紧凑型高速电主轴拉刀机构静动态特性分析与优化

介绍了紧凑型高速电主轴的结构设计,建立了主轴-拉刀机构双转子系统模型,研究了电主轴拉刀机构的静动态特性,得到了工作状态下电主轴的静态位移、振型、固有频率以及关键点的响应位移。对主轴-拉刀材料、轴承预紧力、轴承组跨距、主轴-拉刀接触刚度以及主轴-刀柄接触刚度等参数进行优化设计。结果表明优化后电主轴的静动刚度均满足要求、固有频率提高、电主轴安全工作频率区间增大。电主轴模态测试结果证明了以上结果的可靠性。该研究为紧凑型高速电主轴的设计提供了理论基础。     

空气静压电主轴特性分析与实验

空气静压电主轴是数控机床的关键功能部件之一,主要围绕其动态特性进行分析研究。首先,针对空气静压电主轴结构及轴承结构进行分析。然后,基于空气静压电主轴的动力学建模,对其进行模态分析和谐响应分析。最后,针对空气静压电主轴进行动态测试实验,并对比仿真分析结果和实验测试结果。研究表明载荷的大小决定了空气静压轴承的偏心率,同时对电主轴前端的刚度起决定性作用。谐响应分析表明在主轴固有频率左右,空气静压电主轴前端的振动位移较大。     

机床电主轴有限元建模与优化设计

根据几何参数和简化原则建立电主轴实体模型。采用滚动轴承拟静力学模型准确计算轴承刚度,建立主轴-轴承系统有限元模型,设计模态测试实验较好地验证了仿真结果。基于主轴有限元模型,以主轴转子外圆直径、内孔直径、悬伸量、支承跨距以及轴承配置形式为设计变量;以主轴转子一阶固有频率最大和质量最轻为优化目标;以主轴转子前端静变形、最大应力、主轴各段尺寸均在限定范围内为约束条件,对电主轴转子进行优化设计。将提出的优化方法应用于某磨齿机电主轴,优化后主轴一阶固有频率提高33%,质量减轻21%,实现了电主轴高刚性和轻质量优化目标,为电主轴数字化设计提供技术支持。     

高速电主轴动刚度的计算与测试方法

为了考察高速砂轮主轴在高速运转下的动态特性,构建了基于角接触球轴承的拟静力学数值模型的电主轴支撑刚度的计算方法,并设计了基于工作转速下的高速砂轮主轴动态支撑力、相对位移的动刚度测试方法,搭建了高速砂轮电主轴动刚度的测试平台。研究分析了高转速精密机床中使用的HCB71902-C-T-P4S高速角接触球轴承在不同预紧力下动刚度随转速变化的规律。在选择轻预紧11N下,实验测试结果与计算所得支撑刚度保持一致,当转速超过50 000r/min后径向动刚度趋于稳定在180N/μm左右。高速电主轴支撑刚度的变化规律研究为改善精密机床工作性能提供了重要的理论基础。     

超高速气体静压电主轴支承结构的优化设计

对于高精密、高精端、超高速的加工机床而言其核心部件毫无争议是静压轴承,而根据轴承—主轴系统支承理论,电主轴的抗弯刚度和气体轴承的静刚度决定了气体静压电主轴系统的承载能力和静刚度。因此,提高电主轴的综合性能,轴承的配置形式对于电主轴的承载能力也是至关重要的,对于不同的配置形式对应电主轴系统有着不同的系统稳定性和抗弯刚度。利用ANSYS软件将轴承和主轴进行了整体的装配结构设计后,利用流固耦合方法对提出的四种不同的支承形式分别进行了分析比较从而优选出最佳的支承形式。     

高速电主轴支承刚度计算及模态分析

以某型号数控磨床用高速电主轴为研究对象,基于滚动轴承静力学推导了高速电主轴常用支承—角接触球轴承计及预紧接触角变化的径向刚度和多联组配轴向刚度计算公式,结果显示该计算公式比现有文献中相关计算更准确,讨论了轴向预紧力对支承刚度的影响规律。在得到支承刚度的基础上,在ANSYS中采用弹簧单元COMBIN14模拟主轴轴承支承,基于ANSYS对主轴部件进行了不同轴向预紧力和不同转速下的模态分析,讨论了转速和轴向预紧力对电主轴模态的影响。     

基于有限元流固耦合方法的高速空气主轴特性分析

采用有限元流固耦合法对高速大功率空气静压电主轴特性进行有限元分析研究,得到电主轴特性的理论数据.对全支承型式的空气静压主轴刚度与传统的两支承型式的主轴刚度进行对比分析,为后续对轴承的支承结构和主轴的动静态特性进行优化提供必要的理论依据.     

