機床直線電機工作臺動力學仿真與實驗方法探索

朱歡歡

【摘 要】文章以機床直線電機工作臺作為研究對象，對電機與導軌之間結合面的參數確定方法進行說明;對該模型進行有限元建模及其動力學仿真方法逐一說明，說明每種方法如何實施;對模型模態測試也進行相關說明。將仿真分析與實驗方法結合起來，從而得到更準確的計算數據，為后續其他人從事相關研究提供理論依據。

【關鍵詞】機床直線電機工作臺;有限元建模;動力學仿真

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

0 引言

數控機床是現代機械制造業的主流設備，數控回轉工作臺是實現零件分度加工的重要附件，用于各種圓弧加工、與直線坐標進給聯動進行曲面加工及實現精確的數控分度。準確地調節與控制參數，可以保證數控回轉工作臺快速響應的精確度和穩定性[1]。直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能而不需要任何轉換裝置的新型電機，它具有系統結構簡單、磨損少、噪聲低、組合性能強、維護方便等優點[2]。現階段，直線電機振動主要的計算分析方法是解析法和有限元法，解析法針對結構非常簡單或者針對一些特殊情況的電機振動可以進行準確的計算[3]。近年來，數控機床的研究方向主要集中在進給系統方面，對工作臺方面的研究較少。本文主要是研究機床工作臺直線電機動態仿真方法，為后續工作臺方面的仿真提供一個新思路。

直線電機能直接將電能轉換為機械能，不需要中間環節轉換，它是由旋轉電機沿著軸向展開延伸得來。直線電機的優勢明顯。第一，節省空間。采用直線電機后，省略了很多中間環節的設計，增加機床空間布局范圍。第二，響應速度高。電氣元件的響應速度大大增加，縮減了中間機械傳動機構反應時間。第三，噪音低，無磨損，效率高。中間傳動件沒有了，機械零部件之間是零接觸，減少摩擦過程中的能力耗損，提高系統的運行效率。第四，行程長度不限。驅動行程是由電機本身決定的，可以根據需要鋪設想要的長度。電機出力停止或者驟然停電，由于慣性的作用，運動部件會繼續前進，所以要設計好防撞機械裝置。

1 結合面參數的確定

在裝配過程，機床直線電機工作臺零件之間有很多連接，存在著固定結合面或是運動結合面，這些結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，可能會增加整體結構的阻尼，降低剛度，影響系統的固有頻率。因此，在對系統進行動態仿真分析時，必須確定結合面的動力學參數。只有這樣，仿真的結果才能更貼近實際，才能有效地預測整機的動態性能。

動力學參數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合的方法。由于實驗條件的限制，有些結合面動力學參數很難采用實驗測試與理論計算相結合的方法，可以參考其文獻內實驗數據，通過仿真方法驗證，計算得到適用于本論文結合面動力學參數。例如，直線電機與導軌之間采用零接觸，導軌為導向作用，直線電機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

機床工作臺直線電機模型中，先要對幾何模型進行處理，去掉直接小于4 mm的螺紋孔，去除倒角，這些都是對網格質量影響很大的部分，但是刪除它們不影響整個結構的分析結果;對于焊接或者拼接部分，可以將其看作是一個整體。系統中結構形狀對稱且規整的零件采用六面體網格進行劃分，其余的則考慮運用四面體網格，并進行二次節點。考慮到部分零件對整體結構模態的影響很小，會刪除這部分零件。

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

2.2 仿真方法

靜力分析是用來分析結構在給定的靜力載荷作用下的響應，例如位移、應力及應變等。機床工作臺直線電機模型中，受到自身重力的影響，橫梁會產生位移量，導致直線電機與導軌之間的間隙減少。在進行約束設置時，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置重力加速度，在系統的重力與約束力的共同作用下，計算出彈性范圍內整體結構的位移量。

模態分析是研究結構的固有特性。將機床工作臺直線電機模型看成一個線性系統。可以通過理論經驗公式或是激勵測試的方式，獲得系統的固有頻率和振型，判斷其是否與其他機構產生共振，改變系統的比模量，提高或者降低結構的固有頻率，有效指導結構優化。導軌底部是固定連接在平臺上的，對其底部采用全約束，設置求解范圍，計算結構頻率范圍為0～2 000 Hz，取其前7階振型和頻率。

頻率響應分析是一種用于確定線性結構在承受隨時間按一定規律變化載荷時的穩態響應。本系統中電機一直出力，假設電機出1 N的力，判斷系統隨時間變化的響應情況。分析仿真計算得到的結果，能夠預估機械結構系統的動態性能。

諧響應分析是確定該線性結構在隨時間成正弦或余弦變化作用下隨時間變化的響應情況。該分析能夠預測結構的連續動力學特性，驗證設計的模型是否能夠避開共振、疲勞及其他不利影響。在計算得到模態分析結果的基礎上，采用模態疊加法對模型進行諧響應分析。計算出電機出力曲線，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

模態試驗中激勵方式有正弦、隨機和瞬態，選擇不同的激勵方式，識別模態參數的方法各不相同，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點的位置得到結構的振型，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行數據采集，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丟失問題，需要合理布置激勵點與響應點各自的位置，可以預先選擇幾點進行測試，查看輸出的函數曲線，確定最終的測試點頻率響應函數曲線光滑且清晰。測試點布置能夠保證輸出的曲線計算出結構的振型，且關鍵點也在測試范圍內。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構振型上的節點，保證測試系統有很高的信噪比;{2}激勵點位置處的剛度盡量大，便于激勵能量進行傳遞。

被測試機床工作臺直線電機模型處于一定的約束狀態中，理論分析時非常重視約束情況，但是實際操作中很難到達，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。機床工作臺直線電機質量和體積都很大，很難采用懸掛法，只能采用地面支承方式，結構與地面之間的加速度傳遞導納較小，可以忽略不計。

4 總結與展望

直線電機運用到機床上，既有優點又有缺點。當機床直線電機工作時，進行電磁轉換產生熱量，導致直線電機內部的溫度升高，如果散熱系統不完善的時候，會造成機床導軌受熱變形，影響機床的精度。直線電機會吸附周圍的磁性物質，減少氣隙，改變了磁場力的大小，導致推力發生變化，必須對直線電機模型采用防磁措施。

機床工作臺直線運動促進了制造業的發展，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的驅動技術，對其進行動力學仿真和分析方法進行研究，保證機床工作臺直線電機仿真結果和測試結果有據可依，為以后類似研究和設計提供新思路。

參 考 文 獻

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