基于ANSYSWorkbench的高速電主軸動力學(xué)特性分析_圖文(精)

1、文章編號:1001-2265(201009-0020-03收稿日期:2010-03-05;修回日期:2010-04-133基金項目:浙江省自然科學(xué)基金(X106874作者簡介:巫少龍(1970,男,浙江衢州人,衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授,博士,主要研究方向為機(jī)械制造及自動化、機(jī)械優(yōu)化設(shè)計,(E-mailwushaolong?；贏NSYSWorkbench的高速電主軸動力學(xué)特性分析3巫少龍1,張元祥2(1.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江衢州324000;2.浙江工業(yè)大學(xué),杭州314000摘要:論文闡述了影響高速電主軸抗振能力的固有特性、動力響應(yīng)和動力穩(wěn)定性動力學(xué)特性。以高速、大功率的銑削加工中心電主軸為研

2、究對象,采用ANSYSWorkbench有限元軟件對電主軸進(jìn)行模態(tài)分析,研究電主軸的振型、固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速,獲得電主軸各階頻率和振型,指出主軸遠(yuǎn)離抗振性的頻率要求以及前支承的剛度和阻尼對主軸系統(tǒng)的振動的影響。通過模態(tài)分析為進(jìn)一步的動力學(xué)分析提供必要的依據(jù)。關(guān)鍵詞：電主軸；動力學(xué)分析；ANSYSWorkbench中圖分類號:TH16;TG65文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ABasedonANSYSWorkbenchHighSpeedElectricitySpindleDynamicsCharacteristicAnalysisWUShao2long1,ZHANGYuan2xiang2(1.QuzhouColle

3、geofTechnologyQuzhou,QuzhouZhejiang2.ofTechnology,Hangzhou314000,ChinaAbstract:Thispaperdescribestheimofofdynamicre2sponseoftheinherenthigh2speedhigh2powermillingspindleelementsoftwareANSYSWorkbenchspindlemodala2nalysisnaturalfrequencyandcriticalspeedaccesstoelectricityandthenaturalfre2quenciesandvi

4、brationspindletype.Pointedoutthatthespindleawayfromtheanti2vibrationfrequencyofrequestsandtheformerbearingstiffnessanddampingofthespindlesystemvibration.Throughthemodala2nalysisforfurtherprovidethenecessarybasisfordynamicanalysis.Keywords:electricityspindle；kineticanalysis；ANSYSworkbench0引言高速電主軸是高速機(jī)

5、床的核心部件,它將機(jī)床主軸與變頻電機(jī)軸合二為一,即將主軸電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件內(nèi)部,也被稱為內(nèi)裝式電主軸,其間不再使用皮帶或齒輪傳動副,從而實現(xiàn)機(jī)床主軸系統(tǒng)的“零傳動”1。其具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動態(tài)特性好等優(yōu)點,并改善了機(jī)床的動平衡,避免振動和噪聲,在超高速機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。作為數(shù)控機(jī)床的核心功能部件,高速電主軸動態(tài)性能的好壞直接關(guān)系到機(jī)床的加工精度和可靠性,因此在設(shè)計時對其進(jìn)行詳細(xì)的動態(tài)特性研究具有重要的意義。機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動部件的動力學(xué)特性研究,主要通過對運(yùn)動部件進(jìn)行模態(tài)分析來實現(xiàn)。它主要研究結(jié)構(gòu)或部件的振動特性（固有頻率和主振型,為動力學(xué)分析中的瞬態(tài)動力學(xué)分析、諧響應(yīng)分