考虑磨削力的磁悬浮磨床电主轴转子系统动态特性分析

以电磁轴承支承的磨床电主轴为研究对象,建立了转子的弹性支承模型,对其进行了模态分析,得出转子固有频率随支承刚度变化的规律;对施加磨削力时转子的稳态响应特性进行了分析,根据危险界面的节点位移,初步确定了主轴系统的稳定性。     

高速精密电主轴轴承的动态特性分析与试验

基于ANSYS分析方法,以支承高速精密电主轴磨床中的HP7005CTA角接触球轴承为研究对象,进行模态分析和谐响应分析。结果表明:增大电主轴支承轴承的刚度和改善电主轴整体结构的抗振性,均可用于提高电主轴动态特性;电主轴在激励频率附近振动幅值较大,而相比之下,在其他频率处振动幅度较小。     

电主轴动态特性分析及结构优化

以某高速数控车削中心的电主轴为研究对象,建立了电主轴的有限元模型。以等效弹簧单元来模拟轴承对电主轴的支承刚度,同时将电动机转子部分视为分布质量单元附加在电主轴的相应安装位置。对电主轴有限元模型进行了动态特性分析,获得了各阶固有频率及振型。通过LMS模态测试设备对电主轴进行模态测试,测试结果与有限元计算结果的误差在10%以内,验证了此有限元模型的正确性。最后,在有限元模型的基础上进行了轴承支承跨距的优化分析,提高了电主轴的固有频率。     

偏载下大长径比水润滑轴承分布式动特性参数识别方法

为了解决偏载下大长径比水润滑轴承分布式动特性参数识别问题,建立水润滑轴承的两支点分布式动力学模型,提出水润滑轴承分布式动特性参数的识别方法,并验证该动特性识别方法的可靠性。通过仿真试验,引入加载和位移信号扰动对轴承分布式动特性参数识别的精度进行分析,开展偏载水润滑轴承分布式动特动特性试验。结果表明：随着激振力振幅扰动的增加,刚度和阻尼系数的识别误差线性增加;激振力相位扰动对刚度系数的影响较小,对阻尼系数的影响较大;随着位移幅值扰动的增加,刚度和阻尼系数的识别误差增加;位移信号的相位扰动对刚度系数的影响较小,对阻尼系数的影响较大;若要求刚度和阻尼的识别误差小于10%,则激振力和位移信号的扰动幅值应小于10%;若要求刚度和阻尼的识别误差小于20%,则这2个信号的扰动相位扰动偏差应小于1°。     

考虑激振频率的可倾瓦推力轴承动特性理论与试验研究

为了研究激振频率对可倾瓦推力轴承动特性的影响,提出考虑激振频率的动特性建模方法和试验方法。依据可倾瓦轴承刚度和阻尼定义,将激振频率引入可倾瓦推力轴承动特性计算过程,通过建立轴向扰动下的膜厚方程、雷诺方程及瓦块运动方程,推导出包含激振频率的可倾瓦推力轴承动特性数学模型,计算分析刚度和阻尼随扰动频率(激振频率与主轴转频的比值)、转速及载荷的变化规律;采用脉冲激振法在可倾瓦推力轴承试验台进行动特性试验,得到不同激振频率、转速及载荷条件下刚度、阻尼的试验结果,并和相应的理论计算值进行对比分析。结果表明：当扰动频率较小时,可倾瓦推力轴承刚度随其增加而逐步增大,阻尼随其增加而逐步减小;当扰动频率增加到一定程度后,其刚度和阻尼逐步趋于稳定。此外,转速和载荷对其刚度和阻尼随扰动频率的变化幅度基本无影响。     

Dynamic characteristics of spindle with water-lubricated hydrostatic bearings for ultra-precision machine tools

A key component of ultra-precision machine tools is the spindle. The motivation for this study was to improve machining accuracies in precision cutting and grinding by pursuing improvements in the spindle characteristics by designing a sophisticated spindle with water-lubricated hydrostatic bearings. The static bearing stiffness of the developed spindle was investigated in previous studies. In addition to the static bearing stiffness, the dynamic characteristics regarding bearing stiffness also affect significantly on the machining results. In this study, dynamic characteristics of the developed spindle with water-lubricated hydrostatic bearings were investigated via simulations and experiments. Not only bearing dynamics but also rotor dynamics were considered in this study.In the simulation studies, the spindle dynamic characteristics were analysed based on the transfer matrix method. A spindle rotor supported with hydrostatic bearings was represented by discrete sections of the rotor. The mathematical model of transverse linear vibrations of the spindle rotor was derived with distributed parameters for these discretized rotor sections. As a result of the analysis on the amplitude-frequency characteristic, radial displacements of the rotor due to bearing displacement and bending deformation were defined. Then, the frequency characteristics were represented with Nyquist plots. Resonant frequencies and amplitudes formation in the transverse vibration of the rotor were determined. The influence of rotor bending deformations on spindle compliance was assessed. Furthermore, the study examined the influences of the supply pressure of the lubricating fluid, radial clearance and journal diameter of the hydrostatic bearings on the amplitude of the rotor vibration, and the resonance frequency of the system.Furthermore, the dynamic characteristics of the spindle were examined experimentally. The simulation results were in good agreement with the actual spindle dynamics obtained experimentally. The influence of the structural parameters of the rotor and the operating parameters of the bearings on the spindle dynamic characteristics was also determined. It was verified that the amplitude of the vibration of the rotor overhang part was dominantly affected not by bearing stiffness but by bending stiffness of the bearing journal of the front bearing and the length of the rotor overhang.Then it was verified that the resultant displacement of the rotor in the radial direction due to the influence of the bearing characteristics and the structural effect of the rotor is significantly small. Practical recommendations to improve the spindle design in terms of the dynamic characteristics of the spindle with water-lubricated hydrostatic bearings were also derived.     

