超精密机床多尺度设计方法和仿真研究

李天箭 丁 辉 程 凯

（哈尔滨工业大学机电学院，黑龙江哈尔滨 150001）

超精密加工机床系统是包含机械结构，控制系统，电磁驱动，内在气、固、热、电、磁相互作用的复杂机电系统。系统设计包含显著的多层次、复杂耦合特征。目前超精密加工机床在机械结构设计时，往往只针对具体应用的精度需求，先进行系统结构布局设计与分析，然后进行部件的设计与分析，缺少部件间综合动态综合、整体系统的无缝解析和系统的优化设计。尽管各国精密机床厂和制造科学家设计了各种超精密加工机床，有许多针对具体应用的机床设计与优化分析案例［1－4］，但设计往往是“具体应用—经验驱动”，尚没有任何机床系统集成设计理论体系。1992年，美国MIT的著名学者Slocum教授曾编写《Precision Machine Design》一书［5］，该书是精密机床具体应用—经验驱动设计方法的代表性著作。

CIRP会员Altintas教授在2005年CIRP大会上曾针对虚拟机床技术的研究状况与未来发展趋势进行了详细的综述分析［6］。他的综述报告探讨了机床的多体动力学模型，并讨论了机床静力学、结构动力学以及控制策略集成仿真环境等问题。2010年3月，机械工程著名刊物《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”（“超精密加工机床设计与关键技术”专刊）［7］指出，复杂系统集成技术是超精密加工机床的关键技术之一。集成设计与仿真分析是实现机床指标评价、系统综合设计的重要手段。因此，在机床系统统一建模求解的基础上，结合超精密加工机床系统的多尺度、多层次复杂特性，开展超精密加工机床系统的集成仿真环境和实验平台的研究具有重要的意义。

1 多尺度集成设计方法

在精密机床的设计中，机床产品本身是具有多尺度特征的，如图1所示。对任何一台精密机床，都可以从宏观尺度、介观尺度、微观尺度来区分机械结构、驱动部件及控制系统等。在当代设计中，图中9大区域每一块都有很多热点问题为技术人员、专家学者们研究。并随着基础理论的应用研究、仿真技术的发展和各模块研究的日益成熟，这些正是本文建立机床系统设计的统一表述模型基础。即通过“部件－系统－集成－应用”实现超精密加工机床系统多尺度设计，形成超精密加工机床的集成设计理论体系。本文研究是在图1所示的平台思想和原理与方法的支持下实现的。

为了达到最好的集成效果，多尺度集成分析平台分为机械结构、驱动部件和控制系统3个模块，各模块之间的数据通过集成的方法进行传递［8］。下面将使用机械结构模块介绍多尺度分析方法。

2 机械结构中的多尺度

2．1 动力分析模块

现阶段机床机械机构设计中，为达到良好的动态性能，通常可以采用多种微结构，目前应用较多的是浮动导轨的气孔结构。本文使用本实验室已有机床与改进气浮导轨微结构机床进行仿真对比来阐述微结构对宏观性能的影响。机械结构多尺度模型如图2所示。

2．2 动力分析流程

如图3所示，动力分析是以机床为载体，以外力为激励，计算刚度和响应，并从中取得动态性能较好的优化解。优化时可直接使用优化软件。

3 微结构对宏观动特性影响分析

气浮导轨上下表面之间设计时要求高精度和一定的承载能力，提高气浮导轨的精度和刚度是止推气浮轴承研究的一个热点［9－12］。本文通过仿真计算了动导轨表面具有如图2左侧所示的两种气浮导轨的表面结构的压强分布。在此基础上进行了气压波动时宏观动态性能仿真。

3．1 微结构与无微结构导轨工作条件

为保证仿真数据的可信性，仿真中数据使用了笔者实验室现有超精密机床导轨设计数据［12］。此数据可通过传统无微结构导轨表面压强的仿真数据和实验数据一致性，确保仿真方法的正确性。

导轨工作基本条件如表1所示。

表1 导轨工况表

3．2 仿真及实验结果

图4为微结构和无微结构压强分布图，其中传统无微结构导轨压强仿真结果与实验结果基本一致，传统小孔节流压力分布曲线如图4a所示。

由以上图谱可知，微结构表面的设计明显改善了导轨表面的压强分布，因此，将会改善整体的动性能。

3．3 不同微结构下机床的动特性

为了进一步说明微结构对动态性能的改善，进行了气压波动时压强波动仿真。图5是外界气压从0.4 MPa波动到0.5 MPa时，动导轨气压面上压强对面积积分后得到的压力波动曲线。方点为有微结构，圆点为无微结构。

由图5可知，微结构改变了导轨的动态承载能力，同时，基于承载能力与刚度成正比的关系，微结构提升了导轨的动刚度。可以肯定地说，微结构将同样提升机床的动刚度，改善机床的动态特性。

图6是使用多尺度集成模型计算出的两种结构在0.1 s内压强由0.4 MPa波动到0.5 MPa并复原后引发的宏观结果:Y向跳动。考虑到两导轨同时受气压影响发生跳动［13］，计算Y向跳动时，计算相对跳动。从图中可知，与传统气腔（图6a）相比，带有微结构的（图6b）机床气压变化引起的Y向跳动减小了0.09 μm，机床动特性更好。

4 结语

本文提出了多尺度集成设计方法，建立了多尺度集成设计模型。并通过动导轨微结构设计对超精密机床宏观动态性能的影响，说明了机床设计时采用多尺度方法的必要性和重要性。

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