基于ANSYSWorkbench的高速电主轴动力学特性分析_图文(精)

1、文章编号：1001-2265(2010 09-0020-03收稿日期:2010-03-05;修回日期:2010-04-133 基金项目：浙江省自然科学基金(X106874作者简介：巫少龙(1970,男,浙江衢州人,衢州职业技术学院副教授,博士,主要研究方向为机械制造及自动化、机械优化设计,(E-mail wushaol ongqzc .cn。基于 ANSYSWorkbe nch 的高速电主轴动力学特性分析3巫少龙 1,张元祥2(1.衢州职业技术学院,浙江 衢州324000; 2.浙江工业大学,杭州 314000摘要：论文阐述了影响高速电主轴抗振能力的固有特性、动力响应和动力稳定性动力学特性。以

2、高速、大功率的铣削加工中心电主轴为研究对象，采用 ANSYSWorkbench 有限元软件对电主轴进行模 态分析,研究电主轴的振型、固有 频率和临界转速，获得电主轴各阶频率和振型，指出主轴远离抗振性的频率要求以及前支承的刚度和阻尼对主轴系统的振动的影响。通过模态分析为进一步的动力学分析提供必要的依据。关键词：电主轴；动力学分析；ANSYS Workbench 中图分类号：TH16; TG65 文献标识码:ABa sed on ANS Y S W orkbench H i gh Speed Electr i c ity Sp i n die D ynam i csCharacter isti c

3、 Ana lysisWU Shao 2l ong 1,Z HANG Yua n 2xia ng2(1. Quzhou College of Tech nol ogy Quzhou, Quzhou Zhejia ng 2. ofTechnol ogy, Hangzhou 314000, ChinaAbstract:This paper describes the i m of of dyna m ic re 2s ponse of the in here nt high2s peed high 2power m illi ng s p in dle ele ment s oft w are AN

4、SYSWorkbe nch s p indlemodal a 2nalysis natural frequency and critical s peed access t o electricity and the n aturalfre 2que ncies and vibrati on s p in dle type . Poin ted out that the s p in dle a way fr om theanti 2vibrati on frequency of requests and the f or mer bearing stiffness and da mp ing

5、 of thes p indle syste m vibrati on . Thr ough the modal a 2nalysis for further p r ovide thenecessary basis for dyna m ic analysis . Key words:electricity s p indle; kinetic an alysis;ANSYS workbe nch0 引言高速电主轴是高速机床的核心部件，它将机床 主轴与变频电机轴合二为一，即 将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件内部，也被称为内装式电主 轴，其间 不再使用皮带或齿轮传动副，从而实现机床主轴系

6、统的“零传动” 1。其具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并改善了机床 的动平衡，避免振动和噪声，在超高速机床中得到广泛应 用。作为数控机床的核 心功能部件，高速电主轴动 态性能的好坏直接关系到机床的加工精度和可靠性，因此在设计时对其进行详细的动态特性研究具有重要的意义。机械系统运动部件的动力学特性研究，主要通过对运动部件进行模态分析来实 现。它主要研究结构或部件的振动特性（固有频率和主振型，为动力学分析中的瞬态动力学分 析、谐响应分析、谱分析提供基本的分析数据。通过动力学分析可以判断出电 主轴转速是否合理，结构中有无薄弱环节，并可对其进行优化设计，使零部件满足 机床对加工质量和加

7、工精度的要求。随着数值计算方法的发展，有限元理论在工程分析领域的应用已非常成熟。 目前，大多数机械系统的动力学分析主要通过有限元软件完成。ANSYSWorkbe nch 是 ANSYS 公司推出的新一代有限元分析?02? ?设计与研究？组合机床与自动化加工技术工具。ANSYS Workbench 提供了 W indows 风格的友 好界面、与 CAD 的无 缝接口技术、新一代的参数化建 模工具，和领先的优化技术，将 CAE 的易用性提 高到一个新的高度2。ANSYS Workbench 功能强大，适用领域广泛，除了可进 行静力分析之外，还提供了强大的动力分析工具，可以很方便地进行模态分析、 谐

8、响应分析等各种动力学分析。本文应用 ANSYS Workbe nch 有限元软件 对某高速加工中心的电主轴 进行模态分析，研究电主轴的振型、固有频率和临界 转速，并提出改善电主轴动态特性的措施 。1 高速电主轴动力学特性的评价指标机械设计中，提高机械结构的抗振能力，是适应当前机器向高质量、高速 度、高效率、低成本和低噪 声发展的重要措施之一。高速电主轴的抗振能力取 决于它的动力学特性，包括：固有特性、动力响应和动力稳定性。111 固有特性固有特性是评价动力学特性的第一个指标，具体说来高速电主轴的固有特性主要是指电主轴的临 界转速和主振型。电主轴轴系由轴本身、上的传动件、,严重时造成轴、，而当转

