一种正六边形蜂窝铝平台的设计及制造方法与流程

本发明涉及PCB机床技术领域，具体涉及一种正六边形蜂窝铝平台的设计及制造方法。

背景技术：

传统机床通常采用龙门式框架结构，主要包括机床主体、平台和横梁等部分，一般平台是沿一个方向运动的用于放置加工工件的载体，平台的控制精度直接影响加工精度，其材料一般采用铸铁、铸铝或花岗石等，特别对于高速高精大平台机床，平台越大越重，需要推力越大的电机，导致平台不好控制，平台不同区域精度差异大而且电机耗电量大、发热量大，所以平台在设计时尽量往轻量化去设计，目前很多厂家都在寻求新的材料和结构用于提升平台性能。

正六边形的蜂窝铝材料结构以其比强度高、质量轻、刚性好、隔音隔热、减震、资源丰富、成本低等一系列优点得以越来越广泛的应用。

蜂窝铝芯其结构特性，在某些方向的强度比另一些方向高很多，作为机床的平台一般要求各个方向均能承受一定冲击载荷，因此需要另外加一些辅助层来提升整体的性能。正六边形的蜂窝铝结构平台，通常由中间的蜂窝铝芯层、上蒙皮层、下蒙皮层和外框组成，蜂窝铝芯与其他组件之间目前多采用胶粘的物理结合方式。

但是，由于蜂窝铝芯存在各向异性，各向异性是指物质的全部或部分化学、物理等性质随着方向的改变而有所变化，在不同的方向上呈现出差异的性质，不像传统的实心各向同性材料结构容易得知其性能，对于选择什么规格的蜂窝铝芯，蒙皮层和外框需要什么尺寸的材料，胶粘组合起来后能达到什么样的性能，这些都比较难定量，所以目前设计师基本是靠经验去设计平台，最后加工出整个平台并进行测试才可以判断其性能是否达到使用要求，需要较高的研发成本。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种正六边形蜂窝铝平台的设计及制造方法，能快速设计及制造出满足要求的正六边形蜂窝铝平台。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种正六边形蜂窝铝平台的设计及制造方法，该正六边形蜂窝铝平台包括蜂窝铝芯和外部框架，该设计及制造方法包括步骤：

将蜂窝铝芯等效成正交各向异性的均匀连续实体结构，并计算出所述均匀连续实体结构的工程参数，该工程参数至少包括弹性模量、剪切模量、泊松比和密度；

建立均匀连续实体结构与外部框架结合的整体仿真模型，并通过有限元技术分析所述整体仿真模型的性能，其中，根据上述的工程参数建立均匀连续实体结构的仿真模型，根据标准材料参数建立外部框架的仿真模型；

若整体仿真模型的性能符合要求，制造对应的正六边形蜂窝铝平台，并展开相关性能测试。

其中，较佳方案是：该工程参数包括均匀连续实体结构各平面垂直方向的弹性模量、各平面的剪切模量、泊松比和密度。

其中，较佳方案是：该工程参数至少包括X轴方向的弹性模量Y轴方向的弹性模量E_cy＝E_cx，Z轴方向的弹性模量该工程参数至少包括XY轴平面的剪切模量XZ轴平面的剪切模量YZ轴平面的剪切模量该均匀连续体结构的密度为该均匀连续体结构的泊松比为μ_cxy＝μ_s；其中，E_s为蜂窝铝芯制造材料的弹性模量，G_s为蜂窝铝芯制造材料的剪切模量，t为壁厚，l为边长，γ为修正系数，ρ_s为蜂窝铝芯制造材料的密度，μ_s为蜂窝铝芯制造材料的泊松比。

其中，较佳方案是：该修正系数为0.4～0.6。

其中，较佳方案是：该外部框架包括上蒙皮层、下蒙皮层和框架，该上蒙皮层设置在蜂窝铝芯的上端面，该下蒙皮层设置在蜂窝铝芯的下端面，该框架设置在蜂窝铝芯侧面。

其中，较佳方案是，该正六边形蜂窝铝平台的制造步骤包括：

拉伸蜂窝铝芯型材，使蜂窝状形成正六边形，并保持一段时间，避免松开后出现一定程度的回弹；

在高精度基准面上组装框架，将下蒙皮层与框架固定，下蒙皮层下端面紧贴高精度基准面，在框架内部涂上粘接胶，将拉开后的蜂窝铝芯放至框架内部，并盖上上蒙皮层，将整体进行粘接和铆接；

