机床直线电机工作台动力学仿真与实验方法探索

朱欢欢

【摘 要】文章以机床直线电机工作台作为研究对象，对电机与导轨之间结合面的参数确定方法进行说明;对该模型进行有限元建模及其动力学仿真方法逐一说明，说明每种方法如何实施;对模型模态测试也进行相关说明。将仿真分析与实验方法结合起来，从而得到更准确的计算数据，为后续其他人从事相关研究提供理论依据。

【关键词】机床直线电机工作台;有限元建模;动力学仿真

【中图分类号】TH112 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）12-0126-02

0 引言

数控机床是现代机械制造业的主流设备，数控回转工作台是实现零件分度加工的重要附件，用于各种圆弧加工、与直线坐标进给联动进行曲面加工及实现精确的数控分度。准确地调节与控制参数，可以保证数控回转工作台快速响应的精确度和稳定性[1]。直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需要任何转换装置的新型电机，它具有系统结构简单、磨损少、噪声低、组合性能强、维护方便等优点[2]。现阶段，直线电机振动主要的计算分析方法是解析法和有限元法，解析法针对结构非常简单或者针对一些特殊情况的电机振动可以进行准确的计算[3]。近年来，数控机床的研究方向主要集中在进给系统方面，对工作台方面的研究较少。本文主要是研究机床工作臺直线电机动态仿真方法，为后续工作台方面的仿真提供一个新思路。

直线电机能直接将电能转换为机械能，不需要中间环节转换，它是由旋转电机沿着轴向展开延伸得来。直线电机的优势明显。第一，节省空间。采用直线电机后，省略了很多中间环节的设计，增加机床空间布局范围。第二，响应速度高。电气元件的响应速度大大增加，缩减了中间机械传动机构反应时间。第三，噪音低，无磨损，效率高。中间传动件没有了，机械零部件之间是零接触，减少摩擦过程中的能力耗损，提高系统的运行效率。第四，行程长度不限。驱动行程是由电机本身决定的，可以根据需要铺设想要的长度。电机出力停止或者骤然停电，由于惯性的作用，运动部件会继续前进，所以要设计好防撞机械装置。

1 结合面参数的确定

在装配过程，机床直线电机工作台零件之间有很多连接，存在着固定结合面或是运动结合面，这些结合面既有弹性又有阻尼，具有存储能量又消耗能量的特性，选择不匹配的连接方式，可能会增加整体结构的阻尼，降低刚度，影响系统的固有频率。因此，在对系统进行动态仿真分析时，必须确定结合面的动力学参数。只有这样，仿真的结果才能更贴近实际，才能有效地预测整机的动态性能。

动力学参数的识别方法有理论计算、实验测试，以及理论计算与实验测试相结合的方法。由于实验条件的限制，有些结合面动力学参数很难采用实验测试与理论计算相结合的方法，可以参考其文献内实验数据，通过仿真方法验证，计算得到适用于本论文结合面动力学参数。例如，直线电机与导轨之间采用零接触，导轨为导向作用，直线电机受到另外约束和限制。

2 有限元模型与仿真方法

2.1 有限元模型

机床工作台直线电机模型中，先要对几何模型进行处理，去掉直接小于4 mm的螺纹孔，去除倒角，这些都是对网格质量影响很大的部分，但是删除它们不影响整个结构的分析结果;对于焊接或者拼接部分，可以将其看作是一个整体。系统中结构形状对称且规整的零件采用六面体网格进行划分，其余的则考虑运用四面体网格，并进行二次节点。考虑到部分零件对整体结构模态的影响很小，会删除这部分零件。

采用Hypermesh软件对整个模型进行前处理，其中直线电机的动子和定子部分是分开的，划分网格时，定子作为一个整体考虑。固定部分采用刚性连接，电机与导轨之间采用弹簧作为连接单元，分别设置垂向和垂直于导轨方向的刚度和阻尼，后处理部分采用nastran进行计算，材料选择的都是线性材料，在进行静力分析时，运用胡克定律进行仿真。

2.2 仿真方法

静力分析是用来分析结构在给定的静力载荷作用下的响应，例如位移、应力及应变等。机床工作台直线电机模型中，受到自身重力的影响，横梁会产生位移量，导致直线电机与导轨之间的间隙减少。在进行约束设置时，考虑到接触面之间无摩擦，采用约束力的方式，作用于接触点，其方向是沿着该接触面的法线方向上设置重力加速度，在系统的重力与约束力的共同作用下，计算出弹性范围内整体结构的位移量。

模态分析是研究结构的固有特性。将机床工作台直线电机模型看成一个线性系统。可以通过理论经验公式或是激励测试的方式，获得系统的固有频率和振型，判断其是否与其他机构产生共振，改变系统的比模量，提高或者降低结构的固有频率，有效指导结构优化。导轨底部是固定连接在平台上的，对其底部采用全约束，设置求解范围，计算结构频率范围为0～2 000 Hz，取其前7阶振型和频率。

