面向“3C产品”的KJ400数控专机设计与分析*

2018-05-07李长喜王天雷陈惠添

机电工程技术 2018年3期

李长喜，王天雷，王柱，赵挺，陈惠添

（1.广东科杰机械自动化有限公司，广东江门 529030;2.五邑大学信息工程学院，广东江门 529020）

0 引言

“3C产品”是计算机(Computer)、通信（Communication）和消费类电子产品（Consumer Electronics）三者结合，覆盖面广，需求量大，品种繁多。通常包括平板电脑、智能手机与手表、电子辞典、智能翻译器与影音播放器等，其关键零部件关键零件主要有触控面板、不锈钢框架、手表底座与陶瓷表壳等，见图1。目前，触控面板模组表层的盖板玻璃 (也称cover-lens或cov⁃er-glass)也逐步应用到高端智能电子产品中。盖板外廓的磨边、抛光加工是极为重要的工序之一[1-3]。

1 “3C产品”专机

1.1 触控面板工艺分析

图1 典型的3C产品零件

智能手机、腕表等的触控面板材质大多为康宁玻璃(Corning gorilla glass)，具有高耐用度和防刮伤性，能承受强力挤压和反复触摸。目前，部分面板材料采用蓝宝石玻璃(SAPPHIRE CRYSTAL)材质后，其硬度仅次于金刚石达莫氏9级[5]，加工难度增加。一般触控面板玻璃要进行打孔、开槽以及成形后的磨边等加工[4]。本文主要讨论磨边工艺及其专机设计，磨边加工方法为：在主轴上装夹直径大约为ϕ1.5 mm～ϕ10 mm的陶瓷结合剂金刚石指形组合刀具（砂刀/砂轮棒），沿面板的加工边缘或其他位置进行磨削成形。实际加工过程时，工艺参数控制不好，产品会出现崩裂、崩边、振纹等品质问题，见图2。

图2 典型不良品图

产生不良品情况除材料本身问题外，主要原因可分为：（1）工艺系统设计不合理；（2）工艺参数选定问题；（3）机床的动态特性问题。

1.2 KJ400专机设计

根据上述“3C产品”机床加工的工艺特点，本文设计了KJ400专机结构（见图3）。由于大理石材料具有对温度不敏感、导热系数和热膨胀系数较小，内阻尼系数较钢材大15倍，具有良好的减震性能等优点，专机的底座、立柱与横梁均采用大理石，以期减小振动，提高机床的整体性能等。溜板等其他主件采用HT250铸铁。由于工件薄和易脆裂，采用真空吸附夹具，工作台则采用铝合金，专机主要参数见表1。

工艺系统是由机床、刀具、夹具和工件组成，为保证系统能高效、高精完成加工，机床必须具备良好的动态特性，本文采用有限元方法，对KJ400数控专机的整机结构动态特性进行分析。

2 KJ400数控专机模态分析[5-6]

2.1 结构模态分析算法原理

多自由度系统以某一固有频率振动时所呈现的振动形态称为模态，此时系统各点位移存在一定的比例关系，称为固有振型。不论何种阻尼情况，机械结构对外力的响应都可以表示成由固有频率、阻尼比和振型等模态参数组成的各阶振型模态的叠加。系统的运动微分方程为：

其中：[M]为质量矩阵；[C]为阻尼矩阵；因为刚度矩阵；分别为系统的加速度、速度和位移；{F}为载荷向量。

求解系统的固有频率和固有振型时，由于结构的阻尼对其模态频率及振型的影响很小，可忽略。

系统的自由振动方程可简化为：

其中：{φ}为位移矢量的幅值；ω为角频率。

将式(3)代入式((2)得：

式(4)在任何时刻t均成立，除去含t的项得：

由线性代数方程组有非零解的充分必要条件：

2.2 KJ400型专机三维模型建立

采用Solidworks软件建立KJ400型专机三维模型，见图3(a)。

2.3 有限元模型建立

采用有限元分析软件ANSYS对KJ400数控专机进行分析，建模步骤如下。

表1 KJ400主要技术参数

图3 KJ400数控专机

（1）模型的简化。为了更加清晰地表现机床的整体形变，把轴承，丝杠去掉，将他们的刚度等效到导轨与滑块的弹簧接触单元上面，导入实体文件后，定义单元的类型和材料特性参数。

（2）网格划分。使用实体单元Solid95对底座、横梁，立柱，溜板等划分网格。

（3）结合面处理。使用Combin14弹簧单元来连接可动的结合面，螺栓结合面则采用glue操作来进行部件模型装配，弹簧刚度则根据相关数据进行计算得到，阻尼系数采用0.1。研究整机的动态特性，采用ANSYS网格划分功能进行网格自动划分，网格模型如图1(b)。

（4）材料参数的确定。底座、立柱与横梁采用大理石，溜板等其他主件采用HT250铸铁，工作台采用铝合金，性能参数见表2。

表2 材料性能参数

3 模态分析

专机底座是由螺栓固定在地面上，模态分析之前，先施加约束条件。在有限元模型中，把机床的边界约束简化为：约束与固定螺栓位置相对应的节点的各个方向的自由度，即在固定底座与螺栓位置相对应节点的各个自由度接触表面加约束[7]。施加约束后的有限元模型如图3(b)。通过ANSYS软件仿真，计算得到整机的20阶模态，前8阶模态的固有频率和振型见表3与图4。

表3 整机前8阶固有频率及振型

4 KJ400专机振动激励源分析[8-12]

整机动态设计主要目的是提高机床整机刚度，尽可能避免或减少工作时所产生的振动。导致机床振动主要激励源有：①刀具切削加工时，切削力波动所引起；②伺服进给系统中电机驱动转矩脉动、滚珠丝杆螺母、滚动导轨滑块的制造精度和预紧力等问题，导致其在运动过程中产生摩擦力矩波动以及爬形；③电主轴的转子/砂轮系统质心偏离其回转中心，在高速旋转时，使电主轴—砂轮系统产生动不平衡引起的振动。

图4 整机前8阶的模态振型

问题①分析说明：当磨轮/磨棒在足够锐利的情况下，单个磨粒所产生的激励频率远大于表3中第6阶固有频率，对整机振动不会造成太大影响；问题②分析说明：由于其最大加工速度为10 m/min时，激励频率是在166 Hz以下，对加工质量有影响，可能导致加工产品出现振纹/楞痕，见图1(c)，但对整机振动影响极小；问题③分析说明：高速电主轴作为激振源，对整机振动的影响是不可避免，如何有效地控制和减小电主轴高速运转时引起的动不平衡问题，减小高速电主轴/砂轮系统的振动是目前研究热点之一。因此，在设计的KJ400数控专机时，作者希望机床整机各阶固有频率，能尽量远离或避开对应电主轴工作所产生的激励频率。

根据用户长期加工面板玻璃的经验积累，作者不断试验和相关参考资料，整理了面向几种典型产品在不同加工工序/工步时，所对应的电主轴转速分布范围以及产生激励的频率，见表4。对比表3可知，电主轴工作区域所产生激励频率，大于表3中第6阶固有频率，小于后7、8阶固有频率，对KJ400数控专机整机的振动不会产生较大影响。

根据表4所列数据，对比表3整机前8阶的固有频率可知，电主轴工作时所产生激励频率均较好地避开了整机固有频率，其动态性能满足加工要求，特别是对面板玻璃类零件加工，见图5，完全达到了设计要求。笔者对KJ400数控专机进行了现场测试（见图6），基本验证以上分析，本文不作详细介绍。