通过气压将正六边形蜂窝铝平台压至高精度基准面上，直至粘接胶凝固。

其中，较佳方案是：通过有限元技术分析获取整体仿真模型的变形、模态振型和频率。

其中，较佳方案是：若整体仿真模型的性能不符合要求时，选用不同规格的蜂窝铝芯型材以及外部框架的标准件，重新建立整体仿真模型并再次通过有限元技术获取整体仿真模型的性能。

其中，较佳方案是，该设计及制造方法还包括一模态测试步骤：在制造正六边形蜂窝铝平台后，通过振动测试仪对正六边形蜂窝铝平台展开模态测试。

其中，较佳方案是：将制造及模态测试完成后的正六边形蜂窝铝平台装机，并通过激光干涉仪展开补偿后的定位精度和重复定位精度测试。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过一种正六边形蜂窝铝平台的设计及制造方法，解决正六边形蜂窝铝平台的设计及制造的难题，预先判断平台性能，快速设计及制造出满足设计及制造满足要求的平台，降低生产成本，且提高设计及制造的可靠性；同时，科学地优化平台性能，达到使用的性能标准。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明正六边形蜂窝铝芯的胞元结构示意图；

图2是本发明正六边形蜂窝铝平台的爆炸结构示意图；

图3是本发明正六边形蜂窝铝平台的模态仿真结果与模态测试结果对比的示意图。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

一种正六边形蜂窝铝平台的设计及制造方法，该正六边形蜂窝铝平台包括蜂窝铝芯和外部框架，该设计设计及制造方法包括步骤：

S01、将蜂窝铝芯等效成正交各向异性的均匀连续实体结构，并计算出所述均匀连续实体结构的工程参数，该工程参数至少包括弹性模量、剪切模量、泊松比和密度；

S02、建立均匀连续实体结构与外部框架结合的整体仿真模型，并通过有限元技术分析所述整体仿真模型的性能，其中，根据上述的工程参数建立均匀连续实体结构的仿真模型，根据标准材料参数建立外部框架的仿真模型；

S03、若整体仿真模型的性能符合要求，制造对应的正六边形蜂窝铝平台，并展开相关性能测试。

具体地，首先将平台分层看待，正六边形蜂窝铝平台包括蜂窝铝芯和外部框架，单独将蜂窝铝芯等效成均匀连续实体结构，并计算出所述均匀连续实体结构的工程参数，具体为：借助等效理论将蜂窝铝芯等效成正交各向异性的均匀连续结构层，计算得到等效材料的弹性常数，选择不同规格的蜂窝铝芯材、外部框架，建立与蜂窝铝芯同样外形大小的等效均匀连续实体结构，以及平台整体的装配仿真模型；进而，借助有限元技术分析等效仿真模型的性能，判断性能是否达到要求；如果达不到要求，则在设计及制造尺寸范围内修改并进行仿真直至满足设计及制造要求；最后试制样件或是制造平台样机，采用振动测试仪、激光干涉仪等相关仪器设备进行性能测试，验证设计及制造、仿真、制造方法的可靠性。

参考图1，图1是本发明正六边形蜂窝铝芯的胞元结构示意图。蜂窝铝芯层由一个个小正六边形连接而成，由于尺寸比较小，而平台尺寸比较大，所以会有数量庞大的蜂窝特征，如果在三维软件中强行建立实际蜂窝模型并导入有限元软件中进行分析，可行性不高，所以寻求一种等效理论将蜂窝芯层等效成外形尺寸大小一致的均匀连续体结构，才能满足多样化的设计及制造需求。

参考图2，图2是本发明正六边形蜂窝铝平台的爆炸结构示意图。该外部框架包括上蒙皮层21、下蒙皮层22、框架30和角钢40，该上蒙皮层21设置在蜂窝铝芯10的上端面，该下蒙皮层22设置在蜂窝铝芯10的下端面，该框架30设置在蜂窝铝芯10侧面，该角钢40设置在蜂窝铝芯10的四个角落。而蜂窝铝芯10具有各向异性，其它部件为了设计及制造的简单和节约成本，上蒙皮层21和下蒙皮层22采用铝板或钢板，框架30采用铝制或是钢制方通，所以装配体结构性能的未知性主要存在于蜂窝铝芯10层。