9、速在临界转 速的一定范围之外时，运转即趋平稳。对于电主轴，转速和频率的关系为：n =60f （1 其中，n 为转速（r pm , f 为频率（Hz。临界转速的大小与轴的材料、几何形状、尺寸、结构形式、支承情况、 工作环境以及安装在轴上的零 件等因素有关。要同时考虑全部影响因素，准确计 算临界转速的数值是困难的，也是不必要的。实际上，常按照不同的设计要求，根 据主要影响因素，建立响应的简化计算模型，求得临界转速的近似值。112 动力 响应动力响应是评价机械结构动力学特性的关键指标。根据不同的需要，常用的描述结构动力响应的 指标有三个：（1 在分析机械振动引起结构的动态位移，及其对机器工作能力的影

10、响时，使用 动刚度或动柔度；（2 在分析机械振动对人体感受的舒适性，以及振动引起噪声的大 小时，使用机械阻抗或机械导纳；（3 在分析机械振动引起结构的动态应力，以及结 构的疲劳损伤时，使用动态质量或机械惯性，也称为加速度阻抗或加速度导纳。当主轴部件受迫振动时，最主要的后果将是主轴前端带着刀具或工件一起振动 而在加工表面上留下振纹，使工件的表面光洁度恶化。主轴部件对受迫振动的抵 抗能力，主要决定于主轴前端在机床工 作时产生的各种激振力作用下的振幅，其值 越小抵抗能力越高。113 动力稳定性机构的动力稳定性是指结构受到干扰后是否能够回到稳态的能力。一个机构 的动力稳定性的好坏主要取决于系统的阻尼，

11、一般情况下，如果机构中不包含负阻 尼则系统的稳定性是好的，因为由于干扰 而产生的振动能量最终会被系统的正阻尼 消耗掉，系统最终会趋于稳定。影响机构的稳定性的因素很多，如油膜失稳、内耗失稳、干摩擦碰摩失稳等 等。由于系统的阻尼在本文的分析研究中难于量化，因此关于机构的动力稳定性 的问题，在本文中不作深入的探讨。2、转轴、轴承、定子3。加工中心用电主轴采用变频电机与机床主轴合二 为一的结构形式，电主轴的空心转子与机床主轴直接过盈套装在一起，电主轴带冷 却套的定子可以直接装在壳体上，实现了电机与机床主轴之间的“零传动”其示 意图如图 1 所示o图 1 加工中心用电主轴示意图对电主轴来说，其径向振动是

12、影响其动态性能的主要因素。为了计算方便，对 个电主轴模型进行如下简化：(1 电机转子、前后轴承锁紧套、编码器锁紧套、与轴芯为过盈配合，简化 为与轴芯粘在一起，等效为同密度轴材料，建模时按一体化处理；(2将角接触球轴承简化为弹性支承，支点位置在接触线与主轴轴线的交点处；(3 认为轴承只具有径向刚度，不具有角刚度，如此将支承进一步简化为径向的 压缩弹簧质量单元；(4 每个轴承在圆周方向等效分布四个弹簧，如图 2 所示，忽略轴承负荷及转速 对轴承刚度的影响,? 1 2?2010 年第 9 期？设计与研究？视轴承刚度为一个不变常数。在已知轴向预紧力F a 0 的条件下，角接触球轴承的径向刚度可近似按如

13、下公式计算4K r =1717236 (Z2? D b1/2asin 1/3a(F a 0 1/3(N / 卩 m (2式中,Z 为滚珠数目；D b 为滚珠直径；为接触角；F a 0 为轴向预紧力。本电主轴轴承采用定位预紧方式，前端角接触 球轴承通过外侧圆螺母对其进行 定位，并施加一定 的预紧力进行预拉伸；对后端深沟球轴承，因为深沟 球轴承有径 向游隙，所以需要进行径向预紧，主要通过轴承跟轴和轴承座的配合来调整，后端 为游动端，不需要进行轴向预紧。根据所选轴承的参数，预紧力为轻预紧，前、 后轴承预紧力大小分别为 110N、80N。对于深沟球轴承，对其进行轻微预紧后，会产生一定的工作压力角，这个

14、压力 角称为深沟球轴承的公称接触角，因此对深沟球轴承的刚度计算也按照角接触球 轴承的计算方法进行计算。根据公式（1 分别可计算得到前、后轴承的径向 刚度:K r 仁38715N /I6M-I0I0 ,K r 2=32319N /。卩 r 图 2 轴承简化弹簧分布示意图根据上述简化原则,采用 Pro /E 三维设计软件建立电主轴的实体模型（如图 3 所示,并将该模型导入 ANSYS Workbench 的Si mdFpIV ymjtURK；frfCLMJK* |y|n|if|3|ll |MM常助U*|P住gKUCil1 WVW- *4D|r91K1ulati on 模块；为了提高有限元分析结果精

