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

1、文章編號(hào)：1001-2265(2010 09-0020-03收稿日期:2010-03-05;修回日期:2010-04-133 基金項(xiàng)目：浙江省自然科學(xué)基金(X106874作者簡(jiǎn)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?yàn)闄C(jī)械制造及自動(dòng)化、機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì),(E-mail wushaol ongqzc .cn。基于 ANSYSWorkbe nch 的高速電主軸動(dòng)力學(xué)特性分析3巫少龍 1,張?jiān)?(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(dòng)力響應(yīng)和動(dòng)力穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)特性。以

2、高速、大功率的銑削加工中心電主軸為研究對(duì)象，采用 ANSYSWorkbench 有限元軟件對(duì)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(duì)主軸系統(tǒng)的振動(dòng)的影響。通過模態(tài)分析為進(jìn)一步的動(dòng)力學(xué)分析提供必要的依據(jù)。關(guān)鍵詞：電主軸；動(dòng)力學(xué)分析；ANSYS Workbench 中圖分類號(hào)：TH16; TG65 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: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 引言高速電主軸是高速機(jī)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(dòng)副，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸系

6、統(tǒng)的“零傳動(dòng)” 1。其具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，并改善了機(jī)床 的動(dòng)平衡，避免振動(dòng)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(dòng) 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(jì)時(shí)對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的動(dòng)態(tài)特性研究具有重要的意義。機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力學(xué)特性研究，主要通過對(duì)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行模態(tài)分析來實(shí) 現(xiàn)。它主要研究結(jié)構(gòu)或部件的振動(dòng)特性（固有頻率和主振型，為動(dòng)力學(xué)分析中的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分 析、諧響應(yīng)分析、譜分析提供基本的分析數(shù)據(jù)。通過動(dòng)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(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使零部件滿足 機(jī)床對(duì)加工質(zhì)量和加

7、工精度的要求。隨著數(shù)值計(jì)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(dòng)力學(xué)分析主要通過有限元軟件完成。ANSYSWorkbe nch 是 ANSYS 公司推出的新一代有限元分析?02? ?設(shè)計(jì)與研究？組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)工具。ANSYS Workbench 提供了 W indows 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(gè)新的高度2。ANSYS Workbench 功能強(qiáng)大，適用領(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(dòng)力分析工具，可以很方便地進(jìn)行模態(tài)分析、 諧

8、響應(yīng)分析等各種動(dòng)力學(xué)分析。本文應(yīng)用 ANSYS Workbe nch 有限元軟件 對(duì)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(dòng)態(tài)特性的措施 。1 高速電主軸動(dòng)力學(xué)特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)機(jī)械設(shè)計(jì)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(dòng)力學(xué)特性，包括：固有特性、動(dòng)力響應(yīng)和動(dòng)力穩(wěn)定性。111 固有特性固有特性是評(píng)價(jià)動(dòng)力學(xué)特性的第一個(gè)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)速和主振型。電主軸軸系由軸本身、上的傳動(dòng)件、,嚴(yán)重時(shí)造成軸、，而當(dāng)轉(zhuǎn)

9、速在臨界轉(zhuǎn) 速的一定范圍之外時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)即趨平穩(wěn)。對(duì)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（r pm , 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(shí)考慮全部影響因素，準(zhǔn)確計(jì) 算臨界轉(zhuǎn)速的數(shù)值是困難的，也是不必要的。實(shí)際上，常按照不同的設(shè)計(jì)要求，根 據(jù)主要影響因素，建立響應(yīng)的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，求得臨界轉(zhuǎn)速的近似值。112 動(dòng)力 響應(yīng)動(dòng)力響應(yīng)是評(píng)價(jià)機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)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(dòng)力響應(yīng)的 指標(biāo)有三個(gè)：（1 在分析機(jī)械振動(dòng)引起結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)位移，及其對(duì)機(jī)器工作能力的影

10、響時(shí)，使用 動(dòng)剛度或動(dòng)柔度；（2 在分析機(jī)械振動(dòng)對(duì)人體感受的舒適性，以及振動(dòng)引起噪聲的大 小時(shí)，使用機(jī)械阻抗或機(jī)械導(dǎo)納；（3 在分析機(jī)械振動(dòng)引起結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，以及結(jié) 構(gòu)的疲勞損傷時(shí)，使用動(dòng)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(dòng)時(shí)，最主要的后果將是主軸前端帶著刀具或工件一起振動(dòng) 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(duì)受迫振動(dòng)的抵 抗能力，主要決定于主軸前端在機(jī)床工 作時(shí)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(dòng)力穩(wěn)定性機(jī)構(gòu)的動(dòng)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(gè)機(jī)構(gòu) 的動(dòng)力穩(wěn)定性的好壞主要取決于系統(tǒng)的阻尼，

11、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?yàn)橛捎诟蓴_ 而產(chǎn)生的振動(dòng)能量最終會(huì)被系統(tǒng)的正阻尼 消耗掉，系統(tǒng)最終會(huì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)了電機(jī)與機(jī)床主軸之間的“零傳動(dòng)”其示 意圖如圖 1 所示o圖 1 加工中心用電主軸示意圖對(duì)電主軸來說，其徑向振動(dòng)是