在本实施例中，该正六边形蜂窝铝平台的制造步骤包括：拉伸蜂窝铝芯10型材，使蜂窝状形成正六边形，并保持一段时间，避免松开后出现一定程度的回弹；在高精度基准面上组装框架30，将下蒙皮层22与框架30固定，下蒙皮层22下端面紧贴高精度基准面，在框架30内部涂上粘接胶，将拉开后的蜂窝铝芯10放至框架30内部，并盖上上蒙皮层21，将整体进行粘接和铆接；通过气压将正六边形蜂窝铝平台压至高精度基准面上，直至粘接胶凝固，以保证工作台上下两面的精度。

具体地，将叠在一起的蜂窝铝芯10原材料两头夹住拉开；拉开后尽量使呈现的蜂窝状形成正六边形，拉开后让力保持一定时间再松开，以免产生一定程度的回缩；接着对多余的材料进行切除以便边缘很好的和外框粘接，框架30采用铆接的方式，框架30与下蒙皮层22采用铆接和粘接两种连接方式；将组件放置于高精度的花岗石面上，将拉伸切除好的蜂窝铝芯10放置于组件内，同样的上蒙皮层21与组件之间采用铆接和粘接两种方式，而蜂窝铝芯10层与其他部件均采用粘接的方式；完成所有的组装后，用一定大小的气压将工作台往花岗石基准面上压，以保证胶在凝固过程中整体不发生大变形，保证工作台上下两面的精度；另蒙皮层和框架30需要粘接的面可进行一定程度的打磨，让粘接面粗糙一些更能保证粘接强度；完成样件或是实际平台的制造后，可以采用相关仪器设备对整体性能展开测试，比如采用振动测试仪对样件或是平台展开模态测试，测试与仿真进行比对，确保可靠性。其中，蜂窝铝芯10层由一层层的铝片粘接拉伸而成，即开始是铝片叠在一起，每间隔一个蜂窝边长即涂上一个蜂窝边长的粘接胶，将所有铝片拉开后就形成许许多多的蜂窝状，故从蜂窝胞元图中可以看出，粘接边是非粘接边的厚度两倍。

其中，由于平台上下两面均有精度要求，制造过程尽量在一个基准平面上进行，如一个精度比较高且变形比较小的花岗石基准面，在花岗石基准面上设计及制造相关工位，方便后续平台加工固定。

在本实施例中，工程参数包括正交各向异性的均匀连续实体结构各平面垂直方向的弹性模量、各平面的剪切模量弹性模量、泊松比和密度。

其中，该工程参数至少包括X轴方向的弹性模量Y轴方向的弹性模量E_cy＝E_cx，Z轴方向的弹性模量该工程参数至少包括XY轴平面的剪切模量XZ轴平面的剪切模量YZ轴平面的剪切模量该均匀连续体结构的密度为该均匀连续体结构的泊松比为μ_cxy＝μ_s；其中，E_s为蜂窝铝芯10制造材料的弹性模量，G_s为蜂窝铝芯制造材料的剪切模量，t为壁厚，l为边长，γ为修正系数，ρ_s为蜂窝铝芯制造材料的密度，μ_s为蜂窝铝芯制造材料的泊松比。

进一步地，该修正系数γ理论值取1，优选为0.4～0.6。

在本实施例中，得到上述等效参数后，设计师依然无法判断含蜂窝芯层装配体的性能如何，因此需要借助有限元仿真的手段。如此可在有限元软件中建立外形大小一致的均匀连续实体结构，并输入等效弹性参数，值得注意的是，有限元仿真软件中必须将材料设置为正交各向异性材料才能输入等效弹性常数，对于做哪种类型的分析则看设计要求，比如机床行业经常做模态分析，可以判断机床的刚度变形情况能否达到设计要求。借助上述方法，即可将原先无法预知的问题转变成简单的可量化的计算分析问题，如此，可在有限元软件中建立参数化的蜂窝铝芯层、蒙皮层和外框，以此进行多种情况的计算，直至仿真结果满足设计要求。至此所有的计算均是等效和理论计算，因此为了验证上述所有计算的准确性，可以做样件或是实际平台进行测试。

