專利名稱：機床運動平臺的支撐方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機床，尤其涉及機床中的運動平臺的支撐方法。
技術(shù)背景
在流水作業(yè)的大工業(yè)生產(chǎn)中，能夠提高加工生產(chǎn)效率的多軸數(shù)控PCB(印制電路 板)鉆孔機是當今數(shù)控鉆機的發(fā)展潮流。對于多軸同步鉆孔技術(shù)，一般是在基架上通過支 撐系統(tǒng)安裝一運動平臺，機架上設(shè)置有一橫梁，在該橫梁上可以間隔安裝多個鉆頭，該支撐 系統(tǒng)通常包括位于該運動平臺下方的雙導(dǎo)軌架構(gòu)，這就存在一個問題由于運動平臺跨距 很長，容易導(dǎo)致主導(dǎo)軌滑塊定位后兩側(cè)存在較長懸出段，進而導(dǎo)致懸出段處的機械剛度不 足，從而容易引起整個工作平臺起振。對于這個問題，目前廣泛使用的解決方法分為兩種
第一種方法是用四導(dǎo)軌來代替雙導(dǎo)軌架構(gòu)，即在懸出段下方增加一對與主導(dǎo)軌平 行的副導(dǎo)軌以起支撐作用，這種方法雖然能夠很好地解決跨距大帶來的難題，但是在實際 使用中四導(dǎo)軌會存在運動性能方面的缺陷因為四導(dǎo)軌的理想平行狀態(tài)以及導(dǎo)軌滑塊受力 的均勻分配都是非常難以實現(xiàn)的，這就容易導(dǎo)致運動平臺在導(dǎo)軌間滑行產(chǎn)生相互干涉和受 力不均，從而影響運動性能和導(dǎo)軌滑塊壽命，并且使用四導(dǎo)軌會帶來額外的組裝和維護成 本。
第二種方法是在上述第一種方法的基礎(chǔ)上進行改進用氣浮導(dǎo)軌來代替上述的副 導(dǎo)軌。通常是使用四個氣浮導(dǎo)軌對稱支撐在運動平臺底面的四個角落，也存在使用四個以 上，比如八個，氣浮導(dǎo)軌來輔助支撐的個案。使用氣浮導(dǎo)軌不單縮減大量成本，而且四導(dǎo)軌 存在的問題可以迎刃而解。氣浮導(dǎo)軌的最大特點是無摩擦運動壓縮氣體在氣腳的小孔和 路徑中流動，并且最終與外界大氣壓中和，此過程將在氣腳和基準面間形成一股“氣膜”，從 而使被支撐物懸浮起來并且能夠基本消除與基準面間相對運動的摩擦力。從而，運動平臺 可以沿用經(jīng)典的雙導(dǎo)軌設(shè)計，配合氣浮導(dǎo)軌輔助支撐?，F(xiàn)有的運動平臺大都采用第二種方 法。
參見圖1所示的現(xiàn)有六軸數(shù)控鉆孔機氣浮導(dǎo)軌支撐平臺的結(jié)構(gòu)示意圖，可見該 機床大致包括基架1、運動平臺2、安裝在橫梁上的六個鉆頭3以及安裝在該基架1與運動 平臺2之間的支撐系統(tǒng)4，由于該運動平臺2的跨距很長，該支撐系統(tǒng)4包括位于底面中部 的經(jīng)典的雙導(dǎo)軌架構(gòu)41-運動平臺2的中部對稱設(shè)置了兩個導(dǎo)軌，導(dǎo)軌兩側(cè)均為滑塊連接 區(qū)，運動平臺2共有四個滑塊連接，以及位于底面的四個角落的四個氣浮導(dǎo)軌42。
然而，氣浮導(dǎo)軌的應(yīng)用并不是這么簡單、直觀，行業(yè)內(nèi)大部分設(shè)計人員和裝配人員 都認為設(shè)置雙導(dǎo)軌，然后用氣浮導(dǎo)軌把懸出部分支撐起來達到滑塊支撐部位的水平高度， 片面的認為這樣做運動平臺的精度就達到了。但是，調(diào)平的目的其實不是為了水平度，而是 在于整個運動平臺剛度的均勻化。保證鉆孔精度不是靠初裝靜態(tài)的平直程度，而是靠運動 平臺在工作過程中維持精度的能力，也就是說運動平臺的整體剛度和抗振能力是至關(guān)重要 的。實際應(yīng)用中，氣浮導(dǎo)軌的支撐位置和參數(shù)選擇都深刻影響著運動平臺的整體動態(tài)性能。
