機(jī)床直線電機(jī)工作臺動力學(xué)仿真與實驗方法探索

朱歡歡

【摘 要】文章以機(jī)床直線電機(jī)工作臺作為研究對象，對電機(jī)與導(dǎo)軌之間結(jié)合面的參數(shù)確定方法進(jìn)行說明;對該模型進(jìn)行有限元建模及其動力學(xué)仿真方法逐一說明，說明每種方法如何實施;對模型模態(tài)測試也進(jìn)行相關(guān)說明。將仿真分析與實驗方法結(jié)合起來，從而得到更準(zhǔn)確的計算數(shù)據(jù)，為后續(xù)其他人從事相關(guān)研究提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】機(jī)床直線電機(jī)工作臺;有限元建模;動力學(xué)仿真

【中圖分類號】TH112 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）12-0126-02

0 引言

數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的主流設(shè)備，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺是實現(xiàn)零件分度加工的重要附件，用于各種圓弧加工、與直線坐標(biāo)進(jìn)給聯(lián)動進(jìn)行曲面加工及實現(xiàn)精確的數(shù)控分度。準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)與控制參數(shù)，可以保證數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺快速響應(yīng)的精確度和穩(wěn)定性[1]。直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動機(jī)械能而不需要任何轉(zhuǎn)換裝置的新型電機(jī)，它具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、磨損少、噪聲低、組合性能強(qiáng)、維護(hù)方便等優(yōu)點[2]。現(xiàn)階段，直線電機(jī)振動主要的計算分析方法是解析法和有限元法，解析法針對結(jié)構(gòu)非常簡單或者針對一些特殊情況的電機(jī)振動可以進(jìn)行準(zhǔn)確的計算[3]。近年來，數(shù)控機(jī)床的研究方向主要集中在進(jìn)給系統(tǒng)方面，對工作臺方面的研究較少。本文主要是研究機(jī)床工作臺直線電機(jī)動態(tài)仿真方法，為后續(xù)工作臺方面的仿真提供一個新思路。

直線電機(jī)能直接將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，不需要中間環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換，它是由旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿著軸向展開延伸得來。直線電機(jī)的優(yōu)勢明顯。第一，節(jié)省空間。采用直線電機(jī)后，省略了很多中間環(huán)節(jié)的設(shè)計，增加機(jī)床空間布局范圍。第二，響應(yīng)速度高。電氣元件的響應(yīng)速度大大增加，縮減了中間機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)反應(yīng)時間。第三，噪音低，無磨損，效率高。中間傳動件沒有了，機(jī)械零部件之間是零接觸，減少摩擦過程中的能力耗損，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。第四，行程長度不限。驅(qū)動行程是由電機(jī)本身決定的，可以根據(jù)需要鋪設(shè)想要的長度。電機(jī)出力停止或者驟然停電，由于慣性的作用，運(yùn)動部件會繼續(xù)前進(jìn)，所以要設(shè)計好防撞機(jī)械裝置。

1 結(jié)合面參數(shù)的確定

在裝配過程，機(jī)床直線電機(jī)工作臺零件之間有很多連接，存在著固定結(jié)合面或是運(yùn)動結(jié)合面，這些結(jié)合面既有彈性又有阻尼，具有存儲能量又消耗能量的特性，選擇不匹配的連接方式，可能會增加整體結(jié)構(gòu)的阻尼，降低剛度，影響系統(tǒng)的固有頻率。因此，在對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)仿真分析時，必須確定結(jié)合面的動力學(xué)參數(shù)。只有這樣，仿真的結(jié)果才能更貼近實際，才能有效地預(yù)測整機(jī)的動態(tài)性能。

動力學(xué)參數(shù)的識別方法有理論計算、實驗測試，以及理論計算與實驗測試相結(jié)合的方法。由于實驗條件的限制，有些結(jié)合面動力學(xué)參數(shù)很難采用實驗測試與理論計算相結(jié)合的方法，可以參考其文獻(xiàn)內(nèi)實驗數(shù)據(jù)，通過仿真方法驗證，計算得到適用于本論文結(jié)合面動力學(xué)參數(shù)。例如，直線電機(jī)與導(dǎo)軌之間采用零接觸，導(dǎo)軌為導(dǎo)向作用，直線電機(jī)受到另外約束和限制。

2 有限元模型與仿真方法

2.1 有限元模型

機(jī)床工作臺直線電機(jī)模型中，先要對幾何模型進(jìn)行處理，去掉直接小于4 mm的螺紋孔，去除倒角，這些都是對網(wǎng)格質(zhì)量影響很大的部分，但是刪除它們不影響整個結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果;對于焊接或者拼接部分，可以將其看作是一個整體。系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)形狀對稱且規(guī)整的零件采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，其余的則考慮運(yùn)用四面體網(wǎng)格，并進(jìn)行二次節(jié)點?？紤]到部分零件對整體結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響很小，會刪除這部分零件。

采用Hypermesh軟件對整個模型進(jìn)行前處理，其中直線電機(jī)的動子和定子部分是分開的，劃分網(wǎng)格時，定子作為一個整體考慮。固定部分采用剛性連接，電機(jī)與導(dǎo)軌之間采用彈簧作為連接單元，分別設(shè)置垂向和垂直于導(dǎo)軌方向的剛度和阻尼，后處理部分采用nastran進(jìn)行計算，材料選擇的都是線性材料，在進(jìn)行靜力分析時，運(yùn)用胡克定律進(jìn)行仿真。

