数控机床高速主轴单元动态特性仿真分析

1、2007年1月第35卷第1期机床与液压MACH I N E T OOL&HY DRAUL I CSVol135No11January2007数控机床高速主轴单元动态特性仿真分析3胡秋,腾强(中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,四川绵阳621900摘要:对电主轴建立了较精确的三维有限元建模,经有限元计算分析,获得了电主轴的模态和谐响应特性,研究了电主轴的固有频率、振型和临界转速,对高转速条件下主轴前端及不同特征位置所发生的最大动态位移进行了分析计算,验证了主轴结构设计的合理性。关键词:高速主轴单元;动态特性;仿真分析中图分类号:TG502;TH122文献标识码:A文章编号:1001-3

2、881(20071-204-3D ynam i c Character isti cs S i m ul a ti on of H i gh Speed Sp i n dle Un it i n CNC M ach i n e ToolHU Q iu,TENG Q iang(China Acade me Engineering Physics,I nstitute of MechanicalManufacturing Technol ogy,M ianyang Sichuan621900,ChinaAbstract:A more accurate three-di m ensi onal FE

3、 M model of the mot orized s p indle was established1Based on the model,the mo2 dal and res ponse characteristics of the mot orized s p indle were analyzed1The natural frequency,vibrati on mode and li m ited s peed were studied1The maxi m u m dyna m ic dis p lace ments of the fr ont end,r ot or and

4、other characteristic positi on on s p indle were studied,the ra2 ti onality of the s p indle design and constructi on was validated1Keywords:H igh s peed s p indle unit;Dyna m ic characteristic;Si m ulati on analysis数控机床日益向高速度高刚度的方向发展,要使高速铣头安全可靠地工作,保证所加工零件的高精度,高速铣头就必须其有良好的动态特性。因此,必须对高速铣头进行动力学研究。主轴单元

5、动态分析主要包括以下二个方面内容:模态分析即固有频率(临界转速计算和振型分析,谐响应分析即分析连续的周期性切削力在结构系统中产生的持续的周期性响应。由于结构的复杂性,采用理论计算对主轴单元进行静动态分析计算几乎不可能;长期以来主要应用的经验类比法盲目性大,设计制造周期长,成本高。虚拟弹性动力学研究是一种先进的新方法,具有其它方法无法比拟的优点,如节省投资、缩短产品开发周期等。它主要借助于大型有限元分析软件,通过对样机模型进行经过二次建模得到其力学和数学模型,从而求得样机的某些动力学特性和参数。1高速主轴单元模态分析结构的固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数,同时也可以作为其它动力学

6、分析问题的起点。固有频率也称自然频率,只与系统本身的特性(质量、刚度和阻尼有关,当弹性体的动力基本方程中的外力向量F(t=0时,便可得系统的自由振动方程为Mx¨(t+Cx(t+Kx(t=0求解主轴的固有频率和振型,即求解上式的广义特征值和特征向量。在进行模态分析建模时,将角接触球轴承简化为弹性支承,忽略轴承角刚度;电机转子、前后轴承锁紧套、编码器锁紧套与轴芯建模时按一体化处理。对主轴本体选用S OL I D45三维实体结构单元对其进行网格划分,对轴承采用弹簧-阻尼单元COMB I N14来模拟。为使单元规则,限制单元的个数,提高计算速度和计算精度,采用手工分网。分网后有限元模型如图1

7、所示,共13756个单元,17776 个节点。图1主轴单元三维有限元模型模态分析中唯一加载是零约束,前轴承为固定端,约束其全部自由度,后轴承为游动端,轴向不加约束。经ANSYS运行计算后,得到前六阶振动特性(固有频率与振型。部分振型图如图24所示。电主轴各阶频率(Hz和振型如表1所示。其中三、四阶的固有振动频率相等,而且其振型表现为正交,3基金项目:中国工程物理研究院基金资助项目(2004M42104可将其视为重根;五、 六阶也如此。表1电主轴前六阶固有阶频率与振型阶次123456频率/Hz 0振型平动扭转Y 一弯Z 一弯Y 二弯Z 二弯当轴以临界转速旋转时,轴的挠度将达到最大值,到达“临界”

8、状态时,轴将强烈振动,导致轴寿命的下降,甚至破坏轴。将主轴的固有频率转化为临界转速,见表2所示。表2主轴的临界转速(r m in -1666616666616122982122982所设计主轴的最高工作转速为n =15000r/m in,大大低于临界转速。因此设计是合理的,能有效地避开共振区。2高速电主轴谐响应分析铣刀工作时,会有周期性的激振力作用在主轴上,当激振力频率与系统固有频率相同时就会发生共振。这不仅不能保证铣削的加工精度,也会对铣头产生冲击以致造成铣床严重破坏。高速主轴动力响应是评价高速铣头的动态性能的一个重要指标。n 自由度系统的强迫振动方程如下:M x ¨(t +C x