12、影響其動(dòng)態(tài)性能的主要因素。為了計(jì)算方便，對(duì) 個(gè)電主軸模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)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(jiǎn)化 為與軸芯粘在一起，等效為同密度軸材料，建模時(shí)按一體化處理；(2將角接觸球軸承簡(jiǎn)化為彈性支承，支點(diǎn)位置在接觸線與主軸軸線的交點(diǎn)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(jiǎn)化為徑向的 壓縮彈簧質(zhì)量單元；(4 每個(gè)軸承在圓周方向等效分布四個(gè)彈簧，如圖 2 所示，忽略軸承負(fù)荷及轉(zhuǎn)速 對(duì)軸承剛度的影響,? 1 2?2010 年第 9 期？設(shè)計(jì)與研究？視軸承剛度為一個(gè)不變常數(shù)。在已知軸向預(yù)緊力F a 0 的條件下，角接觸球軸承的徑向剛度可近似按如

13、下公式計(jì)算4K r =1717236 (Z2? D b1/2asin 1/3a(F a 0 1/3(N / 卩 m (2式中,Z 為滾珠數(shù)目；D b 為滾珠直徑；為接觸角；F a 0 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(duì)其進(jìn)行 定位，并施加一定 的預(yù)緊力進(jìn)行預(yù)拉伸；對(duì)后端深溝球軸承，因?yàn)樯顪?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(dòng)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(duì)于深溝球軸承，對(duì)其進(jìn)行輕微預(yù)緊后，會(huì)產(chǎn)生一定的工作壓力角，這個(gè)

14、壓力 角稱為深溝球軸承的公稱接觸角，因此對(duì)深溝球軸承的剛度計(jì)算也按照角接觸球 軸承的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)公式（1 分別可計(jì)算得到前、后軸承的徑向 剛度:K r 仁38715N /I6M-I0I0 ,K r 2=32319N /。卩 r 圖 2 軸承簡(jiǎn)化彈簧分布示意圖根據(jù)上述簡(jiǎn)化原則,采用 Pro /E 三維設(shè)計(jì)軟件建立電主軸的實(shí)體模型（如圖 3 所示,并將該模型導(dǎo)入 ANSYS Workbench 的Si mdFpIV ymjtURK；frfCLMJK* |y|n|if|3|ll |MM常助U*|P住gKUCil1 WVW- *4D|r91K1ulati on 模塊；為了提高有限元分析結(jié)果精

15、度，選用六面體實(shí)體單元對(duì)電主 軸 進(jìn)行網(wǎng)格劃，得到如圖 4 所示有限元模型。圖 3電主軸實(shí)體模型X軸承外圈軸承內(nèi)圈UkM-jajoV*本文軸承支承方式為一端固定一端游動(dòng)，前軸承為固定端，故約束其全部自由度，后軸承為游動(dòng) 端，其軸向有游動(dòng)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)。x t 町+K x (t =F (t (3,、C 和K 分別為總體質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度

16、矩陣；X (t 、 x (t 、 x (t 分別為節(jié)點(diǎn) 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(dòng)力學(xué)方程，即用有限元法來 解決彈性體的動(dòng)力學(xué)問題的基 本方程。當(dāng)彈性體的動(dòng)力基本方程中的外力向量F (t =0 時(shí)，便可得到該系統(tǒng)的自由振動(dòng)方程：M X(t +Cx (t +K x (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(dòng)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(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響大，低階振型對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性起決定作用，故進(jìn)行結(jié)構(gòu) 的振動(dòng)特性分 析時(shí)通常取前 510 階即可。經(jīng) ANSYS Workbench 計(jì)算后,

17、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(dòng)，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 -35541559314160718161517振型平動(dòng)扭轉(zhuǎn)一階擺動(dòng)一階彎曲二階擺動(dòng)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(yè)？22? ?設(shè)計(jì)與研究？組合機(jī)床與自動(dòng)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(duì)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?。辉黾?刀具懸伸量，切削力 大小不同，但切

18、削力和刀具懸伸長(zhǎng)度沒有正比或反比關(guān)系。實(shí)際上存在著一個(gè)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(shí)臨界懸伸量也會(huì)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(shì)。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)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銑削 2A12 鋁合金時(shí)各切削分力關(guān)于主軸轉(zhuǎn) 速和刀具懸伸量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過顯著性檢驗(yàn)可知該模型與實(shí)際情況擬合較好。 該方法可以推廣到多個(gè)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),2007.2 艾興，等.高速切削加工技術(shù)M.

19、北京：國(guó)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(zhǎng)度試驗(yàn)研究J .工具技術(shù),2004, 38(3 :76-78.4 閆雪.難加工材料高速銑削切削力研究D.西安:西北工業(yè)大學(xué),2007.劉振學(xué)，黃仁和，田愛民.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理M.北京：化學(xué)工業(yè)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,

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