動態(tài)性能測試是分析機床動態(tài)特性的首要環(huán)節(jié)，而振動測試是非常重要的動態(tài)性能測試內(nèi)容。振動測試能夠真實、充分地再現(xiàn)并揭示影響機床實際加工過程的結(jié)構(gòu)動力學(xué) 本質(zhì)。振動測試是通過模擬實際工況，進行單點相對激振、多點同時拾振，獲取識別全部模 態(tài)參數(shù)所需的頻響數(shù)據(jù)，從而測定機床結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，用測得的模態(tài)參數(shù)來對機床的動 態(tài)特性進行分析、預(yù)測、評價并且為后續(xù)的再改進提供指導(dǎo)，這是提高機床動態(tài)特性的重要 方法。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提出一種可以確保運 動平臺的整體剛度和抗振能力的支撐方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)手段包括，提出一種機床運動平臺的支撐 方法，該機床包括基架、運動平臺以及設(shè)置在該基架與運動平臺之間的支撐系統(tǒng)，該支撐方 法包括將該支撐系統(tǒng)設(shè)置成具有設(shè)置在該運動平臺底面的中部的雙導(dǎo)軌架構(gòu)以及設(shè)置在 該運動平臺底面的四周的多個氣浮導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)，在該支撐方法中，確定該支撐系統(tǒng)中的這 些氣浮導(dǎo)軌的剛度和位置的過程包括
步驟a、對初始的運動平臺，進行工作狀態(tài)下的工作變形測試；
步驟b、對運動平臺，進行錘擊模態(tài)測試；
步驟C、對比分析兩類測試的數(shù)據(jù)，找出對運動平臺的動態(tài)性能影響較大的不利模 態(tài)；
步驟d、利用模態(tài)修改方法，模擬更改氣浮導(dǎo)軌支撐的剛度和位置；
步驟e、根據(jù)上述模擬提供的指導(dǎo)，實際調(diào)整氣浮導(dǎo)軌；
步驟f、對調(diào)整后的運動平臺，進行工作狀態(tài)下的工作變形測試；
步驟g、判斷調(diào)整后的運動平臺是否滿足要求，是的話，退出，否則的話，返回步驟 b進行循環(huán)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的機床運動平臺的支撐方法，通過實際測試與模擬，找出 運動平臺的不利模態(tài)。再通過改變模型，找出解決該不利模態(tài)的技術(shù)途徑，以調(diào)整氣浮導(dǎo)軌 的剛度和位置，最后可以確保整個運動平臺的整體剛度和抗振能力滿足要求。


圖1是現(xiàn)有六軸數(shù)控PCB鉆孔機的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的支撐方法流程圖。
圖3A-圖3C為初始的機床運動平臺的工作變形圖。
圖4是本發(fā)明的支撐方法中的模態(tài)修改及預(yù)測模型過程的示意圖。
圖5A-圖5B為改進后的機床運動平臺的模態(tài)振型。
具體實施方式
為了進一步說明本發(fā)明的原理和結(jié)構(gòu)，現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳 細說明。
本發(fā)明的機床運動平臺的支撐方法是應(yīng)用振動分析理論進行機床運動平臺氣浮 導(dǎo)軌支撐的位置布置和剛度選擇，使用振動測試手段進行運動平臺的模態(tài)分析和工作變形分析，針對工作過程中出現(xiàn)的運動平臺變形問題，利用模態(tài)修改方法，改進氣浮導(dǎo)軌支撐的 位置和剛度，從而實現(xiàn)運動平臺的動態(tài)特性的調(diào)整。
參見圖2所示，本發(fā)明的機床運動平臺的支撐方法包括以下幾個主要步驟
步驟a、對初始的運動平臺，進行工作狀態(tài)下的工作變形測試；
步驟b、對運動平臺，進行錘擊模態(tài)測試；