6、析、譜分析提供基本的分析數(shù)據(jù)。通過動力學(xué)分析可以判斷出電主軸轉(zhuǎn)速是否合理,結(jié)構(gòu)中有無薄弱環(huán)節(jié),并可對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,使零部件滿足機(jī)床對加工質(zhì)量和加工精度的要求。隨著數(shù)值計算方法的發(fā)展,有限元理論在工程分析領(lǐng)域的應(yīng)用已非常成熟。目前,大多數(shù)機(jī)械系統(tǒng)的動力學(xué)分析主要通過有限元軟件完成。ANSYSWorkbench是ANSYS公司推出的新一代有限元分析02設(shè)計與研究組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)工具。ANSYSWorkbench提供了Windows風(fēng)格的友好界面、與CAD的無縫接口技術(shù)、新一代的參數(shù)化建模工具,和領(lǐng)先的優(yōu)化技術(shù),將CAE的易用性提高到一個新的高度2。ANSYSWorkbench功能強(qiáng)大,適

7、用領(lǐng)域廣泛,除了可進(jìn)行靜力分析之外,還提供了強(qiáng)大的動力分析工具,可以很方便地進(jìn)行模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析等各種動力學(xué)分析。本文應(yīng)用ANSYSWorkbench有限元軟件對某高速加工中心的電主軸進(jìn)行模態(tài)分析,研究電主軸的振型、固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速,并提出改善電主軸動態(tài)特性的措施。1高速電主軸動力學(xué)特性的評價指標(biāo)機(jī)械設(shè)計中,提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的抗振能力,是適應(yīng)當(dāng)前機(jī)器向高質(zhì)量、高速度、高效率、低成本和低噪聲發(fā)展的重要措施之一。高速電主軸的抗振能力取決于它的動力學(xué)特性,包括:固有特性、動力響應(yīng)和動力穩(wěn)定性。111固有特性固有特性是評價動力學(xué)特性的第一個指標(biāo),具體說來高速電主軸的固有特性主要是指電主軸的臨界轉(zhuǎn)速和

8、主振型。電主軸軸系由軸本身、上的傳動件、,嚴(yán)重時造成軸、,而當(dāng)轉(zhuǎn)速在臨界轉(zhuǎn)速的一定范圍之外時,運(yùn)轉(zhuǎn)即趨平穩(wěn)。對于電主軸,轉(zhuǎn)速和頻率的關(guān)系為:n=60f(1其中,n為轉(zhuǎn)速(rpm,f為頻率(Hz。臨界轉(zhuǎn)速的大小與軸的材料、幾何形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)形式、支承情況、工作環(huán)境以及安裝在軸上的零件等因素有關(guān)。要同時考慮全部影響因素,準(zhǔn)確計算臨界轉(zhuǎn)速的數(shù)值是困難的,也是不必要的。實際上,常按照不同的設(shè)計要求,根據(jù)主要影響因素,建立響應(yīng)的簡化計算模型,求得臨界轉(zhuǎn)速的近似值。112動力響應(yīng)動力響應(yīng)是評價機(jī)械結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性的關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)不同的需要,常用的描述結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的指標(biāo)有三個:(1在分析機(jī)械振動引起結(jié)構(gòu)的動

9、態(tài)位移,及其對機(jī)器工作能力的影響時,使用動剛度或動柔度;(2在分析機(jī)械振動對人體感受的舒適性,以及振動引起噪聲的大小時,使用機(jī)械阻抗或機(jī)械導(dǎo)納;(3在分析機(jī)械振動引起結(jié)構(gòu)的動態(tài)應(yīng)力,以及結(jié)構(gòu)的疲勞損傷時,使用動態(tài)質(zhì)量或機(jī)械慣性,也稱為加速度阻抗或加速度導(dǎo)納。當(dāng)主軸部件受迫振動時,最主要的后果將是主軸前端帶著刀具或工件一起振動而在加工表面上留下振紋,使工件的表面光潔度惡化。主軸部件對受迫振動的抵抗能力,主要決定于主軸前端在機(jī)床工作時產(chǎn)生的各種激振力作用下的振幅,其值越小抵抗能力越高。113動力穩(wěn)定性機(jī)構(gòu)的動力穩(wěn)定性是指結(jié)構(gòu)受到干擾后是否能夠回到穩(wěn)態(tài)的能力。一個機(jī)構(gòu)的動力穩(wěn)定性的好壞主要取決于系統(tǒng)

