加工中心用永磁同步電主軸分析
發(fā)布時間：2021-04-02 21:27:51 點擊率：
在當(dāng)代高速制造加工技術(shù)不斷發(fā)展的今天，較高的進給、切削速度以及高加工精度成為了制造業(yè)二次革命性飛躍的重要因素，高速加工技術(shù)已經(jīng)成為世界各國競相發(fā)展的趨勢。電主軸作為現(xiàn)代高速加工中心的主要主軸形式，其具有使用壽命較長、回轉(zhuǎn)精度較高、振動和噪音小、摩擦功耗小等等特點，由于其具有較好的穩(wěn)定性和較高的動態(tài)精度，使得高速加工更容易實現(xiàn)
在實際工作當(dāng)中，作為高速加工中心的核心部件之一，電主軸的旋轉(zhuǎn)速度達到某一特定值時，會出現(xiàn)強烈的振動，轉(zhuǎn)子本身固有頻率和其強迫振動頻率向吻合，引起共振。共振進而引起轉(zhuǎn)子振動過載，同時與軸承之間的相互作用力增大，橫向振動位移也逐漸增大，使得系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性不能得以保證，大大降低了電主軸的使用壽命。因此電主軸臨界轉(zhuǎn)速計算和穩(wěn)定性分析顯得尤為重要。
使用有限元法計算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速時，實際上就是將模型簡化成為若干單元后，通過特定因素將其聯(lián)結(jié)組合。此算法將建模過程簡化，不需要列出轉(zhuǎn)子運動方程式，借助于計算機能夠進行復(fù)雜大型模型計算，具有較快的計算速度［］。傳遞矩陣法經(jīng)過幾十年的完善和發(fā)展具有顯著的特征，當(dāng)模型自由度增加時矩陣維數(shù)保持不變，編程求解過程簡單，計算量大大減小進而節(jié)省計算時間，但是在進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)大型轉(zhuǎn)子模型計算時，會出現(xiàn)根的值上下溢出的現(xiàn)象。
本文使用加時間因子的傳遞矩陣計算方法，能夠有效的解決前人方法中根的值上下溢出的問題，同時大大提高了計算精度。在進行不平衡響應(yīng)分析時，繪制三維圖形，能夠更加直觀的反應(yīng)電主軸工作時的響應(yīng)情況，并且結(jié)合對數(shù)衰減率曲線，使得判斷穩(wěn)定性裕度的結(jié)果更加準(zhǔn)確。
1 電主軸臨界轉(zhuǎn)速計算
1． 1 轉(zhuǎn)子離散化
進行解析計算的第一步是要將轉(zhuǎn)子進行離散化處理，實際上就是把整個軸看成是由無質(zhì)量的變截面彈性軸段和剛性的質(zhì)量圓盤組合而成。圖 1 為本文所研究的電主軸簡圖，節(jié)點的選取在軸截面突變處以及質(zhì)心處，本實例中，將轉(zhuǎn)子劃分為 18 個軸段，19 個節(jié)點，同時在質(zhì)量點附加相應(yīng)的質(zhì)量以及轉(zhuǎn)動慣量，其他節(jié)點省略，圖中標(biāo)出 4、7、14、16 點為軸承支撐點。
在進行轉(zhuǎn)子離散化處理時主要遵循的原則是集中質(zhì)量原則，實際上就是將軸系的整體質(zhì)量集中分散到各個軸段上，此法的核心原則就是要保證軸系的質(zhì)心位置不變，同時簡化之后的總質(zhì)量與簡化之前的總質(zhì)量相等，兩種模型的狀態(tài)相同。在進行轉(zhuǎn)動慣量集中時，遵循轉(zhuǎn)動慣量不變的原則，每設(shè)置一個節(jié)點則節(jié)點兩端的軸段軸截面相同。
在實際工作當(dāng)中，作為高速加工中心的核心部件之一，電主軸的旋轉(zhuǎn)速度達到某一特定值時，會出現(xiàn)強烈的振動，轉(zhuǎn)子本身固有頻率和其強迫振動頻率向吻合，引起共振。共振進而引起轉(zhuǎn)子振動過載，同時與軸承之間的相互作用力增大，橫向振動位移也逐漸增大，使得系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性不能得以保證，大大降低了電主軸的使用壽命。因此電主軸臨界轉(zhuǎn)速計算和穩(wěn)定性分析顯得尤為重要。
使用有限元法計算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速時，實際上就是將模型簡化成為若干單元后，通過特定因素將其聯(lián)結(jié)組合。此算法將建模過程簡化，不需要列出轉(zhuǎn)子運動方程式，借助于計算機能夠進行復(fù)雜大型模型計算，具有較快的計算速度［］。傳遞矩陣法經(jīng)過幾十年的完善和發(fā)展具有顯著的特征，當(dāng)模型自由度增加時矩陣維數(shù)保持不變，編程求解過程簡單，計算量大大減小進而節(jié)省計算時間，但是在進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)大型轉(zhuǎn)子模型計算時，會出現(xiàn)根的值上下溢出的現(xiàn)象。
本文使用加時間因子的傳遞矩陣計算方法，能夠有效的解決前人方法中根的值上下溢出的問題，同時大大提高了計算精度。在進行不平衡響應(yīng)分析時，繪制三維圖形，能夠更加直觀的反應(yīng)電主軸工作時的響應(yīng)情況，并且結(jié)合對數(shù)衰減率曲線，使得判斷穩(wěn)定性裕度的結(jié)果更加準(zhǔn)確。
1 電主軸臨界轉(zhuǎn)速計算
1． 1 轉(zhuǎn)子離散化
進行解析計算的第一步是要將轉(zhuǎn)子進行離散化處理，實際上就是把整個軸看成是由無質(zhì)量的變截面彈性軸段和剛性的質(zhì)量圓盤組合而成。圖 1 為本文所研究的電主軸簡圖，節(jié)點的選取在軸截面突變處以及質(zhì)心處，本實例中，將轉(zhuǎn)子劃分為 18 個軸段，19 個節(jié)點，同時在質(zhì)量點附加相應(yīng)的質(zhì)量以及轉(zhuǎn)動慣量，其他節(jié)點省略，圖中標(biāo)出 4、7、14、16 點為軸承支撐點。
在進行轉(zhuǎn)子離散化處理時主要遵循的原則是集中質(zhì)量原則，實際上就是將軸系的整體質(zhì)量集中分散到各個軸段上，此法的核心原則就是要保證軸系的質(zhì)心位置不變，同時簡化之后的總質(zhì)量與簡化之前的總質(zhì)量相等，兩種模型的狀態(tài)相同。在進行轉(zhuǎn)動慣量集中時，遵循轉(zhuǎn)動慣量不變的原則，每設(shè)置一個節(jié)點則節(jié)點兩端的軸段軸截面相同。
上一個：加工中心主軸故障分析與維修
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