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數控機床主軸系統動(dòng)力學(xué)特性分析

來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)   作者:機床世界    發(fā)表時(shí)間:2019-03-15    瀏覽量:5840



數控機床主軸系統包含主軸、軸承、刀柄、刀具(或工件)等零部件,是數控機床的重要子系統。主軸系統的動(dòng)力學(xué)特性,直接影響工件的加工精度、表面粗糙度和生產(chǎn)率,因而圍繞主軸系統的動(dòng)力學(xué)設計與分析,受到了企業(yè)界及學(xué)者的廣泛關(guān)注。特別地,近年來(lái)以高速加工為特點(diǎn)的高檔數控機床需求量與日俱增,因而主軸系統的動(dòng)態(tài)設計就顯得更加重要了,良好的主軸系統動(dòng)力學(xué)性能主要體現在高剛度、振動(dòng)小、變形小、噪聲低,即具有優(yōu)越的抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的能力。目前,我國國產(chǎn)的高檔數控機床的總體性能與發(fā)達國家相比還有一定的差距。其中主軸系統動(dòng)力學(xué)性能差是一個(gè)重要的原因,因而,如何提高主軸部件的動(dòng)態(tài)性能,就成了機床制造業(yè)中的一個(gè)重要研究問(wèn)題。




一、動(dòng)力學(xué)特性的關(guān)鍵問(wèn)題及未來(lái)的研究趨勢

   

表征主軸系統動(dòng)力學(xué)特性的參數主軸系統的動(dòng)力學(xué)特性是一個(gè)廣義的概念,泛指與主軸系統抗振性、穩定性相關(guān)的所有性能指標。

 

二、主軸系統動(dòng)力學(xué)特性的分析方法主軸系統動(dòng)力學(xué)分析的主要內容

    

創(chuàng )建主軸系統的動(dòng)力學(xué)模型;分析確定表征主軸系統動(dòng)力學(xué)性能的各種參數;對主軸系統動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行評價(jià)與預估;設計調整影響主軸系統動(dòng)力學(xué)性能的各種要素,即實(shí)施優(yōu)化設計。長(cháng)期以來(lái),學(xué)者們在不斷探索與實(shí)踐中,圍繞數控機床的主軸系統,提出了多種動(dòng)力學(xué)分析方法。主要包括有限元法、傳遞矩陣法、阻抗耦合法、實(shí)驗分析法等。

 

2.1 主軸系統動(dòng)力學(xué)特性的有限元分析法

   

利用有限元分析法可以對主軸系統進(jìn)行靜力學(xué)分析獲取靜剛度,動(dòng)力學(xué)分析獲得固有頻率、動(dòng)響應以及實(shí)施優(yōu)化設計。在主軸系統動(dòng)力學(xué)分析研究中,有限元法是最常用的方法。常見(jiàn)的工程軟件有AN SYS,ANSYS/Workbench,MSC.NASTRAN,ABAQUS、MSC.MARC\LMSVirtua.lLab等。有限元法應用方便、求解精度高,但對主軸系統進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)也有不足之外。有限元軟件無(wú)法很好的和軸承分析理論結合進(jìn)行主軸軸承系統分析。為了有效進(jìn)行分析,必須通過(guò)積分求出與軸承載荷相對應的廣義載荷,并對軸承載荷和變形關(guān)系進(jìn)行線(xiàn)性化,這樣操作降低了分析的精度。

 

2.2 主軸系統動(dòng)特性的傳遞矩陣

  

分析法傳遞矩陣法是分析軸類(lèi)、梁類(lèi)等細長(cháng)結構動(dòng)力學(xué)學(xué)特性的一種經(jīng)典方法。應用傳遞矩陣法對主軸系統進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的基本思想是:首先,將主軸系統離散化,系統變?yōu)橛扇舾杉匈|(zhì)量、剛性盤(pán)和彈性軸段等組成的離散體(分段點(diǎn)常取在輪盤(pán)、軸承、聯(lián)軸器及軸徑有顯變化的地方);接著(zhù),獲取各單元(輪盤(pán)、軸簧的聯(lián)合體)的傳遞矩陣;最后,通過(guò)單元傳遞矩陣,從左到右將各個(gè)軸段兩端的狀態(tài)向量聯(lián)系起來(lái),根據主軸的邊界條件,獲得頻率多項式,運用迭代法求出轉子系統的臨界轉速和動(dòng)態(tài)響應等。

 

2.3 主軸系統動(dòng)特性的阻抗耦合子結構分析法

  

阻抗耦合子結構分析法的基本思想是:以主軸刀柄刀具所組成的裝配體為研究對象,將主軸系統分為若干子結構;每個(gè)子結構都過(guò)有限元法或相關(guān)梁理論,求出子結構端點(diǎn)的頻響函數;利用平衡及相容性條件,將各子結構進(jìn)行耦合,最終建立起整個(gè)裝配體的頻響函數矩陣。