9、 (t +K x (t =P (t 式中:P (t =p 1(t ,p 2(t ,p 3(t ,p n (t 为任意激振力。主轴单元在铣削工件时,铣刀的每一个刀齿切削工件时,工件给高速旋转的铣刀一个冲力也就是加上主轴单元一个激振力。谐响应分析中, 一个完整的激振力由幅值、相位角和强迫振动频率组成,即P (t =p cos (w t +<,其中p 、w 、<分别为激振力幅值、强迫振动频率和相位角。取典型切削力计算出其切削力,并根据铣刀齿数进一步则可以确定激振力频率。在本文中,激振力为762N,激振力频率为1000Hz 。取激振力的频率范围为0166615Hz,研究主轴前端、主轴转子中

10、部位置动态响应情况,如图5、图6所示。主轴的动刚度-频率曲线图如图7所示。502第1期胡秋等:数控机床高速主轴单元动态特性仿真分析从分析结果可以看出,在激振力频率为1000Hz 以下时,随着频率的增大,主轴前端和主轴中部动态位移量都近似线性增加。随着转速的提高,主轴的刚度会有所降低。根据前面所确定的激振力,即频率为1000Hz 时,主轴前端部的动态位移量为2159m,可近似得到主轴的动刚度为29412N /m,刚度下降了10%,能满足高速精加工的要求。取激振力的频率范围为9031303Hz,载荷子步为100。得到主轴前端部的径向响应位移对频率的曲线如图8所示。当激振力的频率从1107Hz 增加

11、到1111Hz 时,主轴前端部的径向响应位移急剧增加,主轴的动刚度显著下降;在共振点主轴前端部径向位移达到10m,其动刚度只有76N /m 。激振力的频率再增加到1115Hz 时,主轴前端部的径向响应位移急剧下降,主轴的动刚度回升。由此可进一步确定共振发生在1111Hz 附近,即一阶固有频率附近。在1107Hz 以下的频率范围主轴前端部的动态位移量都很小,表明主轴具有良好的动刚度。选择主轴前端、后端、轴承所在的4个位置以及主轴转子中部共7个节点位置,观察其径向响应位移对频率的曲线图,如图8所示(图中由UY_2到UY_8依次表示主轴的前端到后端的7个节点的径向响应位移频率曲线图。由图8可知,蓝色

12、线UY _5(即转子中部节点位置所代表的径向响应位移最大,达到70m,因此可知当发生共振时,主轴转子中部位置是危险点,容易产生裂纹。3结论本文运用有限元分析方法对高速电主轴进行了模态分析和谐响应分析,完成高速电主轴单元的动态特性分析,分析表明,所设计的高速电主轴单元一阶临界转速为666616r/m in,远高于其最高工作转速,符合设计要求,通过谐响应分析表明,该主轴在激振频率1000Hz 下具有良好的动刚度特性,对加工精度影响不大,满足精加工的要求。参考文献【1】史安娜,李康举,孙斌1主轴部件静动态特性分析J 1机械设计与制造,1999(5:56-58.【2】蔡英,黄国庆,刘建清,等1机床高速

13、主轴系统的动力学特性J 1江南大学学报:自然科学版,2003,2(3:286-288.【3】张宇1机床主轴部件的有限元模型J 1机械设计与制造,2000(5:40-41.【4】戴曙1机床滚动轴承应用手册M 1北京:机械工业出版社,1993.【5】刘国庆,杨庆东1ANSYS 工程应用教程机械篇M 1北京:中国铁道出版社,2003.【6】SKF 公司精密轴承型录.H igh -p recisi on Bearings .作者简介:胡秋,男,19711717年生,工学硕士,主要从事机电一体化系统设计、集成、测试等科研工作。电话:0816-*,E -mail:huqu master1631com 。收

14、稿日期:2005-10-27(上接第236页3001到3999的内存地址,如图8所示。这一符合工业标准的OPC 接口为基于PC 的H M I 人机界面和SCADA 自动化软件包提供了即插即用的功能。图8用OPC 进行数据监控4小结综上所述,这种新型的故障诊断系统,充分利用了嵌入式W eb 模块的功能,当现场数据读入该诊断模块后,通过故障逻辑检测进行判别,最后实现远程发布。这种方法简单方便,集成化使得其开发费用低,以太网接口模块的阻隔作用使得其安全性好,因此,有望在火力发电厂汽轮机电液控制系统的故障诊断中发挥更好的作用。参考文献【1】王爽心,葛晓霞.汽轮机数字电液控制系统M .北京:中国电力出版社,2004.【2】Netsilicon 公司网站:htt p:/www 1netsilicon 1com.【3】何衍庆,陈积玉,俞金寿