面向“3C產品”的KJ400數控專機設計與分析*

李長喜，王天雷，王 柱，趙 挺，陳惠添

（1.廣東科杰機械自動化有限公司，廣東江門 529030;2.五邑大學信息工程學院，廣東江門 529020）

0 引言

“3C產品”是計算機(Computer)、通信（Communication）和消費類電子產品（Consumer Electronics）三者結合，覆蓋面廣，需求量大，品種繁多。通常包括平板電腦、智能手機與手表、電子辭典、智能翻譯器與影音播放器等，其關鍵零部件關鍵零件主要有觸控面板、不銹鋼框架、手表底座與陶瓷表殼等，見圖1。目前，觸控面板模組表層的蓋板玻璃 (也稱cover-lens或cov?er-glass)也逐步應用到高端智能電子產品中。蓋板外廓的磨邊、拋光加工是極為重要的工序之一[1-3]。

1 “3C產品”專機

1.1 觸控面板工藝分析

圖1 典型的3C產品零件

智能手機、腕表等的觸控面板材質大多為康寧玻璃(Corning gorilla glass)，具有高耐用度和防刮傷性，能承受強力擠壓和反復觸摸。目前，部分面板材料采用藍寶石玻璃(SAPPHIRE CRYSTAL)材質后，其硬度僅次于金剛石達莫氏9級[5]，加工難度增加。一般觸控面板玻璃要進行打孔、開槽以及成形后的磨邊等加工[4]。本文主要討論磨邊工藝及其專機設計，磨邊加工方法為：在主軸上裝夾直徑大約為?1.5 mm～?10 mm的陶瓷結合劑金剛石指形組合刀具（砂刀/砂輪棒），沿面板的加工邊緣或其他位置進行磨削成形。實際加工過程時，工藝參數控制不好，產品會出現崩裂、崩邊、振紋等品質問題，見圖2。

圖2 典型不良品圖

產生不良品情況除材料本身問題外，主要原因可分為：（1）工藝系統設計不合理；（2）工藝參數選定問題；（3）機床的動態特性問題。

1.2 KJ400專機設計

根據上述“3C產品”機床加工的工藝特點，本文設計了KJ400專機結構（見圖3）。由于大理石材料具有對溫度不敏感、導熱系數和熱膨脹系數較小，內阻尼系數較鋼材大15倍，具有良好的減震性能等優點，專機的底座、立柱與橫梁均采用大理石，以期減小振動，提高機床的整體性能等。溜板等其他主件采用HT250鑄鐵。由于工件薄和易脆裂，采用真空吸附夾具，工作臺則采用鋁合金，專機主要參數見表1。

工藝系統是由機床、刀具、夾具和工件組成，為保證系統能高效、高精完成加工，機床必須具備良好的動態特性，本文采用有限元方法，對KJ400數控專機的整機結構動態特性進行分析。

2 KJ400數控專機模態分析[5-6]

2.1 結構模態分析算法原理

多自由度系統以某一固有頻率振動時所呈現的振動形態稱為模態，此時系統各點位移存在一定的比例關系，稱為固有振型。不論何種阻尼情況，機械結構對外力的響應都可以表示成由固有頻率、阻尼比和振型等模態參數組成的各階振型模態的疊加。系統的運動微分方程為：

其中：[M]為質量矩陣；[C]為阻尼矩陣；因為剛度矩陣；分別為系統的加速度、速度和位移；{F}為載荷向量。

求解系統的固有頻率和固有振型時，由于結構的阻尼對其模態頻率及振型的影響很小，可忽略。

系統的自由振動方程可簡化為：

其中：{φ}為位移矢量的幅值；ω為角頻率。

將式(3)代入式((2)得：

式(4)在任何時刻t均成立，除去含t的項得：

由線性代數方程組有非零解的充分必要條件：

2.2 KJ400型專機三維模型建立

采用Solidworks軟件建立KJ400型專機三維模型，見圖3(a)。

2.3 有限元模型建立

采用有限元分析軟件ANSYS對KJ400數控專機進行分析，建模步驟如下。

表1 KJ400主要技術參數

圖3 KJ400數控專機

（1）模型的簡化。為了更加清晰地表現機床的整體形變，把軸承，絲杠去掉，將他們的剛度等效到導軌與滑塊的彈簧接觸單元上面，導入實體文件后，定義單元的類型和材料特性參數。

