[发明专利]一种高速电主轴转子-轴承-外壳系统动态设计方法

说明书

本发明提供了一种高速电主轴转子‑轴承‑外壳系统动态设计方法，其包括以下步骤：步骤1，将高速电主轴转子‑轴承‑外壳系统简化为双转子耦合动力学模型；步骤2，高速电主轴转子‑轴承‑外壳系统动态特性分析；步骤3，高速电主轴转子‑轴承‑外壳系统动态设计，以获得尽可能大的转子临界转速和轴端静刚度。采用本发明提供的高速电主轴转子‑轴承‑外壳系统动态设计方法，能够大幅提高该类电主轴动态设计精度，并缩短设计周期，为该类高速电主轴设计提供有效的方法。

技术领域

本发明涉及一种高速电主轴转子-轴承-外壳系统动态设计方法，属于高速切削加工机床主轴单元设计领域。

背景技术

高速精密电主轴特别适用于深孔加工(如内圆磨削)。面向深孔加工要求的电主轴，一般采用电机后置式布局，以缩小轴端的径向尺寸。由于电主轴外壳外径小，加之悬伸长，在机床上安装时，又只能夹持电机端，导致电主轴及其刀具呈现出超长悬臂式结构，大幅度降低了电主轴的轴端刚度和转子系统临界转速。从转子动力学角度看，该类电主轴属于转子-轴承-外壳耦合转子系统。因此，在电主轴设计阶段，不能直接将外壳简化为刚体，忽略外壳挠曲变形对电主轴动态特性的影响，而必须建立该类高速电主轴转子-轴承-外壳耦合的动力学模型，进而开展基于动力学模型的高速电主轴转子-轴承-外壳系统动态设计。

针对上述高速电主轴，目前国内外主要形成了两种处理外壳的方法：(1)将电主轴转子-轴承-外壳系统视作静态悬臂梁，该方法可通过挠度分析计算转子的轴端静刚度，但忽略了由高速引起的轴承刚度软化效应和转子陀螺效应，电主轴转子临界转速的计算结果误差较大，存在误导电主轴动态设计的风险；(2)采用商用软件建立电主轴的三维模型，再在仿真模块中对其进行动态特性分析，该方法同样忽略了由高速引起的轴承刚度软化效应和转子陀螺效应，计算精度较低；同时建模过程复杂而繁琐，求解费时，不利于开展电主轴转子动力学特性灵敏度设计。

因此，需要发明一种面向高速电主轴转子-轴承-外壳系统的动态设计方法，以大幅提高该类电主轴动态设计精度，并缩短设计周期。

发明内容

技术问题：针对传统高速电主轴设计方法中存在的问题，本发明提供了一种高速电主轴转子-轴承-外壳系统动态设计方法，旨在大幅提高电主轴动态设计精度，降低设计风险、缩短设计周期。

技术方案：本发明所述一种高速电主轴转子-轴承-外壳系统动态设计方法，包括以下步骤：

步骤1：将高速电主轴转子-轴承-外壳系统简化为双转子耦合动力学模型；

步骤2：高速电主轴转子-轴承-外壳系统动态特性分析；

步骤3：高速电主轴转子-轴承-外壳系统动态设计，以获得尽可能大的转子临界转速和轴端静刚度。

其中，

步骤1所述将高速电主轴转子-轴承-外壳系统简化为双转子耦合动力学模型，具体为：主轴转子和外壳-轴套组件均简化为由N段无质量梁单元连接的离散质量，在主轴转子与外壳-轴套组件不满足逻辑对齐的分段引入虚质量；砂轮和电机转子处理为考虑陀螺效应的刚性圆盘；滚动轴承等效为同时具有线刚度和角刚度的弹簧元件；轴套与机床联接处也等效为弹簧元件。

步骤2所述高速电主轴转子-轴承-外壳系统动态特性分析具体包括：

步骤2a：采用整体单元传递矩阵表征相邻状态向量之间的传递关系；

步骤2b：根据全局传递关系计算高速电主轴转子-轴承-外壳系统的临界转速和相应振型；

步骤2c：采用考虑不平衡量的整体单元传递矩阵表征相邻状态向量之间的传递关系；

步骤2d：根据考虑不平衡量的全局传递关系计算高速电主轴转子-轴承-外壳系统的轴端静、动刚度。