主轴—刀柄结合面刚度建模方法

为建立高速旋转状态下的主轴—刀柄结合面刚度模型,提出了经典弹性理论和吉村允孝积分法相结合的半解析方法,求解在高速旋转状态下的主轴一刀柄结合面刚度.采用文献[2]的实验数据验证了该方法的有效性.在此基础上建立了在高速旋转状态下的主轴—刀具耦合系统的动力学模型.采用基于Riccati变换的整体传递矩阵法,对主轴—刀具耦合系统的动态特性进行了分析.考察了主轴转速软化结合面刚度因素对系统动态特性的影响.通过对比说明,高速旋转产生的离心力对主轴—刀具耦合系统的动态特性有较大影响;所提的计算模型和方法可以实现高速旋转状态下的主轴刀柄结合面刚度的求解.     

HSK刀柄／主轴联接性能分析

利用弹性力学和有限元方法,对HSK63-A型刀柄主轴联接性能动态特性进行研究和数值模拟.分析了在过盈量、夹紧力、转速改变下对刀柄主轴配合面的接触应力影响.研究为合理使用高速加工刀具提供了理论依据.     

刀柄—主轴系统联结性能有限元接触分析

为提高高速加工的质量,采用有限元接触理论建立了刀柄—主轴系统的联结性能评测模型。对接触面上所有高斯积分点进行接触判定。计算任意两点间的法向距离和法向接触力,以判断是否进入接触状态;计算切向接触力以判断摩擦状态。用罚函数法将不等式形式的判定条件引入非线性有限元变分原理,采用完全New-ton-Raphson方法求解方程组。采用该模型仿真刀柄—主轴接触面的变形状况和应力分布,并用统计方法分析了拉刀力和转速对刀柄—主轴系统联结性能的影响规律。     

机床—主轴耦合系统动力学建模与模型修正

复杂精密零件的加工对机床装备的性能不断提出新的挑战。为了保证零件加工精度,有必要在设计阶段对机床整机的动态特性进行精确预测和评估。以机床主轴系统为研究对象,介绍一种机床—主轴系统耦合动力学模型,并指出该模型中存在结合面动态特性参数的辨识问题。为了修正该耦合模型,提出一种基于频率响应函数的有限元模型修正技术。采用包含平动自由度(Degree of freedom,DOF),转动DOF以及平动与转动耦合DOF的刚度矩阵来描述结合面的动态特性,通过测量结合面处的动态响应数据,辨识出高速主轴与机床之间结合面的刚度参数,从而达到模型修正的目的。试验结果表明,修正后的机床—主轴耦合模型反映出了机床结构对主轴动态特性的影响,能较好地预测主轴安装到机床上以后的动态特性,从而为高性能机床的数字化设计与制造提供理论依据。     

结合部对HSK主轴系统动态特性的影响

根据HSK主轴系统的工作原理,在ANSYS软件中建立了HSK主轴系统的动力学模型。其中,各结合部都简化为均布弹簧单元,各部件简化为多段梁,并使用Timoshenko梁理论和有限元理论系统分析结合部对HSK主轴系统动态特性的影响。模态实验和有限元分析结果对比证实了Timoshenko梁理论分析HSK主轴系统动力学模型动态特性的可行性和有效性。提出结合部对主轴系统各阶模态影响的研究思路,并利用ANSYS有限元软件中的谐响应分析模块,分别研究了轴承-主轴、主轴-刀柄和刀柄-刀具各结合部对HSK主轴-热装刀柄-刀具系统刀尖点频响函数的影响,提出了相应的抗振措施。     