频率响应分析是一种用于确定线性结构在承受随时间按一定规律变化载荷时的稳态响应。本系统中电机一直出力，假设电机出1 N的力，判断系统随时间变化的响应情况。分析仿真计算得到的结果，能够预估机械结构系统的动态性能。

谐响应分析是确定该线性结构在随时间成正弦或余弦变化作用下随时间变化的响应情况。该分析能够预测结构的连续动力学特性，验证设计的模型是否能够避开共振、疲劳及其他不利影响。在计算得到模态分析结果的基础上，采用模态叠加法对模型进行谐响应分析。计算出电机出力曲线，作为输入激励，在横梁上安装刀具的地方作为输出点，查看输出的曲线上是否有很大的峰值。

3 实验测试方法

模态试验中激励方式有正弦、随机和瞬态，选择不同的激励方式，识别模态参数的方法各不相同，有单输入单输出、单输入多输出和多输入多输出3种方法。单输入单输出的方法是同时采用输入与输出两个点的信号，不断移动激励点的位置或者响应点的位置得到结构的振型，单输入多输出及多输入多输出的方法要求采用大量的通道进行数据采集，这样就需要大量的传感器或振荡器，试验成本较高。本文中模态测试建议采用单输入单输出的方法。

为了最大限度地减少模态丢失问题，需要合理布置激励点与响应点各自的位置，可以预先选择几点进行测试，查看输出的函数曲线，确定最终的测试点频率响应函数曲线光滑且清晰。测试点布置能够保证输出的曲线计算出结构的振型，且关键点也在测试范围内。本文中测试激励信号采用脉冲信号，即采用锤击法，该力激励点的选择主要考虑以下两点：{1}激励点的位置避开结构振型上的节点，保证测试系统有很高的信噪比;{2}激励点位置处的刚度尽量大，便于激励能量进行传递。

被测试机床工作台直线电机模型处于一定的约束状态中，理论分析时非常重视约束情况，但是实际操作中很难到达，会考虑采用替代的支承方式。该方式有自由支承和地面支承。机床工作台直线电机质量和体积都很大，很难采用悬挂法，只能采用地面支承方式，结构与地面之间的加速度传递导纳较小，可以忽略不计。

4 总结与展望

直线电机运用到机床上，既有优点又有缺点。当机床直线电机工作时，进行电磁转换产生热量，导致直线电机内部的温度升高，如果散热系统不完善的时候，会造成机床导轨受热变形，影响机床的精度。直线电机会吸附周围的磁性物质，减少气隙，改变了磁场力的大小，导致推力发生变化，必须对直线电机模型采用防磁措施。

机床工作台直线运动促进了制造业的发展，大大提高了加工精度和加工效率。为了更好地研究直线电机的驱动技术，对其进行动力学仿真和分析方法进行研究，保证机床工作台直线电机仿真结果和測试结果有据可依，为以后类似研究和设计提供新思路。

参 考 文 献

[1]陈东菊，董丽华，潘日，等.滑移及黏度对超紧密气浮工作台性能影响研究[J].西安交通大学学报，2017，51（11）：63-70，143.

[2]唐振宇.直线电机进给驱动技术在数控机床上的应用[J].机床与液压，2009，37（3）：62-63，70.

[3]岳非弘，李争，王群京.U型无铁芯直线电机的振动模态计算与分析[J].电机技术，2018（11）：117-122.

[4]余显忠，陈学东，叶燚玺，等.精密双层气浮直线电机动力学响应分析[J].中国机械工程，2008，19（7）：761-

765.

[5]张翔，叶佩青，张辉，等.基于组合继电反馈的永磁同步直线电机推力波动辨识方法[J].电工技术学报，2017

（9）：1-9.

[6]程雪峰.直线电机在数控机床的应用[J].工业技术，2018

（12）：4-5，23.

[7]李周平.基于直线电机的数控机床驱动控制技术[J].现代电子技术，2012，35（3）：158-160.

[8]梁惠升，王天乙，焦宗夏，等.新型直线振荡电机建模与动态特性实验[J].北京航空航天大学学报，2014，40

（5）：662-667.

[9]许丹，刘强，袁松梅，等.一种龙门式加工中心横梁的动力学仿真研究[J].振动与冲击，2008，27（2）：169-

171，185.

[10]张从鹏，邓士龙，徐宏海，等.直线电机驱动的微铣床整机动态特性分析[J].机床与液压，2015，43（23）：178-183.

[11]李增刚.Nastran快速入门与实例[M].北京：国防工业出版社，2007.

[12]胡新宇，张东，刘音，等.直线舵机测试台系统建模与仿真[J].2017，32（2）：7-11.