步驟C、對比分析兩類測試的數(shù)據(jù)，找出對運動平臺的動態(tài)性能影響較大的不利模 態(tài)；
步驟d、利用模態(tài)修改方法，模擬更改氣浮導(dǎo)軌支撐的剛度和位置；
步驟e、根據(jù)上述模擬提供的指導(dǎo)，實際調(diào)整氣浮導(dǎo)軌；
步驟f、對調(diào)整后的運動平臺，進行工作狀態(tài)下的工作變形測試；
步驟g、判斷調(diào)整后的運動平臺是否滿足要求，是的話，退出，否則的話，返回步驟 b進行循環(huán)。
其中，在步驟a中，包括采用加速度傳感器測試該運動平臺上的各測試點的振動 的過程。
步驟a通過測量該運動平臺表面測試點的振動響應(yīng)，可以得到該運動平臺的工作 變形圖，從而可以發(fā)現(xiàn)該運動平臺在各個頻率范圍內(nèi)的變形情況。
在步驟b中，包括使用力錘，錘擊激勵平臺，測試該運動平臺上的各測試點的振 動，然后進行模態(tài)分析以得到機床平臺的各階模態(tài)的過程。
步驟b得到的各階模態(tài)頻率及其對應(yīng)的模態(tài)振型和步驟a得到的工作變形圖非常 相近。
在步驟b中的測試該運動平臺上的各測試點的振動的過程是采用加速度傳感器 實現(xiàn)的。
在步驟c中，包括通過分析工作變形，發(fā)現(xiàn)該運動平臺的哪階固有模態(tài)受到激勵 的過程。
步驟c通過比較步驟b中得到的模態(tài)振型和步驟a中得到的工作變形圖，可以找 到與有害工作變形相似的模態(tài)振型，即找到了對平臺動態(tài)性能影響較大的不利模態(tài)。
在步驟d中，包括在模型中使用等效彈簧模擬氣腳支撐的過程。
步驟d是在軟件模型中，使用虛擬的剛度彈簧來替代氣浮導(dǎo)軌，通過修改彈簧剛 度和施加的位置，模擬不同氣浮導(dǎo)軌的支撐，然后計算得出彈簧不同剛度和位置對應(yīng)的模 態(tài)，從而抑制步驟c中的不利模態(tài)，即優(yōu)化了氣浮導(dǎo)軌的設(shè)計。
下面，以圖1所示的六軸PCB數(shù)控鉆孔機的運動平臺的支撐方法為例，對本發(fā)明的 上述步驟進行進一步詳細舉例說明。
運動平臺2采用伺服電機與絲杠聯(lián)結(jié)驅(qū)動，沿導(dǎo)軌方向上進行直線定位運動。運 動平臺2是具有肋板的框架型結(jié)構(gòu)，其通過導(dǎo)軌滑塊和氣浮導(dǎo)軌支撐，運動平臺上覆蓋面 板，面板上放置PCB板，運動平臺2前端還有刀具機械手等部件。加工過程中，六個鉆頭3 上下運動，進行鉆孔；運動平臺2往復(fù)高速運動，并進行精確定位，因此運動平臺2在受到六 個鉆頭3的激勵后出現(xiàn)的振動、扭擺等問題會嚴重影響PCB板的鉆孔精度。
首先，在機床正常工作狀態(tài)下，利用LMS (LMS INTERNATIONAL)公司的Signature Acquisition軟件測試運動平臺各測試點的振動響應(yīng)，通過Operational Deflection5Shapes & Time Animation模塊分析得到運動平臺的工作變形圖，由于平臺的對稱性，可以 只測試半個平臺的數(shù)據(jù)。這些測試點基本均布在運動平臺上，比如12*3的陣列分布，能描 述運動平臺的變形情況。
可以發(fā)現(xiàn)如圖3A所示，運動平臺2在106Hz附近鉛垂方向擺動較大；如圖所 示，在146Hz附近運動平臺2出現(xiàn)一扭；如圖3C所示，在196Hz附近運動平臺2出現(xiàn)二扭。 由于氣浮導(dǎo)軌42只限制了運動平臺2的鉛垂方向一個自由度，因此只有與此相關(guān)的工作變 形具有研究價值。
使用LMS公司的"Test. Lab軟件，通過Impact Testing模塊進行錘擊模態(tài)試驗，采 用固定激勵點，移動測試點的方法測試其振動加速度響應(yīng)，得到各點的傳遞函數(shù)；然后，利 用Modal Analysis模塊的polymax技術(shù)，提取各階模態(tài)，得到運動平臺2的模態(tài)頻率和模 態(tài)振型。