 

三、主軸軸承動(dòng)力學(xué)特性

  

為了將軸承動(dòng)力學(xué)特性引入到主軸系統動(dòng)力學(xué)分析中,傳統上,通常是把軸承等價(jià)為線(xiàn)性彈簧阻尼。這是一種近似等效的方法,并沒(méi)有真實(shí)反映出軸承的動(dòng)力學(xué)性能,尤其對于高速加工主軸系統,按這種近似等效的方法往往帶來(lái)很大的分析誤差。高速主軸系統的軸承一般是角接觸球軸承。軸承的位置、軸承的方向、軸承的組合(單組、兩組或幾組構成單點(diǎn)支撐)或軸承預緊力類(lèi)型等都影響軸承系統的動(dòng)力學(xué)性能。因此,需要細化軸承結構的動(dòng)力學(xué)模型,以期真實(shí)反映主軸系統的動(dòng)力學(xué)性能。

 

四、主軸系統動(dòng)力學(xué)特性研究的發(fā)展趨勢

    

隨著(zhù)對數控機床加工精度、加工效率的要求越來(lái)越高,圍繞機床主軸系統的動(dòng)力學(xué)特性的研究顯得越發(fā)重要,體現出以下特點(diǎn):

   

 (1)強調對主軸系統的精準建模,以提高動(dòng)力學(xué)特性的預估精度從研究趨勢上,體現在以下三方面:一是考慮多場(chǎng)環(huán)境的耦合作用對主軸系統進(jìn)行建模,例如,考慮主軸系統慣性力場(chǎng)與熱場(chǎng)的耦合作用進(jìn)行建模研究[;二是加強對主軸軸承系統以及其他結合面的建模、參數辨識研究引入非線(xiàn)性因素),以提高主軸系統動(dòng)力學(xué)分析的精度;三是全面考慮影響主軸系統的動(dòng)力學(xué)特性的因素,例如轉動(dòng)慣量、陀螺力矩、剪切變形、軸向力和內部阻尼等,進(jìn)行主軸系統動(dòng)力學(xué)的綜合建模研究。

   

(2)結合優(yōu)化理論進(jìn)行主軸系統動(dòng)力學(xué)分析與設計可用于主軸系統動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的理論包括拓撲優(yōu)化和參數優(yōu)化。拓撲優(yōu)化是為了獲得最佳的結構件布置,例如,軸承跨矩的確定;參數優(yōu)化是為了獲得主軸系統最佳的幾何及物理參數。主軸系統動(dòng)力學(xué)分析的最終目標,就包含了動(dòng)力學(xué)性能的預估與優(yōu)化,因而,結合優(yōu)化理論進(jìn)行主軸系統動(dòng)力學(xué)分析與設計是主軸系統動(dòng)力學(xué)研究的一個(gè)重要發(fā)展趨勢。

   

(3)主軸系統運轉狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)分析靜止狀態(tài)的主軸系統與高速運轉狀態(tài)的主軸系統,兩者的固有動(dòng)力學(xué)特性是不同的。但是,目前,多數學(xué)者都是在假設二者相等的基礎上進(jìn)行研究,即用靜態(tài)測試得到的動(dòng)力學(xué)性能,仿真模擬運轉狀態(tài)的性能,這對低轉速主軸系統(<10000rpm)是有效的,而對于高轉速主軸系統,分析誤差很大。對于高速加工的主軸系統,軸承的剛度會(huì )隨著(zhù)轉速的增加而降低,表現出變剛度的非線(xiàn)性特性。因而為了精確分析主軸系統的動(dòng)力學(xué)性能,趨向于在運轉狀態(tài)下測試、分析主軸系統的動(dòng)力學(xué)性能。

 

五、結束語(yǔ)

   

本文對數控機床主軸系統動(dòng)力學(xué)分析方法進(jìn)行了綜述研究。主要內容包括:

   

(1)介紹了表征主軸系統動(dòng)力;

   

(2)分別按兩種工況進(jìn)行分析,工況一比工況二變形量大,對立柱影響較大,應重點(diǎn)考慮;

  

 (3)立柱在約束狀態(tài)下其固有頻率和振型與無(wú)約束狀態(tài)相比均發(fā)生了較大變化。約束下的低階頻率明顯降低,低階振型由無(wú)約束狀態(tài)下的彎曲振型變?yōu)橐约s束面為支點(diǎn)的搖擺;

   

(4)A結構的剛度最好,C 結構其次。另外,我們看出簡(jiǎn)單的增加板筋數量,改變單個(gè)板筋形式,并不能提高結構性能。這為今后機床板筋設計提供必要的理論依據。