电主轴动态特性分析及结构优化.pdf

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1、数控加工技术现代制造工程（ＭｏｄｅｒｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）２０１３年第８期电主轴动态特性分析及结构优化王晓明，袁艳（西安微电子技术研究所，西安７１００６５）摘要：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

2、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。关键词：电主轴；动态特性；模态分析；优化中图分类号：ＴＧ５０２文献标志码：Ｂ文章编号：１６７１—３１３３（２０１３）０８—００５３—０３DynamiccharacteristicanalysisandoptimizationdesignoftheelectricspindleＷａｎｇＸｉａｏｍｉｎｇ，ＹｕａｎＹａｎ（Ｘｉ’ａｎＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏ

3、ｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ’ａｎ７１００６５，Ｃｈｉｎａ）Abstract：Ｏｎｅｋｉｎｄｏｆｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｓｐｉｎｄｌｅｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｂｅａｒｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｓｔｉｆｆ-ｎｅｓｓｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉｃｓｐｉｎｄｌｅｗｉｔｈｓｏｍｅｓｐｒｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｓ，ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｍｏｔｏｒｓｔａｔｏｒｐａｒｔａｓｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｍａｓｓｕｎｉｔａｔｔａｃｈ

4、ｅｄｔｏｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｍｏｕｎｔｉｎｇｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｓｐｉｎｄｌｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅ，ｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｓｐｉｎｄｌｅｗａｓａｎａ-ｌｙｚｅｄ，ａｎｄｅａｃｈｏｒｄｅｒｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｍａｐｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．ＢｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅＬＭＳｍｏｄａｌｔｅｓｔｄａｔａａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｅｒｒｏｒｓ

5、ｗａｓｗｉｔｈｉｎ１０％，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｅｄｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｉ-ｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ，ａｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｂｅａｒｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔｓｐａｎｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ，ｗｈｉｃｈｉｍｐｒｏｖｅｄｔｈｅｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｓｐｉｎｄｌｅ．Keywords：ｅｌｅｃｔｒｉｃｓｐｉｎｄｌｅ；ｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉ

6、ｃ；ｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ度，同时将电动机转子部分视为分布质量单元附加在０引言电主轴的相应安装位置，对其进行了动态特性分析。当前，电主轴大量应用于数控机床等高端装备制通过ＬＭＳ模态测试设备对电主轴进行测试，以验证电［１］造业中，其结构的动态性能优劣直接影响机床的加主轴有限元模型的准确性，并根据所建立的有限元模工过程和加工精度，因此，研究电主轴结构的动态性型进行轴承支承跨距的优化分析，以提高电主轴的固能及进行结构优化有着重要的现实意义。有频率。［２-６］目前，很多学者

7、提出了电主轴的有限元建模［１］１电主轴有限元模型及分析方法，其主要为理论建模与动态试验相结合，将支承轴承等效为弹簧和阻尼元件。然而，由于电主轴的１．１电主轴有限元模型结构复杂性及支承轴承在预紧力、外力作用，以及高电主轴组件是机床的重要组成部分之一，其工作［２］转速下的非线性，电主轴动态特性的准确建模成为性能对工件的加工质量和机床生产效率均有重要影一个研究难点。响。机床的主轴刚度是主轴的重要性能之一，它反映为此，本文以某高速数控车削中心的电主轴（工了机床抵抗外载荷的能力，对于高精度机床而言，主作转

8、速为６０００～８０００ｒ／ｍｉｎ）为研究对象，建立了电轴刚度对机床的性能影响则更为重要。设计机床主主轴的有限元模型，模拟了轴承对电主轴的支承刚轴时，均须进行刚度计算，用有限元法分析计算电主５３２０１３年第８期现代制造工程（ＭｏｄｅｒｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）轴组件刚度是一种有效的方法。电主轴组件由前、后性的薄弱环节，为后续进行结构优化奠定基础。电主轴承、主轴、电动机转子、轴上传动零件和卡盘等组轴有限元模态固有频率分析、电主轴振型图分别如表成，电主轴的ＣＡＤ模型如图１所示