主轴转子系统动力学解析建模方法

传统上主轴转子系统动力学模型中的结合部接触刚度和阻尼系数常通过试验识别的方法来获取,针时该方法通用性差的特点,提出一种可以考虑刀具-夹套、夹套-刀柄以及刀柄-主轴结合部接触特性的主轴转子系统动力学解析建模方法。通过对各联接部件的受力分析,建立结合面接触刚度与各结合部夹紧力和几何参数间的影响关系;考虑到转子系统的轴向、径向和弯曲变形,采用均布2节点6自由度的弹簧-阻尼单元来建立结合部动力学模型;通过综合系统各部件和结合部的动力学方程参数,建立起主轴转子系统的动力学模型。以刀具-BT40刀柄-主轴为对象,进行模态测试。试验结果表明,结合部刚性处理时,系统的前三阶固有频率与试验值最大误差为21.7%;而结合部柔性处理时,系统前三阶固有频率与试验值最大误差降为4.8%,并且根据模型计算得出的刀尖点频响函数与试验测试能更好地吻合,验证了该建模方法的准确性。     

于频响函数分析的主轴-刀柄-刀具结合面轴向分布参数辨识

针对主轴-刀柄-刀具结合面轴向分布参数的精确辨识问题,提出了一种基于频响函数分析的主轴-刀柄、刀柄-刀具结合面建模及参数辨识的方法。该方法根据主轴系统中各零部件之间的连接关系,将轴承-主轴结合面简化为集中的弹性支撑,建立主轴-刀柄、刀柄-刀具结合面参数沿主轴轴向呈离散分布的结合面模型,并通过Cuckoo search算法辨识结合面参数,确定其在轴向上的分布情况。以4刃铣刀为例,基于所辨识的结合面参数,在ANSYS中建立主轴系统的动力学模型,计算刀尖点频响函数,并与实测值进行比较。结果表明：主轴-刀柄、刀柄-刀具结合面参数在轴向上呈现非线性分布,由其确定的刀尖点频响函数计算值和实测值之间的相对误差在4%以内,达到了较高的建模精度。     

基于频响函数分析的主轴-刀柄-刀具结合面轴向分布参数辨识

针对主轴-刀柄-刀具结合面轴向分布参数的精确辨识问题,提出了一种基于频响函数分析的主轴-刀柄、刀柄-刀具结合面建模及参数辨识的方法。该方法根据主轴系统中各零部件之间的连接关系,将轴承-主轴结合面简化为集中的弹性支撑,建立主轴-刀柄、刀柄-刀具结合面参数沿主轴轴向呈离散分布的结合面模型,并通过Cuckoo search算法辨识结合面参数,确定其在轴向上的分布情况。以4刃铣刀为例,基于所辨识的结合面参数,在ANSYS中建立主轴系统的动力学模型,计算刀尖点频响函数,并与实测值进行比较。结果表明:主轴-刀柄、刀柄-刀具结合面参数在轴向上呈现非线性分布,由其确定的刀尖点频响函数计算值和实测值之间的相对误差在4%以内,达到了较高的建模精度。     

考虑夹头与刀具过渡段的主轴系统精确建模

为解决主轴系统刀尖点频响函数预测中的主轴系统子结构划分问题,并提高各子结构建模的精确性,提出基于等转动惯量法对主轴系统中的夹头进行等效建模,基于等平均惯性矩的方法对铣刀的刀齿段和过渡段进行精确建模,以VMC850E主轴系统为研究对象,通过响应耦合子结构法建立主轴系统刀柄—夹头—刀具结合面等效模型,以刀尖点频响函数实验值和理论值误差最小为目标,采用布谷鸟搜索优化算法确定刀柄—夹头、夹头—刀具两个结合面动力学参数.实验结果表明,预测和实测前三阶固有频率之间的误差在1.8％以内,所提方法具有可行性和有效性.     

高速主轴系统非线性动力学建模与数值仿真

为了深入分析主轴-刀柄系统的非线性动力学特性,以高速切削机床的主轴-刀柄系统为研究对象,综合考虑主轴-刀柄结合面及角接触球轴承非线性接触力,基于铁木辛柯梁理论建立了包含转动惯量、剪切变形及偏心质量影响的主轴-刀柄系统有限元动力学模型。对该模型进行数值计算的结果表明,由于主轴-刀柄结合面及支承轴承处非线性接触力的存在,主轴-刀柄振动系统具有非常复杂的周期运动、倍周期运动和混沌运动,倍周期分岔是主轴-刀柄系统通向混沌的主要道路。系统在某些偏心量下经历几次倍周期分岔最终会产生混沌运动,应在实际设计过程中尽量避开该参数区域。     

