超精密機床多尺度設計方法和仿真研究

李天箭 丁 輝 程 凱

（哈爾濱工業大學機電學院，黑龍江哈爾濱 150001）

超精密加工機床系統是包含機械結構，控制系統，電磁驅動，內在氣、固、熱、電、磁相互作用的復雜機電系統。系統設計包含顯著的多層次、復雜耦合特征。目前超精密加工機床在機械結構設計時，往往只針對具體應用的精度需求，先進行系統結構布局設計與分析，然后進行部件的設計與分析，缺少部件間綜合動態綜合、整體系統的無縫解析和系統的優化設計。盡管各國精密機床廠和制造科學家設計了各種超精密加工機床，有許多針對具體應用的機床設計與優化分析案例［1－4］，但設計往往是“具體應用—經驗驅動”，尚沒有任何機床系統集成設計理論體系。1992年，美國MIT的著名學者Slocum教授曾編寫《Precision Machine Design》一書［5］，該書是精密機床具體應用—經驗驅動設計方法的代表性著作。

CIRP會員Altintas教授在2005年CIRP大會上曾針對虛擬機床技術的研究狀況與未來發展趨勢進行了詳細的綜述分析［6］。他的綜述報告探討了機床的多體動力學模型，并討論了機床靜力學、結構動力學以及控制策略集成仿真環境等問題。2010年3月，機械工程著名刊物《International Journal of Machine Tools and Manufacture》出版的“Special issue on design of ultraprecision and micro machine tools and their key enabling technologies”（“超精密加工機床設計與關鍵技術”專刊）［7］指出，復雜系統集成技術是超精密加工機床的關鍵技術之一。集成設計與仿真分析是實現機床指標評價、系統綜合設計的重要手段。因此，在機床系統統一建模求解的基礎上，結合超精密加工機床系統的多尺度、多層次復雜特性，開展超精密加工機床系統的集成仿真環境和實驗平臺的研究具有重要的意義。

1 多尺度集成設計方法

在精密機床的設計中，機床產品本身是具有多尺度特征的，如圖1所示。對任何一臺精密機床，都可以從宏觀尺度、介觀尺度、微觀尺度來區分機械結構、驅動部件及控制系統等。在當代設計中，圖中9大區域每一塊都有很多熱點問題為技術人員、專家學者們研究。并隨著基礎理論的應用研究、仿真技術的發展和各模塊研究的日益成熟，這些正是本文建立機床系統設計的統一表述模型基礎。即通過“部件－系統－集成－應用”實現超精密加工機床系統多尺度設計，形成超精密加工機床的集成設計理論體系。本文研究是在圖1所示的平臺思想和原理與方法的支持下實現的。

為了達到最好的集成效果，多尺度集成分析平臺分為機械結構、驅動部件和控制系統3個模塊，各模塊之間的數據通過集成的方法進行傳遞［8］。下面將使用機械結構模塊介紹多尺度分析方法。

2 機械結構中的多尺度

2．1 動力分析模塊

現階段機床機械機構設計中，為達到良好的動態性能，通常可以采用多種微結構，目前應用較多的是浮動導軌的氣孔結構。本文使用本實驗室已有機床與改進氣浮導軌微結構機床進行仿真對比來闡述微結構對宏觀性能的影響。機械結構多尺度模型如圖2所示。

2．2 動力分析流程

如圖3所示，動力分析是以機床為載體，以外力為激勵，計算剛度和響應，并從中取得動態性能較好的優化解。優化時可直接使用優化軟件。

3 微結構對宏觀動特性影響分析

氣浮導軌上下表面之間設計時要求高精度和一定的承載能力，提高氣浮導軌的精度和剛度是止推氣浮軸承研究的一個熱點［9－12］。本文通過仿真計算了動導軌表面具有如圖2左側所示的兩種氣浮導軌的表面結構的壓強分布。在此基礎上進行了氣壓波動時宏觀動態性能仿真。

3．1 微結構與無微結構導軌工作條件

為保證仿真數據的可信性，仿真中數據使用了筆者實驗室現有超精密機床導軌設計數據［12］。此數據可通過傳統無微結構導軌表面壓強的仿真數據和實驗數據一致性，確保仿真方法的正確性。

導軌工作基本條件如表1所示。

表1 導軌工況表

3．2 仿真及實驗結果

圖4為微結構和無微結構壓強分布圖，其中傳統無微結構導軌壓強仿真結果與實驗結果基本一致，傳統小孔節流壓力分布曲線如圖4a所示。

由以上圖譜可知，微結構表面的設計明顯改善了導軌表面的壓強分布，因此，將會改善整體的動性能。

3．3 不同微結構下機床的動特性

為了進一步說明微結構對動態性能的改善，進行了氣壓波動時壓強波動仿真。圖5是外界氣壓從0.4 MPa波動到0.5 MPa時，動導軌氣壓面上壓強對面積積分后得到的壓力波動曲線。方點為有微結構，圓點為無微結構。

由圖5可知，微結構改變了導軌的動態承載能力，同時，基于承載能力與剛度成正比的關系，微結構提升了導軌的動剛度。可以肯定地說，微結構將同樣提升機床的動剛度，改善機床的動態特性。

圖6是使用多尺度集成模型計算出的兩種結構在0.1 s內壓強由0.4 MPa波動到0.5 MPa并復原后引發的宏觀結果:Y向跳動。考慮到兩導軌同時受氣壓影響發生跳動［13］，計算Y向跳動時，計算相對跳動。從圖中可知，與傳統氣腔（圖6a）相比，帶有微結構的（圖6b）機床氣壓變化引起的Y向跳動減小了0.09 μm，機床動特性更好。

4 結語

本文提出了多尺度集成設計方法，建立了多尺度集成設計模型。并通過動導軌微結構設計對超精密機床宏觀動態性能的影響，說明了機床設計時采用多尺度方法的必要性和重要性。

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