在本实施例中，通过有限元技术分析获取整体仿真模型的变形、模态振型和频率。

其中，若整体仿真模型的性能不符合要求时，选用不同规格的蜂窝铝芯型材以及外部框架的标准件，重新建立整体仿真模型并再次通过有限元技术获取整体仿真模型的性能。

在本实施例中，该设计及制造方法还包括一模态测试步骤：在制造正六边形蜂窝铝平台后，通过振动测试仪对正六边形蜂窝铝平台展开模态测试。

进一步地，将制造及模态测试完成后的正六边形蜂窝铝平台装机，并通过激光干涉仪展开补偿后的定位精度和重复定位精度测试。

在本发明中，提供一种针对的机器是HANS PCB全线性六轴机械钻机的平台。

其设计要求：平台装机前模态一阶至四阶频率分别在30Hz、80Hz、100Hz、180Hz以上。装机后，定位精度在±10μm以内，重复定位精度在±5μm以内。

平台主要由正六边形蜂窝铝芯层、上蒙皮铝层、下蒙皮铝层、框架、角钢40等五部分组成。因为机器有一定设计及制造空间限制，蜂窝铝芯层、蒙皮层和型材的尺寸尽量在满足设计及制造空间尺寸前提下按照市面上的标准尺寸来设计及制造。为了减重，除了角钢40之外其余组成部分全采用铝材。初始设计及制造尺寸如下，平台外形尺寸：3146mm×617mm×68mm，上下蒙皮铝板尺寸均为：3226mm×696mm×1.5mm，方通铝型材外形截面尺寸：65mm×40mm、壁厚2.5mm，角钢40壁厚2mm，蜂窝铝芯外形尺寸：3146mm×617mm×65mm。选择蜂窝铝芯规格如下，壁厚t＝0.05mm，l＝3mm，材料3003，弹性模量E_s为6.9e10N/m²、剪切模量G_s为2.5e10N/m²、泊松比μ_s为0.33、密度ρ_s为2370kg/m³。根据前面所述等效公式，式中修正系数γ取0.5，求得正六边形蜂窝铝芯等效结构的材料工程参数如下。

为了仿真方便，可直接在有限元软件中建立参数化的仿真模型，初始尺寸为上述设计及制造的外形尺寸。蜂窝铝芯层建立的仿真模型是连续实体，注意材料为正交各向异性材料，输入计算出来的等效弹性常数。其余部件按正常的建立并输入标准材料参数。进行机床行业关心的模态分析，结果显示前4阶模态振型频率分别为一弯41.6Hz、一扭91.9Hz、二弯112.7Hz、二扭190.9Hz，达到最初模态设计要求。如果达不到要求，可以多尝试几组。达到要求后制造工作台，主要过程按照前面所述流程，注意几点，蜂窝铝芯材拉开后尽量保持一段时间再松开，粘接过程尽量在一个基准面上完成，完成组装后用气压将工作台往花岗石基准面上压直至胶凝固完成以保证两面精度，打磨粘接面至略微粗糙以保证粘接强度。

完成制造后，使用LMS振动测试仪展开模态测试，测试结果显示前4阶振型与仿真一致，频率分别为一弯40.6Hz、一扭89.2Hz、二弯110.3Hz、二扭183.5Hz，仿真与测试结果的误差在±5％以内。然后将平台装机，使用Renishaw激光干涉仪展开补偿后的定位精度和重复定位精度测试，测试结果显示定位精度为2.5μm，重复定位精度1.7μm，达到预期精度设计要求。至此可以确认前期设计、仿真、制造方法的可靠性，完成HANS PCB全线性六轴机械钻机正六边形蜂窝铝平台的设计和制造。

具体参考图3，图3是本发明正六边形蜂窝铝平台的模态仿真结果与模态测试结果对比的示意图。

进一步的，本实施例还提供正六边形蜂窝铝平台模态仿真与测试结果，具体参考如下表格。

前期设计、仿真、制造方法的可靠性高，满足正六边形蜂窝铝平台的设计及制造要求。

以上所述者，仅为本发明最佳实施例而已，并非用于限制本发明的范围，凡依本发明申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本发明所涵盖。