[發明專利]一種考慮主軸-軸承耦合的混合預緊軸承剛度計算方法

在審

• 申請號: 201510462968.0
• 申請日: 2015-07-31
• 公開（公告）號: CN105069213A
• 公開（公告）日: 2015-11-18
• 發明（設計）人: 趙永勝;王傳國;張愛平;劉志峰;馬澄宇
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

技術領域

本發明屬于主軸軸承剛度分析領域，涉及一種考慮主軸-軸承耦合關系的混合預緊軸承剛度計算方法，該方法運用有限迭代法計算軸承剛度并考慮了混合預緊及主軸-軸承耦合關系的影響。

背景技術

電主軸是數控機床的關鍵部件之一。其特點是將機床主軸與主軸電機合二為一，機床主軸由內裝式電機直接驅動，把機床主傳動鏈縮短為零，從而實現了機床的零傳動。電主軸具有高轉速、大功率、響應快、簡化機床設計、易于實現主軸定位等優點。高速精密軸承技術是電主軸實現高速化和精密化的關鍵。由于定位預緊軸承具有很好的承載能力，定壓預緊軸承具有良好的高速性能，因此電主軸通常采用混合預緊技術，從而兼具有較好的承載與高速性能。主軸與軸承通過軸承內圈配合，在主軸高速切削時，主軸的振動會傳遞給軸承內圈，使內圈產生位移，改變軸承剛度。然而在通常的電主軸設計分析中卻并未考慮這一點，也并沒有考慮混合預緊方式的影響。隨著電主軸的高速化和精密化，有必要考慮混合預緊及主軸-軸承的耦合關系對軸承動剛度的影響。

發明內容

本發明的目的是提供一種考慮主軸-軸承耦合關系的混合預緊軸承剛度計算方法，該方法運用有限迭代法計算軸承剛度并考慮了混合預緊及主軸-軸承耦合關系的影響。該方法首先建立定位預緊軸承、定壓預緊軸承的迭代方程組以及主軸動力學方程，然后以軸承剛度和主軸支撐節點位移(即軸承內圈位移)為耦合量將主軸與軸承進行耦合，最后基于有限迭代法使用Matlab編寫計算程序得到混合預緊軸承的剛度值。

本發明是采用以下技術手段實現的：

1、首先對軸承進行擬靜力學分析，建立滾動體的力平衡方程和定位、定壓預緊軸承的變形協調方程，再由力平衡方程和變形協調方程組成角接觸球軸承的迭代方程組。

2、用有限元的方法，考慮5個方向的自由度，建立主軸的動力學方程。

3、以軸承剛度和主軸支撐節點位移(軸承內圈位移)為耦合量對主軸、軸承進行耦合。

4、按照計算流程編寫Matlab程序計算軸承剛度。

本發明的特點在于考慮了混合預緊及主軸-軸承耦合關系對軸承剛度的影響，能夠對軸承在承載、高速切削工況下的動剛度進行精確計算。本發明提供的方法可為電主軸的設計及使用提供指導。

通過下面的描述并結合附圖說明，本發明會更加清晰，附圖說明用于解釋本發明方法及實施例。

附圖說明

圖1主軸-軸承系統工作狀態示意圖

圖2滾動體的受力分析

圖3定位預緊軸承幾何關系

圖4定壓預緊軸承的幾何關系

圖5主軸-軸承的耦合關系

圖6軸承剛度計算流程圖

圖7主軸-軸承系統示意圖

圖8主軸有限元模型

圖9各工況下的軸承剛度，其中(a)為軸承A剛度；(b)為軸承B剛度；(c)為軸承C剛度。

具體實施方式

本發明實施一種考慮主軸-軸承耦合關系的混合預緊軸承剛度計算方法，下面結合附圖，對本發明的實施進行具體說明。

圖1為主軸-軸承系統工作狀態示意圖。如圖所示，主軸前端軸承采用定位預緊，后端軸承采用定壓預緊。虛線表示靜止狀態，實線表示工作狀態。主軸在高轉速及切削載荷作用下產生動態位移，主軸支撐節點及軸承內圈位移為{qi}、{qj}、{qk}。定位預緊軸承的外圈視為固定，定壓預緊軸承的外圈可沿軸向滑動。

第一步，建立混合預緊軸承的迭代方程組

1.1滾動體的力平衡方程

如圖2所示為滾動體的受力分析。根據擬靜力學理論，滾動體的水平和豎直方向的平衡方程為：