然后，對比錘擊模態(tài)分析的振型和工作變形圖，可以看到運動平臺2的108Hz的模 態(tài)振型和106Hz的工作變形一致，可認為運動平臺2的108Hz的固有模態(tài)是引起106Hz工 作變形的原因。同理，可認為運動平臺2的155Hz固有模態(tài)引起146Hz的一扭變形；運動平 臺2的197Hz的模態(tài)引起196Hz的二扭振型。這三個工作變形頻率低，變形大，對鉆孔精度 有很大的影響。
找到運動平臺2工作變形的原因后，就可以通過改變氣浮導(dǎo)軌的位置和剛度來抑 制這幾個固有模態(tài)，以達到改善工作變形的目的。
基于模態(tài)測試數(shù)據(jù)，使用LMS公司模態(tài)修改及預(yù)測技術(shù)，即在軟件中，可對模型進 行添加剛度、修改邊界條件等操作，然后可以直接計算出改進后模型的模態(tài)。
如圖4所示，可使用剛度彈簧替代氣浮導(dǎo)軌，變更彈簧的剛度即相當于更改了氣 浮導(dǎo)軌的剛度，再計算運動平臺2模型的模態(tài)，經(jīng)過一系列的模態(tài)修改及預(yù)測，可以發(fā)現(xiàn)這 幾個模態(tài)振型的模態(tài)隨著氣浮導(dǎo)軌等效彈簧的剛度增加而發(fā)生明顯變化，模態(tài)在氣浮導(dǎo)軌 剛度上升到一定范圍內(nèi)時急劇上升，直到剛度足夠大的時候，模態(tài)增長減緩；因此，可以選 用此剛度作為氣浮導(dǎo)軌的剛度。
當使用le7N/m剛度的等效彈簧進行模態(tài)修改時，運動平臺2鉛垂方向一彎受到明 顯抑制，如圖5A所示，運動平臺2的模態(tài)變?yōu)?21Hz的二彎模態(tài)振型；運動平臺2的155Hz 的原一扭模態(tài)完全受到抑制；如圖5B所示，運動平臺2的196Hz的原二扭模態(tài)也受到抑制， 其頻率提升為^OHz。
最后，重新選擇氣浮導(dǎo)軌和設(shè)置其位置后，進行工作變形的測試，發(fā)現(xiàn)106Hz的一 彎變形和146Hz的一扭變形明顯改變，鉆孔精度也得到了提高。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的機床運動平臺的支撐方法，具有以下優(yōu)點
1、具有通用性，可精準的指導(dǎo)裝配體的動態(tài)設(shè)計。
2、能夠?qū)崟r反映零、部件剛度變化對整機運動性能的影響。
3、避開了重復(fù)試驗的缺點，縮短了設(shè)計時間、加快了設(shè)計、生產(chǎn)周期。
4、同傳統(tǒng)的有限元分析方法對比，避免了結(jié)構(gòu)、各結(jié)合部連接條件及其等效動力 學(xué)參數(shù)、阻尼假設(shè)、各種邊界條件的近似及簡化，以及近似計算等帶來的誤差，故所得試驗 模型與現(xiàn)有機械結(jié)構(gòu)的實際工況有較高精度的吻合，因而模型及其動態(tài)特性對機械結(jié)構(gòu)的 模擬精度較高。同時，此方法還可以驗證各種仿真數(shù)據(jù)。
整體而言，本發(fā)明的機床運動平臺的支撐方法，具有描述問題準確、模型修改快 速、分析問題便捷等優(yōu)點。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，例如本發(fā)明不僅 僅局限于應(yīng)用在PCB數(shù)控鉆孔機床中，還可以應(yīng)用于其他類型的機床。