1 引言

四轴PCB数控铣边机是一种机电一体化产品,专业用于铣削可印刷线路板(PCB)。 它以数控技术为基础，借助计算机控制机床x-y-z三个坐标的协调运动，以实现PCB精密铣削加工。

我国PCB数控设备起步较晚，到90年代，随着PCB制造行业飞速发展，PCB数控钻铣机市场的需求量迅速增大，引起PCB数控钻铣机制造业的重视，才开始研究开发PCB数控钻铣机，尽管经过这十几年的迅速发展，PCB数控钻铣机在性能上有较大改进，精度上有较大提高，但在加工精度、速度等方面依然和国际先进PCB钻铣设备存在较大差距。其中大族数控作为国内PCB数控铣边机的主要生产商，其产品已比较成熟，稳定性较好，不过与国外著名厂商Schmoll、Hitachi等相比，仍存在一定差距。

四轴数控铣边机作为高精度的PCB加工设备，其动态性能直接影响加工精度，其中运动直线导轨的性能参数是影响其动态性能的重要因素之一。本文采用正弦扫频和动力学分析的方法，综合应用MSC.ADAMS 软件中的MSC.ADAMS/View与MSC.ADAMS/Vibration模块，建立了四轴数控铣边机的振动仿真模型和动力学分析模型，仿真不同性能参数直线导轨对整机的动态响应和误差的影响，找到使整机动态性能较好的直线导轨性能参数。并据此指导设计，选用滑快和导轨，以提高整机动态性能。

2 四轴数控铣边机结构及工作原理

四轴PCB数控铣边机采用传统的龙门结构，由3大部分组成：Y轴部分(工作台)、X轴部分(横梁)、Z轴部分。Y轴(工作台)、X轴(安装在横梁上)、Z轴全部用丝杠传动，实现机械部分的位置控制。Y轴实现工作台的前后运动且被加工PCB固定在其上面，X轴实现主轴的左右运动，Z 轴通过Z向导轨与X轴连接在一起，控制主轴的上下运动。Z轴部分4个主轴，由1个电机带动实现Z轴的上下运动，为了减轻Z轴电机的负荷，Z轴部分有平衡结构装置，调节平衡力量的大小，使之理论上完全等于Z轴部分的自重，使Z轴电机的负荷最小。

图1 四轴PCB数控铣边机主要结构示意

图2 铣刀部分示意

四轴数控铣边机工作时，首先将要加工的四个相同的工件安放在工作台上，数控部分随即驱动X向、Y向电机转动，使X向、Y向运动至目标位置后，计算机发出指令，Z向电机动作，Z轴开始进行铣边或钻定位孔，当铣削时，X向、Y向会协调动作以铣出需要形状。

3 振动仿真模型的建立

基于一般阻尼系统受迫振动中频域分析理论，利用机械系统多体动力学软件MSC.ADAMS/View与MSC.ADAMS/Vibration，建立四轴数控铣边机的振动仿真模型。

3.1 一般阻尼系统频域分析原理

频域分析法通常研究系统受连续频率正弦激励的响应，是研究阻尼系统受迫振动最常用的方法之一。一般阻尼系统的频响函数矩阵为：

式中，ω是激励频率，元素Hij(ω)一般为复数，其幅值|Hij(ω)|的物理意义是：在系统的第j个自由度上施加单位幅值正弦激励后系统第i个自由度上的稳态响应幅值，而辐角argHij(ω)是指响应超前激励的相位角;K为系统的刚度矩阵，M为系统的质量矩阵，C是系统的阻尼矩阵。

3.2 建立振动仿真模型

将在SolidWorks中建立的四轴数控铣边机的装配体模型保存为prasolid格式后，通过接口模块导入到ADAMS中，建立仿真模型的几何模型。然后根据各零部件间的相互连接及运动关系添加相应的连接和运动副等约束，具体如图3所示。为了重点研究直线导轨刚度参数对整机频率响应特性的影响，将各向滑块结合部设为柔性连接，连接参数见表1。将作用在X向、Y向、Z向电机的转矩作为激励，因此在四轴数控铣边机的X向、Y向、Z向电机转动轴上建立输入通道和扭矩激励。将能反映整机动态性能的铣刀中心和工作平台上与铣刀中心对应点作为测试点，由于对称性，可以只测试铣刀1、2中心及其对应点的响应。分别在这些点建立X、Y向的位移、速度、加速度的输出通道。至此，四轴数控铣边机的振动仿真模型建立完成。

图3 铣边机主要构件间的约束与连接

表1 各向滑块结合部参数的初设值K1

4 振动仿真分析

将振动仿真模型中三向电机的正弦激励幅值都设为1N.m，进行10～1000Hz频响分析。然后分别将各向直线导轨的刚度参数设为初始值的1/4(K2)、1/20(K3)，其它不变，同样对振动仿真模型进行10～1000Hz频响分析，分别输出这三种刚度参数下铣刀中心及工作台上与铣刀中心对应点的X、Y向的响应曲线。由于铣刀1和铣刀2中心的响应相差很微小，所以图4只列出铣刀1中心和工作台上与铣刀1中心对应点在激励方向的响应曲线。

a)铣刀1中心x向响应

b)工作台上与铣刀1中心对应点的y向响应

图4 铣刀1中心和工作台上其对应点的位移响应曲线

由图4可知，滑块结合部在各种刚度设置下，铣刀中心和工作台上与铣刀中心对应点在激励方向的起振频率、幅值如表2所示。由表2中的数据显然可看出，随着滑块连接刚度的增大，整机的起振频率也大大增加，而振动的位移幅值逐渐减小。所以滑块连接刚度为K1时整机的动态性能最好。

表2 铣刀1中心和工作台上其对应点的激振频率及位移幅值

5 动态误差分析

为了研究各向滑块连接刚度对整机运动误差的影响，还要对整机进行最大加速下的动力学分析。也就是X、Y向以最大加速度加速到最大速度再减速至零，所以要在仿真模型中添加驱动，驱动为半个周期的正弦速度驱动，分别施加在X、Y向电机转动副上。在此驱动下，分别就振动仿真所设的三种滑块结合部刚度，对仿真模型进行动力学仿真，输出测试曲线，将其中有关位移曲线经过后处理得到三种刚度设置下铣刀X、Y向的动态误差如图5所示。由于铣刀1、2的动态误差相差很微小，所以图5和表3中只列出铣刀1的动态误差。

a) 铣刀1X向动态误差 b) 铣刀1Y向动态误差

图5 三种刚度设置下铣刀1的动态误差

表3 三种刚度设置下铣刀1X、Y向的最大动态误差

由图5和表3可看出，随着滑块连接刚度的增大，铣刀的动态误差逐渐减小。滑块连接刚度为K2和K1时铣刀的动态误差相差较小;滑块连接刚度为K3时铣刀的动态误差远大于前两种刚度时铣刀的动态误差。

6 结论

滑块连接刚度为K1时整机的动态性能最好，K2时次之，K3时整机动态性能最差。由于滑块连接刚度为K2、K1时动态误差差别较小，如果考虑成本，滑块导轨的刚度参数取K2至K1之间较接近K2的刚度参数较合理。并根据此参数来选导轨和滑块，这样既能提高四轴数控铣边机的动态性能，又能节约成本。

同时，对于一般的机械产品来说，本文所用的改变主要结构部位参数进行仿真对比的方法，对于研究该部位对整机性能的影响及确定合理的解决方案，具有普遍性。