[發明專利]一種高速電主軸轉子-軸承-外殼系統動態設計方法

有效

• 申請號: 201810927470.0
• 申請日: 2018-08-15
• 公開（公告）號: CN109063356B
• 公開（公告）日: 2019-10-15
• 發明（設計）人: 蔣書運;林圣業
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明提供了一種高速電主軸轉子?軸承?外殼系統動態設計方法，其包括以下步驟：步驟1，將高速電主軸轉子?軸承?外殼系統簡化為雙轉子耦合動力學模型；步驟2，高速電主軸轉子?軸承?外殼系統動態特性分析；步驟3，高速電主軸轉子?軸承?外殼系統動態設計，以獲得盡可能大的轉子臨界轉速和軸端靜剛度。采用本發明提供的高速電主軸轉子?軸承?外殼系統動態設計方法，能夠大幅提高該類電主軸動態設計精度，并縮短設計周期，為該類高速電主軸設計提供有效的方法。

技術領域

本發明涉及一種高速電主軸轉子-軸承-外殼系統動態設計方法，屬于高速切削加工機床主軸單元設計領域。

背景技術

高速精密電主軸特別適用于深孔加工(如內圓磨削)。面向深孔加工要求的電主軸，一般采用電機后置式布局，以縮小軸端的徑向尺寸。由于電主軸外殼外徑小，加之懸伸長，在機床上安裝時，又只能夾持電機端，導致電主軸及其刀具呈現出超長懸臂式結構，大幅度降低了電主軸的軸端剛度和轉子系統臨界轉速。從轉子動力學角度看，該類電主軸屬于轉子-軸承-外殼耦合轉子系統。因此，在電主軸設計階段，不能直接將外殼簡化為剛體，忽略外殼撓曲變形對電主軸動態特性的影響，而必須建立該類高速電主軸轉子-軸承-外殼耦合的動力學模型，進而開展基于動力學模型的高速電主軸轉子-軸承-外殼系統動態設計。

針對上述高速電主軸，目前國內外主要形成了兩種處理外殼的方法：(1)將電主軸轉子-軸承-外殼系統視作靜態懸臂梁，該方法可通過撓度分析計算轉子的軸端靜剛度，但忽略了由高速引起的軸承剛度軟化效應和轉子陀螺效應，電主軸轉子臨界轉速的計算結果誤差較大，存在誤導電主軸動態設計的風險；(2)采用商用軟件建立電主軸的三維模型，再在仿真模塊中對其進行動態特性分析，該方法同樣忽略了由高速引起的軸承剛度軟化效應和轉子陀螺效應，計算精度較低；同時建模過程復雜而繁瑣，求解費時，不利于開展電主軸轉子動力學特性靈敏度設計。

因此，需要發明一種面向高速電主軸轉子-軸承-外殼系統的動態設計方法，以大幅提高該類電主軸動態設計精度，并縮短設計周期。

發明內容

技術問題：針對傳統高速電主軸設計方法中存在的問題，本發明提供了一種高速電主軸轉子-軸承-外殼系統動態設計方法，旨在大幅提高電主軸動態設計精度，降低設計風險、縮短設計周期。

技術方案：本發明所述一種高速電主軸轉子-軸承-外殼系統動態設計方法，包括以下步驟：

步驟1：將高速電主軸轉子-軸承-外殼系統簡化為雙轉子耦合動力學模型；

步驟2：高速電主軸轉子-軸承-外殼系統動態特性分析；

步驟3：高速電主軸轉子-軸承-外殼系統動態設計，以獲得盡可能大的轉子臨界轉速和軸端靜剛度。

其中，

步驟1所述將高速電主軸轉子-軸承-外殼系統簡化為雙轉子耦合動力學模型，具體為：主軸轉子和外殼-軸套組件均簡化為由N段無質量梁單元連接的離散質量，在主軸轉子與外殼-軸套組件不滿足邏輯對齊的分段引入虛質量；砂輪和電機轉子處理為考慮陀螺效應的剛性圓盤；滾動軸承等效為同時具有線剛度和角剛度的彈簧元件；軸套與機床聯接處也等效為彈簧元件。

步驟2所述高速電主軸轉子-軸承-外殼系統動態特性分析具體包括：

步驟2a：采用整體單元傳遞矩陣表征相鄰狀態向量之間的傳遞關系；

步驟2b：根據全局傳遞關系計算高速電主軸轉子-軸承-外殼系統的臨界轉速和相應振型；

步驟2c：采用考慮不平衡量的整體單元傳遞矩陣表征相鄰狀態向量之間的傳遞關系；

步驟2d：根據考慮不平衡量的全局傳遞關系計算高速電主軸轉子-軸承-外殼系統的軸端靜、動剛度。