（2）網格劃分。使用實體單元Solid95對底座、橫梁，立柱，溜板等劃分網格。

（3）結合面處理。使用Combin14彈簧單元來連接可動的結合面，螺栓結合面則采用glue操作來進行部件模型裝配，彈簧剛度則根據相關數據進行計算得到，阻尼系數采用0.1。研究整機的動態特性，采用ANSYS網格劃分功能進行網格自動劃分，網格模型如圖1(b)。

（4）材料參數的確定。底座、立柱與橫梁采用大理石，溜板等其他主件采用HT250鑄鐵，工作臺采用鋁合金，性能參數見表2。

表2 材料性能參數

3 模態分析

專機底座是由螺栓固定在地面上，模態分析之前，先施加約束條件。在有限元模型中，把機床的邊界約束簡化為：約束與固定螺栓位置相對應的節點的各個方向的自由度，即在固定底座與螺栓位置相對應節點的各個自由度接觸表面加約束[7]。施加約束后的有限元模型如圖3(b)。通過ANSYS軟件仿真，計算得到整機的20階模態，前8階模態的固有頻率和振型見表3與圖4。

表3 整機前8階固有頻率及振型

4 KJ400專機振動激勵源分析[8-12]

整機動態設計主要目的是提高機床整機剛度，盡可能避免或減少工作時所產生的振動。導致機床振動主要激勵源有：①刀具切削加工時，切削力波動所引起；②伺服進給系統中電機驅動轉矩脈動、滾珠絲桿螺母、滾動導軌滑塊的制造精度和預緊力等問題，導致其在運動過程中產生摩擦力矩波動以及爬形；③電主軸的轉子/砂輪系統質心偏離其回轉中心，在高速旋轉時，使電主軸—砂輪系統產生動不平衡引起的振動。

圖4 整機前8階的模態振型

問題①分析說明：當磨輪/磨棒在足夠銳利的情況下，單個磨粒所產生的激勵頻率遠大于表3中第6階固有頻率，對整機振動不會造成太大影響；問題②分析說明：由于其最大加工速度為10 m/min時，激勵頻率是在166 Hz以下，對加工質量有影響，可能導致加工產品出現振紋/楞痕，見圖1(c)，但對整機振動影響極小；問題③分析說明：高速電主軸作為激振源，對整機振動的影響是不可避免，如何有效地控制和減小電主軸高速運轉時引起的動不平衡問題，減小高速電主軸/砂輪系統的振動是目前研究熱點之一。因此，在設計的KJ400數控專機時，作者希望機床整機各階固有頻率，能盡量遠離或避開對應電主軸工作所產生的激勵頻率。

根據用戶長期加工面板玻璃的經驗積累，作者不斷試驗和相關參考資料，整理了面向幾種典型產品在不同加工工序/工步時，所對應的電主軸轉速分布范圍以及產生激勵的頻率，見表4。對比表3可知，電主軸工作區域所產生激勵頻率，大于表3中第6階固有頻率，小于后7、8階固有頻率，對KJ400數控專機整機的振動不會產生較大影響。

根據表4所列數據，對比表3整機前8階的固有頻率可知，電主軸工作時所產生激勵頻率均較好地避開了整機固有頻率，其動態性能滿足加工要求，特別是對面板玻璃類零件加工，見圖5，完全達到了設計要求。筆者對KJ400數控專機進行了現場測試（見圖6），基本驗證以上分析，本文不作詳細介紹。

表4 典型產品加工時對應主軸轉速

圖5 加工的產品

圖6 KJ400數控專機測試現場

目前，該類專機已經批量化生產和銷售，得到終端應用客戶廣泛的好評。對于加工其他3C產品零件可根據具體情況，可通過適當的改變整機結構，或調整工藝參數，使工藝系統達到最佳匹配。

5 結語

本文通過面向“3C產品”的數控專機設計與分析，得出了如下結論：

（1）對機床振動激勵源分析表明，電主軸轉子系統質量中心偏離與其旋轉中心，在高速旋轉時所產生的離心力是整機振動主要激振源；

（2）整機模態分析表明，在加工觸控面板時，KJ400數控專機處于前6階與7階固有頻率之間，其動態性能較好的滿足加工要求；

（3）對于其他3C產品零件的加工，如工藝參數與專機不能滿足，可通過改變整機結構，或調整工藝參數使工藝系統達到最佳匹配。

本文分析結果，可為產品的進一步改進和新品開發提供依據。

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