0引言

数控机床是集制造技术和制造信息为一体的 重要装备，是发展装备制造业、高精尖技术产业的复杂生产工具^[1]。

“旋转电机+滚珠丝杠”是目前机床产品中见的进给方式，但在高速运行时存在 弹性变形大、响应速度慢、有反向间隙、易磨损等缺 陷^[2?^4]。而永磁直线同步电机（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor, PMLSM)是一种不需要通过中间任 何转换装置，将电能直接转换成直线运动机械能的新型 电机，具有系统结构简单、进给速度快、响应速度高、 无机械磨损、噪音低、维护方便等优点^[5]。PMLSM将 广泛应用于交通运输、特种加工、机器工业和仪器仪表 工业等领域^[6?^9]。

鉴于直线电机直接驱动方式的诸多优点，各种高性 能数控机床已越来越多地采用直线电机驱动技术^[10,^11]。 美国Ingersoll公司开发了X、Y、Z三轴米用直线电机驱 动的卧式加工中心（HVM600)，用于加工汽车发动机 汽缸；日本SODICK将直线电机用于电火花成形加工设 备；法国Renault Automation生产的Urane20/25所有进给 轴采用直线电机进给，专门用于大型零件切削加工。目 前，直线电机技术在上述领域的应用虽取得了实质性的 进展，但由于直线电机进给系统存在的自重相对较大、 功耗大、电机过载会造成温度升高、冷却不佳易造成机 床结构变形等缺陷^[12]，在精密零件、3C、PCB板等高速 高精加工领域的应用还不够广泛。

1整体方案设计

1.1主体结构设计

立式加工中心进给系统结构有固定立柱和移动立柱 两种。为满足机床高速高精、刚性好、便于直线电机安 装等要求，本文选取固定立柱结构型式。基于固定立柱 设计的直线电机驱动立式加工中心进给系统X、Y、Z轴 由直线电机驱动，机床的主体结构由一个二维的水平运 动平台（X、Y轴）和一个垂直方向运动（Z轴）构成。 所设计的直线电机驱动高速立式加工中心的主进给系统 结构如图1所示。

图1中，在床身上设置Y向进给单元，床鞍放置在Y 向进给单元上方，在床鞍的上方设置X向进给单元，X 向直线电机带动工作台做X向往复直线运动。床身的后 端放置固定立柱，在立柱上设置Z向进给单元，Z向进 给单元带动主轴箱运动部件做Z轴方向的上下移动。

1.2参数设定

依据加工对象的结构特征及尺寸大小，确定了 X、 Y、Z三轴的行程分别为500mm、400mm、400mm。中

高档3C产品精密模具的精度要求相对较高，设定了直线 电机驱动高速立式加工中心的技术指标，如表1所示。

1.3.1直线电机进给系统原理

如图2所示，直线电机进给系统工作时，数控单元 通过通讯结构将控制指令传递给运动伺服控制器单元， 运动伺服控制器单元将信号传递给控制电路，控制电路 通过脉冲宽度调制（PWM)伺服信号控制直线电机的 运动与停止；在运动过程中，通过传感单元将直线电机 的磁极信息、电流信息、速度信息、位置信息等进给系 统信息反馈给伺服系统，形成对系统的双闭环反馈；在 高速加工过程中，直线进给单元通过精密插补和微量进 给调节，可以获得理想的加工精度和表面质量^[13]。

1.3.2直线电机选型

X向快速移动时直线电机的推力为：

^Fx max = ^mx^ax + ^ ^(m_xg + ^Fg ) (1)

式中：为推力，m_A为X向移动部件的总质 量，ax为X向加速度，u为导轨摩擦系数，Fg为直线电机 初级与次级的引力。

根据式(1)计算出的推力值可初步进行X向直线电机 的选型。在初步选型的基础上对所选直线电机进行校核 计算：

1)快速移动满足响应的加减速要求：

^Fxmax ^- ^ ^(mxS + ^Fg ⁾

,^ax >

2)恒定速度切削要求：

^Fth ^ ^Fc + ^^(m,8 + ^Fg⁾ (3)

