高速、高精度數控銑（xǐ）床電主軸（zhóu）結構優（yōu）化及其性能研（yán）究
2016-8-29 來源：機（jī）械工（gōng）程學院 作者：陳麗婷
結構在（zài）受到自激力（lì）和受迫振動時有抵抗變形的性能，這種抵抗能為是衡量機（jī）床結構設汁優劣的重要性能參數。由於高速機（jī）床在進行（háng）高速（sù）加（jiā）工的（de）過程中，即使受到一些微小的變形，機床的加工精度和準確度都會受到很大的影響。而且主軸係統動態（tài）特性不僅影（yǐng）響機床的（de）使用壽（shòu）命和主加工精度，還會（huì）使機床（chuáng）的高（gāo）效優勢不能得到有效發揮。所Ｗ，為提高高速機床工作能力，對其核也部件主（zhǔ）軸係統進行動力學（xué）研究具（jù）有重要（yào）意義［５９１。
鑒於機高速電主（zhǔ）軸動態性能研究主要與係（xì）統的固有頻率和（hé）外部激勵有關，論文從下兩點對髙速電主軸的動為學性能進行研究分析：第一，對係統的固有頻率進行研究；第二，對受（shòu）到外部（bù）激勵時係統的動力學特（tè）征響應進行研巧，即響應分析。本章（zhāng）接下來就電主軸係（xì）統的模態特性和諧（xié）波響應特性進行（háng）分析。
４．１、模態分析簡介
上世紀（jì）３０年代，模態分析理論在導納（nà）分析和阻抗類比理論的基礎（chǔ）上發展而來。模態分析理論是通過信號處理分析、動控製相關理論、概率和統計、自數據數字化處理、振動檢測和控製理論分析等相關技術的研究，形成的（de）獨（dú）特理論。將線性非時變係統在實坐標下的振動微（wēi）分方程向模態坐標轉化的（de）過程就是模態分析［６０］。
模態分（fèn）析的主要有（yǒu）兩個作用：在（zài）產品設計前計算出係統的固有（yǒu）振（zhèn）型和固（gù）有頻（pín）率，避免可能引起的共振；第二，由於結構對於各種動力載（zǎi）荷的振動情況的響應取決於結構的振（zhèn）動特性，因此模態分析能夠為仿真對象的結構動力學優化設計（jì）、振（zhèn）動分析、預報（bào）振動故障（zhàng）提供理論依（yī）據。
４．２、模態（tài）分析矩陣的描述
４．３、模態分析的建模、加載及求解
按照第Ｈ章優化仿真的結果對（duì）電（diàn）主軸（zhóu）技（jì）軸（zhóu）部分直接在ＡＮＳＹＳＷｏｉｋｂｅｎｃｈ中的ｇｅｏｍｅｔｒｙ模塊（kuài）重新進行建（jiàn）立（lì）Ｈ維（wéi）實體模型（xíng），再ＷＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ的ｍｏｄａｌ模態分析模塊對模型進行模態分析。
由於模態分析Ｈ維實體模型的簡化與靜力學分析相同，此處省略建模過程。建立（lì）模型，然後賦值電主軸材料屬性參數：取彈性模量Ｅ＝２．ｌＸｌＯＳ＾ｒ／ｍｍ２、泊（bó）鬆比＾＝〇．３Ｗ及（jí）密度Ｐ＝７８Ｓ０ｋｇＡｎ３。劃分單（dān）元類型網格（gé），建立電主軸的模態有限元仿（fǎng）真模型。
模型建立Ｗ及材料屬性（xìng）賦值完成後，選擇合適（shì）的值５ｍｍ對電主軸進行網格劃分，然後再對模型（xíng）進行加載（zǎi）：模態分析中唯一起作用（yòng）的輸入變量是自由度約束，將電主軸係統的軸承部分等效成切向約束、軸向和徑向都自由的圓（yuán）麵約束；同時由於電主軸前軸（zhóu）承固定後軸承（chéng）處可（kě）軸向遊動的安裝方式（shì），故在電主軸前軸（zhóu）承組階（jiē）梯軸的端麵添加固定約束。