10、的阻尼,一般情況下,如果機(jī)構(gòu)中不包含負(fù)阻尼則系統(tǒng)的穩(wěn)定性是好的,因為由于干擾而產(chǎn)生的振動能量最終會被系統(tǒng)的正阻尼消耗掉,系統(tǒng)最終會趨于穩(wěn)定。影響機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性的因素很多,如油膜失穩(wěn)、內(nèi)耗失穩(wěn)、干摩擦碰摩失穩(wěn)等等。由于系統(tǒng)的阻尼在本文的分析研究中難于量化,因此關(guān)于機(jī)構(gòu)的動力穩(wěn)定性的問題,在本文中不作深入的探討。2、轉(zhuǎn)軸、軸承、定子3。加工中心用電主軸采用變頻電機(jī)與機(jī)床主軸合二為一的結(jié)構(gòu)形式,電主軸的空心轉(zhuǎn)子與機(jī)床主軸直接過盈套裝在一起,電主軸帶冷卻套的定子可以直接裝在殼體上,實現(xiàn)了電機(jī)與機(jī)床主軸之間的“零傳動”,其示意圖如圖1所示圖1加工中心用電主軸示意圖對電主軸來說,其徑向振動是影響其動態(tài)性能的

11、主要因素。為了計算方便,對個電主軸模型進(jìn)行如下簡化:(1電機(jī)轉(zhuǎn)子、前后軸承鎖緊套、編碼器鎖緊套、與軸芯為過盈配合,簡化為與軸芯粘在一起,等效為同密度軸材料,建模時按一體化處理;(2將角接觸球軸承簡化為彈性支承,支點位置在接觸線與主軸軸線的交點處;(3認(rèn)為軸承只具有徑向剛度,不具有角剛度,如此將支承進(jìn)一步簡化為徑向的壓縮彈簧質(zhì)量單元;(4每個軸承在圓周方向等效分布四個彈簧,如圖2所示,忽略軸承負(fù)荷及轉(zhuǎn)速對軸承剛度的影響,122010年第9期設(shè)計與研究視軸承剛度為一個不變常數(shù)。在已知軸向預(yù)緊力Fa0的條件下,角接觸球軸承的徑向剛度可近似按如下公式計算4Kr=1717236x(Z2Db1/2asin

12、1/3a(Fa01/3(N伽(2式中,Z為滾珠數(shù)目;Db為滾珠直徑;a為接觸角;Fa0為軸向預(yù)緊力。本電主軸軸承采用定位預(yù)緊方式,前端角接觸球軸承通過外側(cè)圓螺母對其進(jìn)行定位,并施加一定的預(yù)緊力進(jìn)行預(yù)拉伸;對后端深溝球軸承,因為深溝球軸承有徑向游隙,所以需要進(jìn)行徑向預(yù)緊,主要通過軸承跟軸和軸承座的配合來調(diào)整,后端為游動端,不需要進(jìn)行軸向預(yù)緊。根據(jù)所選軸承的參數(shù),預(yù)緊力為輕預(yù)緊,前、后軸承預(yù)緊力大小分別為110N、80N。對于深溝球軸承,對其進(jìn)行輕微預(yù)緊后,會產(chǎn)生一定的工作壓力角,這個壓力角稱為深溝球軸承的公稱接觸角,因此對深溝球軸承的剛度計算也按照角接觸球軸承的計算方法進(jìn)行計算。根據(jù)公式(1分別

13、可計算得到前、后軸承的徑向剛度:Kr1=38715N/pmYcmnciorituvRpcixwic5PJ爬円詭wonwyjiiiSpi?碌繭占刪丁p/lI湖-JtHO©,Kr2=32319N/pm。圖2軸承簡化彈簧分布示意圖根據(jù)上述簡化原則,采用Pro/E三維設(shè)計軟件建立電主軸的實體模型(如圖3所示,并將該模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench的SimCpm阿山斗EEi呻t闌聞犁聞屮皿箱VIIM*P上出Wpnl>i/MBcip?irirq!】詁HMO容X軸承外圈"/軸承內(nèi)圈ulation模塊;為了提高有限元分析結(jié)果精度,選用六面體實體單元對電主軸進(jìn)行網(wǎng)格劃,得到如圖4所