多约束状态下重载机械式主轴有限元建模及模态分析

重载机械式主轴是重型数控(Computer numerical control,CNC)机床摆角铣头的关键功能部件,具有大功率、大扭矩特点,用于加工大型复杂曲面零件。其有限元建模及模态分析的准确性是主轴进一步动力学分析的基础。基于Timoshenko梁理论建立重载机械式主轴的运动方程,采用有限元法得到主轴的矩阵形式的动力学方程;在有限元软件中分别以实体单元和梁单元对主轴进行有限元建模,对轴承以Combin14弹簧单元建模,并以自由模态和实际工况约束条件下进行重载机械式主轴的模态分析;根据轴承型号计算轴承的径向刚度,作为重载主轴模态分析中弹簧单元的刚度参数;进行主轴锤击模态试验,验证重载机械式主轴多约束状态下模态分析建模及仿真结果的正确性。研究表明,把主轴考虑为Timoshenko梁单元和Beam188梁单元进行主轴有限元建模和模态分析时,结果更为准确,弹簧约束梁方式更符合实际情况。研究结果为重载机械主轴系统的进一步优化设计和精度控制提供依据。     

高速主轴系统静止及运转状态下动力学特性对比分析

在静止和运转状态下,高速主轴系统动力学特性会有一定程度的差异,因此,用静止状态刀尖点频响函数预测主轴系统切削加工过程中的稳定性,有时会引起较大的误差。基于此,在详细介绍高速主轴系统在运转状态下有限元建模及分析方法的基础上,以某高速主轴系统为研究对象,采用有限元法对比分析了该主轴系统静止状态、低速运转状态、高速运转状态时的固有特性和刀尖点频响函数的差异。结果表明,在低速运转状态下,该主轴系统的动力学特性同静止状态下基本相同;而在高速运转条件下,其动力学特性与静止状态下差异较大。为科学地分析同类主轴系统动力学特性和切削稳定性提供参考依据。     

滚动轴承电主轴系统动力学研究综述

综述了滚动轴承电主轴系统动力学建模中轴承建模、主轴-轴承系统建模、电主轴热特性建模和主轴机电耦合传动特性建模的技术现状,评述了电主轴动力学仿真的传递矩阵法、有限元法和软件开发的进展,结合工程实际具体分析了轴承预紧、轴承材料、电主轴发热及主轴机械参数对电主轴动态特性的影响规律,最后展望了滚动轴承电主轴系统动力学研究的未来发展趋势。     

Dynamic Modeling and Eigenvalue Evaluation of a 3-DOF PKM Module

Due to the structural complexity, the dynamic modeling and quick performance evaluation for the parallel kinematic machines (PKMs) are still to be remained as two challenges in the stage of conceptual design. By using the finite element method and substructure synthesis, this paper mainly deals with the dynamic modeling and eigenvalue evaluation of a novel 3-DOF spindle head named the A3 head. The topological architecture behind the proposed A3 head is a 3-RPS parallel mechanism, which possesses one translational and two rotational capabilities. The mechanical features of the A3 head are briefly addressed in the first place followed by inverse position analysis. In the dynamic modeling, the platform is treated as a rigid body, the RPS limbs as the continuous uniform beams and the joints as lumped virtual springs. With the combination of substructure synthesis and finite element method, an analytical approach is then proposed to formulate the governing equations of motion of system using the compatibility conditions at interface between the limbs and the platform. Consequently, by solving the eigenvalue problem of the governing equations of motion, the distribution of lower natural frequencies of the A3 head throughout the entire workspace can be predicted in a quick manner. Modal analysis for the A3 head reveals that the distributions of lower natural frequencies are strongly related to the mechanism configuration and are axially symmetric due to system kinematic and structural features. The sensitivity analysis of the system indicates that the dimensional parameters of the 3-RPS mechanism have a slight effect on system lower natural frequencies while the joint compliances affect the distributions of lower natural frequencies significantly. The proposed dynamic modeling method can also be applied to other PKMs and can effectively evaluate the PKM's dynamic performance throughout the entire workspace.     