式中：F_tt为所选直线电机的实际推力，Fc为直线电 机持续推力。

1.4机床功能部件设计

机床功能部件设计主要包括主轴系统设计、油冷 系统设计和控制系统设计。主轴系统主要由主轴电机、 主轴、联轴器、传动单元等部分组成，主轴转速 设定为20000rpm。油冷系统中油冷机的流量设定为30L/ min从而保证直线电机及主轴的快速冷却。控制系统 采用全闭环控制，提高进给系统的精度和稳定性。

1.5机床整体结构

直驱型高速立式加工中心整机采用C型机床结构， 整机效果图如图3所示，能够实现直线电机驱动单元在 进给系统中的便捷安装。融合合理结构方案、现代传感 器技术、设计高性能的驱动单元和控制系统，可以充分 发挥直线电机进给系统的高性能。

将简化后的模型转化成Geomotry，重新编辑各个 零件的连接关系，将螺栓连接在一起的零件和不重要 的面接触简化为绑定，定义各个零件的材质，主要零 件材质有Structure Steel (45钢，密度为7850kg/m³， 弹性模量E为2X10^uPa/mm，泊松比y为0.3)、Gray Cast Iron (HT250,密度为7200kg/m³，弹性模量E为 1.18X10ⁿPa/mm，泊松比y为 0.28)。

在完成所有零件及整体的定乂后进行合理的网格 划分，实现有限单元与节点的有序、可靠连接。整机 模型合理简化后进行的网格划分结果如图5所示，共有 587220个节点，328634个单元组成。

2.2变形量与应力分析

在AWB平台的Static Structure模块下进行载荷工况下机床主体结构的强度和刚性分析。整机在极限切削 载荷作用下，变形云图如图6所示，应力云图如图7所示。

从图6中可以看出：所设计的直线电机驱动高速 立式加工中心进给系统中，十字平台（XY向）进给 系统变形量最小，小于0.008mm,说明十字平台结构 平稳性较好；主轴端面变形量，但变形量小 于0.01mm,说明整机结构变形量很小，抗切削刚性较 好。因此，能够满足加工精度和加工时的进给系统刚度 要求。

从图7中可以看出，所设计的直线电机驱动高速立 式加工中心进给系统应力5.66MPa (小于HT250的 屈服强度〇b=250MPa)，说明整机的应力值很小，平 均应力为2.51MPa，得益于整机筋板结构分布均匀，结 构传递载荷能力强。但是在立柱与床身结合附近有应力 集中现象，在机床切削加工过程中，铣头随着切削载荷 变化，易产生交变载荷引起的疲劳破坏，所以在切削加 工等使用过程中应减少交变载荷的产生。

综上所述，所设计的直线电机驱动高速立式加工中 心进给系统具有良好的强度和刚度，能满足机床在加工 过程中高精度的要求。

3动态特性分析
在结构的动态特性分析中，模态分析是工程结构中 常见的动力学分析之一，其主要求解系统的固有频率及 振型，根据振动系统的模态参数对结构的动态响应性能 进行预测、评价。
从系统的固有频率叫=^，可以得知进给系统整 体结构的固有频率与系统的刚度、质量有关。若主体结 构的质量越小，刚度越大，则其固有频率越高，反之固 有频率就越低。想要提高机床的固有频率实现机床抗振 性能可以从提高机床刚度、减轻机床质量入手。

对于可变形的弹性体零部件而言，在空间内有无 穷多自由度，故可以求解无穷多阶振型，但在实际工程 中，往往只考察几阶与被分析工程结构实际工况相关的 模态情况，所以在模态分析中，只需要求出设计分析需 要的前几阶模态，本文对整机前六阶模态进行分析，分 析结果云图如图8所示。

由于平衡杠伸出量较大，容易出现在低阶频率 内振动，整个机床的结构相对抗振性能比较好，在低速 粗加工过程中主动避开第1、2、5、6阶的加工转速相对 应的加工激振频率，尽量避开前六阶各个模态频率相对 应的主轴转速。

表3整机前六阶模态响应结果