點^[5]。PMLSM將廣泛應用于交通運輸、特種加工、機器工業和儀器儀表工業等領域^[6?^9]。

鑒于直線電機直接驅動方式的諸多優點，各種高性能數控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
最大加速度	2g	m/s²
平衡誤差	10	%
為實現聯動控制要求，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直線電機進給系統設計

1.3.1直線電機進給系統原理

如圖2所示，直線電機進給系統工作時，數控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信息反饋給伺服系統，形成對系統的雙閉環反饋；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，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最大推力為：

^Fx max = ^mx^ax + ^ ⁽^m_xg + ^Fg ) (1)

式中：為最大推力，m_A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：F_tt為所選直線電機的實際推力，Fc為直線電機持續推力。

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設計、油冷系統設計和控制系統設計。主軸系統主要由主軸電機、主軸、聯軸器、傳動單元等部分組成，主軸最大轉速設定為20000rpm。油冷系統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 采用全閉環控制，提高進給系統的精度和穩定性。

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，可以充分發揮直線電機進給系統的高性能。

2靜態特性分析

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2X10^uPa/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模塊下進行最大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中，十字平臺（XY向）進給系統變形量最小，小于0.008mm,說明十字平臺結構平穩性較好；主軸端面變形量最大，但最大變形量小于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最大應力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動態特性分析
在結構的動態特性分析中，模態分析是工程結構中常見的動力學分析之一，其主要求解系統的固有頻率及振型，根據振動系統的模態參數對結構的動態響應性能進行預測、評價。
從系統的固有頻率叫=^，可以得知進給系統整體結構的固有頻率與系統的剛度、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情況，所以在模態分析中，只需要求出設計分析需要的前幾階模態，本文對整機前六階模態進行分析，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頻率相對應的主軸轉速。

表3整機前六階模態響應結果

模態階數	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。

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