凡在本發(fā)明的精神 和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種機床運動平臺的支撐方法，該機床包括基架、運動平臺以及設(shè)置在該基架與運 動平臺之間的支撐系統(tǒng)，該支撐方法包括將該支撐系統(tǒng)設(shè)置成具有設(shè)置在該運動平臺底面 的中部的雙導(dǎo)軌架構(gòu)以及設(shè)置在該運動平臺底面的四周的多個氣浮導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)，其特征在 于，在該支撐方法中，確定該支撐系統(tǒng)中的這些氣浮導(dǎo)軌的剛度和位置的過程包括步驟a、對初始的運動平臺，進行工作狀態(tài)下的工作變形測試； 步驟b、對運動平臺，進行錘擊模態(tài)測試；步驟C、對比分析兩類測試的數(shù)據(jù)，找出對運動平臺的動態(tài)性能影響較大的不利模態(tài)； 步驟d、利用模態(tài)修改方法，模擬更改氣浮導(dǎo)軌支撐的剛度和位置； 步驟e、根據(jù)上述模擬提供的指導(dǎo)，實際調(diào)整氣浮導(dǎo)軌； 步驟f、對調(diào)整后的運動平臺，進行工作狀態(tài)下的工作變形測試； 步驟g、判斷調(diào)整后的運動平臺是否滿足要求，是的話，退出，否則的話，返回步驟b進 行循環(huán)。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的支撐方法，其特征在于，在步驟a中，包括采用加速度傳感器 測試該運動平臺上的各測試點的振動的過程。
3.依據(jù)權(quán)利要求1所述的支撐方法，其特征在于，通過步驟a可以得到該運動平臺的工 作變形圖。
4.依據(jù)權(quán)利要求1所述的支撐方法，其特征在于，在步驟b中，包括使用力錘，錘擊激勵 運動平臺，測試該運動平臺上的各測試點的振動，然后進行模態(tài)分析以得到運動平臺的各 階模態(tài)的過程。
5.依據(jù)權(quán)利要求4所述的支撐方法，其特征在于，在步驟b中的測試該運動平臺上的各 測試點的振動的過程是采用加速度傳感器實現(xiàn)的。
6.依據(jù)權(quán)利要求1所述的支撐方法，其特征在于，通過步驟b可以得到運動平臺的各階 模態(tài)頻率及其對應(yīng)的模態(tài)振型。
7.依據(jù)權(quán)利要求1所述的支撐方法，其特征在于，在步驟c中，包括將步驟a得到的該 運動平臺的工作變形圖與步驟b得到的運動平臺的各階模態(tài)頻率及其對應(yīng)的模態(tài)振型進 行對比，以發(fā)現(xiàn)該運動平臺的哪階固有模態(tài)受到激勵的過程。
8.依據(jù)權(quán)利要求1所述的支撐方法，其特征在于，在步驟d中，包括在模型中使用等效 彈簧模擬氣腳支撐的過程。
9.依據(jù)權(quán)利要求8所述的支撐方法，其特征在于，通過更改等效彈簧的剛度和位置，可 以看到該運動平臺2的模態(tài)修改情況。
10.依據(jù)權(quán)利要求1至9任一項所述的支撐方法，其特征在于，該機床為多軸數(shù)控PCB 鉆孔機。
全文摘要
一種機床運動平臺的支撐方法，其中，確定支撐系統(tǒng)中的氣浮導(dǎo)軌的剛度和位置的過程包括步驟a、對初始的運動平臺，進行工作狀態(tài)下的工作變形測試；步驟b、對運動平臺，進行錘擊模態(tài)測試；步驟c、對比分析兩類測試的數(shù)據(jù)，找出對運動平臺的動態(tài)性能影響較大的不利模態(tài)；步驟d、利用模態(tài)修改方法，模擬更改氣浮導(dǎo)軌支撐的剛度和位置；步驟e、根據(jù)上述模擬提供的指導(dǎo)，實際調(diào)整氣浮導(dǎo)軌；步驟f、對調(diào)整后的運動平臺，進行工作狀態(tài)下的工作變形測試；步驟g、判斷調(diào)整后的運動平臺是否滿足要求，是的話，退出，否則的話，返回步驟b進行循環(huán)。可以確保運動平臺的整體剛度和抗振能力滿足要求。
文檔編號B23B41/02GK102029553SQ20101050342
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者宋福民, 崔彥洲, 李寧, 鄒海天, 高云峰 申請人:深圳市大族數(shù)控科技有限公司, 深圳市大族激光科技股份有限公司