高速主轴系统切削稳定性预测及影响因素分析

高速主轴系统切削稳定性直接影响产品的表面加工精度和切削系统的使用寿命,是评价高速主轴系统性能优劣的重要因素,而研究影响切削稳定性的因素并制定提高稳定性的合理途径同样也受到关注。提出从稳定性评价准则及系统频响函数的不同求解方法入手,分析无条件稳定区和有条件稳定区的影响因素,总结出系统所受激励、主轴转速及系统结构是影响切削稳定性的重要因素。以德国GMN高速主轴系统为例,在采用5自由度轴承受力与变形关系模型模拟角接触球轴承和分布式弹簧模型模拟主轴-刀柄-刀具结合部的基础上,建立完整高速主轴系统通用有限元模型;利用三维稳定性叶瓣图、极限切削深度和叶瓣交点随参数的变化曲线表征切削力幅值、转速及阻尼比等参数对切削稳定性的影响规律,为优化加工工艺、提高系统切削稳定性提供理论依据。     

铣床刀柄的受力分析

数控铣床刀柄/主轴连接系统已成为高速加工环境中最薄弱的因素之一,直接影响数控加工的精度、表面粗糙度和安全可靠性。本文采用有限元模拟分析方法,研究了离心力作用下系统的膨胀变形对连接性能的影响。研究结果表明,高速切削对刀具系统进行动平衡具有积极意义。     

机床结合部动力学建模与辨识方法的研究

针对机床结合部动力学建模与辨识过程中对子结构间耦合关系与内部激振对外部响应影响考虑不充分问题,采用频响函数矩阵建立完备的机床结合部动力学理论模型;基于力学平衡条件和位移兼容条件推导了辨识方程,提出一种新的动力学辨识方法;辨识过程中融入了子结构间耦合关系,将难测频响矩阵作为中间变量抵消,避免使用难以测量频响或估算难以测量频响所引入的方程误差。在此基础上,将辨识方程拓展至整个测量频段,构建包含辨识关系的矛盾方程,通过最小二乘法求解确定了结合部的等效动刚度,建立了结构的有限元模型。为验证方法的正确性与可行性,基于LMS试验平台进行了现场试验,获得了良好的试验效果;与缩减维度、忽略内部激振作用的建模方法进行了对比分析,结果表明本文方法具有更好的预测性。     

Thermal analysis of the hydrostatic spindle system by the finite volume element method

The temperature rise of an ultra-precision machine tool has a great impact on machining accuracy. Meanwhile, the hydrostatic spindle system is the main internal heat source of the machine tool, which consists of a hydrostatic spindle and a direct current motor. Therefore, it is very significant to study the thermal behaviors of the hydrostatic spindle system. In this paper, an integrated heat-fluid–solid coupling model of the hydrostatic spindle system is built to simulate the heat generation process and the fluid–structure conjugate heat transfer. Then a finite volume element method (FVEM) is proposed by combining the advantages of the finite volume method (FVM) and the finite element method (FEM) with consideration of the interaction of the temperature field, thermal deformation, and eccentricity. Based on the proposed model and method, the thermal characteristics of the hydrostatic spindle system are studied by the two-way heat-fluid–solid coupling analysis. The temperature variations obtained by the simulation agree well with the experimental results, which validate the proposed model and method.     

基于PATRAN的机床结构快速动力学建模系统的开发

对机床固定结合面进行了研究,建立了机床固定结合部单元。在有限元软件PATRAN平台上,用PATRAN的二次开发工具PCL语言开发了机床结构快速动力学建模系统,利用DMIG数据卡片将实验数据输入到有限元软件PATRAN中,实现了有限元理论模型和实验模型的结合,提高了机床有限元建模的效率和精度。


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数控车床主轴传动系统的动力学优化设计

建立了某数控车床主轴传动系统的有限元动力学模型,对主轴传动系统进行有限元分析;根据有限元分析结果,对主轴跨距变化对主轴动态性能的影响进行了动态分析,得到了主轴的最优跨距。