15、度，选用六面体实体单元对电主 轴 进行网格划，得到如图 4 所示有限元模型。图 3电主轴实体模型X轴承外圈轴承内圈UkM-jajoV*本文轴承支承方式为一端固定一端游动，前轴承为固定端，故约束其全部自由度，后轴承为游动 端，其轴向有游动，故轴向 方向不加约束。图 4 电主轴有限元模型3 高速电主轴的模态分析模态分析是高速电主轴的动态特性研究的基 础，其任务是分析得到系统的固有 特性，包括固有频率以及相应的振型。固有频率和振型是分析电主轴 动态特性的 重要参考指标，也是进行谐响应分析、瞬态动力学分析的基础。x t 町+K x (t =F (t (3,、C 和K 分别为总体质量矩阵、阻尼矩阵和刚度

16、矩阵；X (t 、 x (t 、 x (t 分别为节点 位移、速度和加速度向量；F (t 为外力向量。式(3 为弹性体的动力学方程，即用有限元法来 解决弹性体的动力学问题的基 本方程。当弹性体的动力基本方程中的外力向量F (t =0 时，便可得到该系统的自由振动方程：M X(t +Cx (t +K x (t =0(4求解主轴的固有频率和振型，即求解式(4 的广义特征值和特征向量。结构的振动可以表达为各阶振型的线性叠加，其中低阶振型比高阶振型对结构的振动影响大，低阶振型对结构的动态特性起决定作用，故进行结构 的振动特性分 析时通常取前 510 阶即可。经 ANSYS Workbench 计算后,

17、得到电主轴各阶 频率 (Hz 和振型如表 1 所示。从振型可知，三阶和 五阶振型为摆动，四阶和六阶振型为 弯曲。表 1电主轴前 6 阶固有频率和振型阶次 123456 频率0162E -35541559314160718161517振型平动扭转一阶摆动一阶弯曲二阶摆动二阶弯曲通过式（1 将主轴的固有频率转化为临界转速 如表 2 所示。（下转第 26 页？22? ?设计与研究？组合机床与自动化加工技术3 结束语本文讨论了两把刀具在不同刀具悬伸量和主轴转速对切削力的交互影响，得到以下结论：（1 在本文切削条件下，两把刀具的切削力都随 着主轴转速的增加而减小；增加 刀具悬伸量，切削力 大小不同，但切

18、削力和刀具悬伸长度没有正比或反比关系。实际上存在着一个不适合加工的悬伸量（临界悬伸量，当超过该悬伸量后切削力反 而减小，且主轴转速改变时临界悬伸量也会改变。（2 随着主轴转速的增加，临界悬伸量总体有减小的趋势。说明如果已知刀具 悬伸量大于此切削条件的临界悬伸量，适当增加主轴转速和刀具悬伸量可以减小 切削力。(3 应用最小二乘法建立了两把刀具铣削 2A12 铝合金时各切削分力关于主轴转 速和刀具悬伸量的经验模型，通过显著性检验可知该模型与实际情况拟合较好。 该方法可以推广到多个铣削参数，为切削参数的优化和选择提供依据。参考文献1 毕迎华.D .林大学,2007.2 艾兴，等.高速切削加工技术M.

19、北京：国防工业出版社,2003.3 秦哲，王成勇，吴学奇.高速铣削刀具悬伸长度试验研究J .工具技术,2004, 38(3 :76-78.4 闫雪.难加工材料高速铣削切削力研究D.西安:西北工业大学,2007.刘振学，黄仁和，田爱民.实验设计与数据处理M.北京：化学工业出版社，2005.6 M. Kovacic, J. Balic, M. B rezocnik . Evoluti onary app r oachf or cutting f orces p redicti on in m illing, Journal of materials p r ocessing technology,

20、 2004, 155-156(2004 1647-1652.7 朱黛茹，王波，赵岩.微细铣削硬铝时切削用量对表面粗糙度的影响J .工具技术,2007(12 :17-20.8 闫雪，陶华，高晓兵.300M 超高强度钢告诉铣削切削力建模研究J .机械强度,2008, 30(5 :860-863.9 王素玉,汪桂莲,郭培燕,等.高速铣削 45#中碳钢切削力建模及实验研究J .山东科技大学学报（自然科学版,2005,24（3 :9-13.10 王素玉，赵军模具钢切削力建J , , 2006, 36（1 :1（编辑 李秀敏（上接第 22 页表 2 电主轴的临界转速阶次 3456 频率（Hz 5541559314160718161517 临界转速（r pm332703560496468969424 结束语（1 为保证机床的加工精度和安全性，电主轴工作时最高转速不能超过其一阶临界转速的75% 5。本文主轴的最高转速为 n =10000r pm ,远远小于表中 各阶的临界转速，因此该 主轴能有效地避开共振区，保证了主轴的加工精度。(2