14、示有限元模型。圖3電主軸實體模型本文軸承支承方式為一端固定一端游動,前軸承為固定端,故約束其全部自由度,后軸承為游動端,其軸向有游動,故軸向方向不加約束。圖4電主軸有限元模型3高速電主軸的模態(tài)分析模態(tài)分析是高速電主軸的動態(tài)特性研究的基礎(chǔ),其任務(wù)是分析得到系統(tǒng)的固有特性,包括固有頻率以及相應(yīng)的振型。固有頻率和振型是分析電主軸動態(tài)特性的重要參考指標(biāo),也是進(jìn)行諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。xt+Kx(t=F(t(3,、C和K分別為總體質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；x(t、x(t、x(t分別為節(jié)點位移、速度和加速度向量;F(t為外力向量。式(3為彈性體的動力學(xué)方程,即用有限元法來解決彈性體的動力學(xué)

15、問題的基本方程。當(dāng)彈性體的動力基本方程中的外力向量F(t=0時,便可得到該系統(tǒng)的自由振動方程:Mx(t+Cx(t+Kx(t=0(4求解主軸的固有頻率和振型,即求解式(4的廣義特征值和特征向量。結(jié)構(gòu)的振動可以表達(dá)為各階振型的線性疊加,其中低階振型比高階振型對結(jié)構(gòu)的振動影響大,低階振型對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性起決定作用,故進(jìn)行結(jié)構(gòu)的振動特性分析時通常取前510階即可。經(jīng)ANSYSWorkbench計算后,得到電主軸各階頻率(Hz和振型如表1所示。從振型可知,三階和五階振型為擺動，四階和六階振型為彎曲。表1電主軸前6階固有頻率和振型階次123456頻率0162E-3554155931416071816151

16、7振型平動扭轉(zhuǎn)一階擺動一階彎曲二階擺動二階彎曲通過式(1將主軸的固有頻率轉(zhuǎn)化為臨界轉(zhuǎn)速,如表2所示。(下轉(zhuǎn)第26頁22設(shè)計與研究組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)3結(jié)束語本文討論了兩把刀具在不同刀具懸伸量和主軸轉(zhuǎn)速對切削力的交互影響,得到以下結(jié)論:(1在本文切削條件下,兩把刀具的切削力都隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而減小;增加刀具懸伸量,切削力大小不同,但切削力和刀具懸伸長度沒有正比或反比關(guān)系。實際上存在著一個不適合加工的懸伸量(臨界懸伸量,當(dāng)超過該懸伸量后切削力反而減小,且主軸轉(zhuǎn)速改變時臨界懸伸量也會改變。(2隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,臨界懸伸量總體有減小的趨勢。說明如果已知刀具懸伸量大于此切削條件的臨界懸伸量,適當(dāng)

17、增加主軸轉(zhuǎn)速和刀具懸伸量可以減小切削力。(3應(yīng)用最小二乘法建立了兩把刀具銃削2A12鋁合金時各切削分力關(guān)于主軸轉(zhuǎn)速和刀具懸伸量的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?通過顯著性檢驗可知該模型與實際情況擬合較好。該方法可以推廣到多個銑削參數(shù),為切削參數(shù)的優(yōu)化和選擇提供依據(jù)。參考文獻(xiàn)1畢迎華.D.林大學(xué),2007.艾興,等.高速切削加工技術(shù)M.北京：國防工業(yè)出版社,2003.3 秦哲,王成勇,吳學(xué)奇.高速銑削刀具懸伸長度試驗研究J.工具技術(shù),2004,38(3：76-78.4 閆雪.難加工材料高速銃削切削力研究D.西安:西北工業(yè)大學(xué),2007.劉振學(xué)，黃仁和，田愛民實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.6 M

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