基于球轴承刚度计算的电主轴结构分析与优化

电主轴的结构,动态特性对数控机床的加工效率和精度的影响很大。对角接触球轴承电主轴单元进行了静刚度分析,在有限元软件ANSYS中建立了电主轴球轴承-转子系统的参数化有限元模型,并以提高电主轴的静刚度为优化目标,对电主轴的支承跨距和电机的安装位置进行了优化分析及计算,并对优化前后的电主轴系统进行了模态分析,对比其前三阶频率及振型的变化,得出了相关结论。     

超高速磨削机床主轴系统模态分析

针对液体动静压轴承支撑的超高速磨削主轴系统工作的特殊性,在机床工作过程中,主轴高速旋转,动静压轴承的支撑刚度随转速动态变化.为了解主轴系统工作过程中的动态特性,应用Flunent软件求解液体动静压轴承的动态支撑刚 度,而后在此基础上利用有限元分析软件ANSYS建立超高速磨床主轴系统的三维有限元模型,并对其进行模态分析,得到了各阶固有频率和振型.通过设置不同转速下轴承的支撑刚度,获得主轴系统模态分析结果,并利用图解法求解出主轴系统的临界转速.分析结果表明主轴系统在高速旋转状态下,系统的结构刚度会发生变化,使主轴系统的固有频率改变,并且随着转速提高差异越显著.通过振动试验测试验证仿真分析的可靠性,经分析可知,试验与仿真的误差主要来源于支撑模型的简化.     

轴承载荷对转子系统各支承的耦合振动分析

以多支承转子 轴承 弹性基础系统为研究对象,对多支承转子系统某支承处轴承载荷变化引起不同支承点处轴及轴承的耦合振动响应进行了研究。首先,建立了多支承转子系统支承间的耦合振动模型,并进行了仿真和试验,耦合振动模型考虑了每个支承处的油膜耦合效应,通过轴承载荷敏感度矩阵得到各支承耦合力;然后,利用龙格库塔法对油膜刚度为定刚度和动刚度两种情况下的转子系统进行了数值分析及仿真;最后,在8支承转子试验台上进行试验,采取改变某一支承处的位移来得到轴承载荷的变化,并提取各支承处的振动信号。结果表明,轴承位置在稳态和瞬态两种情况下改变时振动响应明显不同,油膜刚度为动刚度的分析结果更为合理。     

试验台约束对滑动轴承动特性识别精度的影响

在滑动轴承的动特性测试中,试验台参数对动特性测试精度有重要的影响。以某倒置式轴承动特性试验台为研究对象,基于轴承动力学正反问题,提出滑动轴承动特性系数识别精度的仿真评估方法,分析不同激振频率时试验台约束参数对轴承动特性系数识别精度的影响规律,并对激振频率和约束参数的取值范围进行优选。结果表明：在较低激振频率的条件下,当约束刚度和约束阻尼取值较小时,动特性系数的识别精度受测试误差的影响不大,随着约束刚度和约束阻尼取值增大到一定值,动特性系数的识别精度受测试误差的影响迅速增大。针对研究的试验台,选择激振频率在30~300 Hz之间,选择试验台约束刚度小于试验轴承刚度的0.3%,试验台约束阻尼小于试验轴承阻尼的7%时,能够保证较好的轴承动特性系数的测试精度。     

高刚度数控车床主轴有限元分析

基于对具有硬质车削功能的高刚度数控车床的主轴相应的高精度、高刚度要求,在对主轴分析研究的基础上,采用弹簧阻尼单元模拟轴承支承,建立主轴的有限元模型,进行静、动态特性分析,并对固有频率随轴承支承刚度的变化关系进行了模拟研究。计算结果表明,采用该方法分析高刚度数控车床主轴单元可以得到满意的结果,为工程设计提供了一定的参考。     

圆柱腔小孔节流空气静压轴承动力学性能研究

为研究轴承参数对气膜刚度、阻尼特性的影响,以圆柱腔小孔节流空气静压支承轴承为例,基于动网格方法,采用数值仿真计算分析轴承气膜在外激励下的动载荷响应特性,计算气膜承载力、刚度和阻尼;考虑气膜厚、气腔尺寸、小孔孔径、供气压与激励特性,基于正交试验设计构造正交表,进行采样计算,采用径向基神经网络模型拟合得到承载力、刚度和阻尼与轴承参数的相关性数学模型;基于得到的数学模型,分析气腔尺寸对轴承动力学性能的影响。研究表明:由于挤压膜效应,激励频率的增加可使气膜刚度增加、阻尼降低;当轴承间隙气容更小时,刚度随激励频率的增加更快。