2.2 仿真方法

靜力分析是用來分析結(jié)構(gòu)在給定的靜力載荷作用下的響應(yīng)，例如位移、應(yīng)力及應(yīng)變等。機(jī)床工作臺直線電機(jī)模型中，受到自身重力的影響，橫梁會產(chǎn)生位移量，導(dǎo)致直線電機(jī)與導(dǎo)軌之間的間隙減少。在進(jìn)行約束設(shè)置時，考慮到接觸面之間無摩擦，采用約束力的方式，作用于接觸點，其方向是沿著該接觸面的法線方向上設(shè)置重力加速度，在系統(tǒng)的重力與約束力的共同作用下，計算出彈性范圍內(nèi)整體結(jié)構(gòu)的位移量。

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)的固有特性。將機(jī)床工作臺直線電機(jī)模型看成一個線性系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^理論經(jīng)驗公式或是激勵測試的方式，獲得系統(tǒng)的固有頻率和振型，判斷其是否與其他機(jī)構(gòu)產(chǎn)生共振，改變系統(tǒng)的比模量，提高或者降低結(jié)構(gòu)的固有頻率，有效指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。導(dǎo)軌底部是固定連接在平臺上的，對其底部采用全約束，設(shè)置求解范圍，計算結(jié)構(gòu)頻率范圍為0～2 000 Hz，取其前7階振型和頻率。

頻率響應(yīng)分析是一種用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受隨時間按一定規(guī)律變化載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。本系統(tǒng)中電機(jī)一直出力，假設(shè)電機(jī)出1 N的力，判斷系統(tǒng)隨時間變化的響應(yīng)情況。分析仿真計算得到的結(jié)果，能夠預(yù)估機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)性能。

諧響應(yīng)分析是確定該線性結(jié)構(gòu)在隨時間成正弦或余弦變化作用下隨時間變化的響應(yīng)情況。該分析能夠預(yù)測結(jié)構(gòu)的連續(xù)動力學(xué)特性，驗證設(shè)計的模型是否能夠避開共振、疲勞及其他不利影響。在計算得到模態(tài)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用模態(tài)疊加法對模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析。計算出電機(jī)出力曲線，作為輸入激勵，在橫梁上安裝刀具的地方作為輸出點，查看輸出的曲線上是否有很大的峰值。

3 實驗測試方法

模態(tài)試驗中激勵方式有正弦、隨機(jī)和瞬態(tài)，選擇不同的激勵方式，識別模態(tài)參數(shù)的方法各不相同，有單輸入單輸出、單輸入多輸出和多輸入多輸出3種方法。單輸入單輸出的方法是同時采用輸入與輸出兩個點的信號，不斷移動激勵點的位置或者響應(yīng)點的位置得到結(jié)構(gòu)的振型，單輸入多輸出及多輸入多輸出的方法要求采用大量的通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這樣就需要大量的傳感器或振蕩器，試驗成本較高。本文中模態(tài)測試建議采用單輸入單輸出的方法。

為了最大限度地減少模態(tài)丟失問題，需要合理布置激勵點與響應(yīng)點各自的位置，可以預(yù)先選擇幾點進(jìn)行測試，查看輸出的函數(shù)曲線，確定最終的測試點頻率響應(yīng)函數(shù)曲線光滑且清晰。測試點布置能夠保證輸出的曲線計算出結(jié)構(gòu)的振型，且關(guān)鍵點也在測試范圍內(nèi)。本文中測試激勵信號采用脈沖信號，即采用錘擊法，該力激勵點的選擇主要考慮以下兩點：{1}激勵點的位置避開結(jié)構(gòu)振型上的節(jié)點，保證測試系統(tǒng)有很高的信噪比;{2}激勵點位置處的剛度盡量大，便于激勵能量進(jìn)行傳遞。

被測試機(jī)床工作臺直線電機(jī)模型處于一定的約束狀態(tài)中，理論分析時非常重視約束情況，但是實際操作中很難到達(dá)，會考慮采用替代的支承方式。該方式有自由支承和地面支承。機(jī)床工作臺直線電機(jī)質(zhì)量和體積都很大，很難采用懸掛法，只能采用地面支承方式，結(jié)構(gòu)與地面之間的加速度傳遞導(dǎo)納較小，可以忽略不計。

4 總結(jié)與展望

直線電機(jī)運(yùn)用到機(jī)床上，既有優(yōu)點又有缺點。當(dāng)機(jī)床直線電機(jī)工作時，進(jìn)行電磁轉(zhuǎn)換產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致直線電機(jī)內(nèi)部的溫度升高，如果散熱系統(tǒng)不完善的時候，會造成機(jī)床導(dǎo)軌受熱變形，影響機(jī)床的精度。直線電機(jī)會吸附周圍的磁性物質(zhì)，減少氣隙，改變了磁場力的大小，導(dǎo)致推力發(fā)生變化，必須對直線電機(jī)模型采用防磁措施。

機(jī)床工作臺直線運(yùn)動促進(jìn)了制造業(yè)的發(fā)展，大大提高了加工精度和加工效率。為了更好地研究直線電機(jī)的驅(qū)動技術(shù)，對其進(jìn)行動力學(xué)仿真和分析方法進(jìn)行研究，保證機(jī)床工作臺直線電機(jī)仿真結(jié)果和測試結(jié)果有據(jù)可依，為以后類似研究和設(shè)計提供新思路。

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