加載完成Ｗ後，設定求解參數。根據經驗判斷：當研巧電主軸結構係統的模態特性時，其低階模態值對電主軸係統的振動影響更大，本論文取前６階模態，選擇Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ＞Ｔｏｔａｌ，最後點擊ｓｏｌｖｅ進行求（qiú）解，獲得的各階模態（tài）分析振型圖如下。
圖４．１一階振型圖
圖４．２二階振型圖（tú）
圖４．３Ｈ階振型圖
圖４．４四階振型圖
圖４．５五階（jiē）振型圖
圖４．６六（liù）階振型圖
得到前６階的固有頻率（Ｈｚ）及其對（duì）應臨界轉速如下表（biǎo）４．１：
表４．１電主軸的固有頻率和臨界（jiè）轉速
４．４、諧波響應分析
主軸係統在受到分析連續的周期性載荷時，係統會產生的持續周期性響應（yīng）叫做諧波響應。論文（wén）隻考慮穩態受迫振動的情況，對於激勵開始時的瞬態振動，由於其過程（chéng）更為（wéi）複雜，不在諧響應分析的（de）考慮範圍內。
作為一種線性分析，諧波響應分析常采（cǎi）用的（de）分析方法（fǎ）主要有Ｈ種：整（zhěng）體法、模態疊加法和縮減法。本文接下來應用模態疊加（jiā）法（fǎ）對電主軸進行響應（yīng）分析。由於隻（zhī）有在進行了模態分析後才能分析係統（tǒng）的諧響（xiǎng）應分析特性，響應分析建模（mó）過程與模態分析（xī）時（shí）完（wán）全相同，因此可Ｗ在模態建模的基礎上直接選擇ｈａｒｍｏｎｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅ即可，如團（tuán）４．７。
圖４．７響應分（fèn）析建模
對主軸單（dān）元進行（háng）周期載荷的加載，由於模（mó）態分析得電主（zhǔ）軸的六階固有頻率為７７５４ｈｚ，因此在ａｎａｌｙｓｉｓｓｅｔｔｉｎｇ中設定求解範圍為０？７７５４ｈｚ。求解結果如圖４．８所示（shì）：
圖４．８前軸端麵０？７７５４ｈｚ頻率幅值曲線
由上圖（tú）可知，電主軸共振頻率發生在２０００ｈｚ？２５００１１Ｚ之間，因（yīn）此縮小求解範圍，得到更準確的（de）結（jié）果如圖４．９所示（shì）。圖中顯示主軸一階共（gòng）振頻率為２３８０ｈｚ。電主軸的最高（gāo）轉（zhuǎn）速為２００００ｒ／ｍｉｎ，激振頻率的極值（zhí）為３３４ｈｚ。因此電主軸在其工作區間內可１＾＾避開共振區域，能有效保證機床（chuáng）的加工精度。
圖４．９前軸端麵２０００ｈｚ？２５００ｈｚ頻率幅值曲線
４．５、本章小結
本章首先對模（mó）態分析理論進行了相關描述，並利用有限元分析軟件ＡＮＳＹＳｗｏｒｋｂｅｉ＾ｈ對所建立簡化電主（zhǔ）軸模（mó）型進行模態分析，分別得到了電主軸係統的前六階固有頻率。分析結果表明：電主軸的（de）最高轉速遠遠低於其一階臨界轉速的７５％，電（diàn）主軸（zhóu）工作過程中能夠有效避免共振。對電主軸（zhóu）的響應分析，得到了主軸的共振頻率為２％０ｈｚ，然而電主軸係統激振頻率的極值為３３４ｈｚ，避開了共振區間，研究驗證了（le）電主軸結（jié）構設計的合理性，也進一步驗證了優化（huà）方案的合理性。
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如（rú）果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部， 郵箱（xiāng）：skjcsc@vip.sina.com
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