高速電主軸動(dòng)力學(xué)分析與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、高速加工能顯著地提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品加工質(zhì)量，是制造業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)，也是一項(xiàng)非常有前景的先進(jìn)制造技術(shù)。實(shí)現(xiàn)高速加工的首要條件是高質(zhì)量的高速機(jī)床，而高速機(jī)床的核心部件是高速電主軸單元，它實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，是一種新型的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，其性能好壞在很大程度上決定了整臺(tái)機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)效率。
　　本文在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《高速電主軸機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)分析及仿真與實(shí)驗(yàn)研究》（項(xiàng)目編

2、號(hào)50675233）、重慶市重大科技攻關(guān)項(xiàng)目《裝備制造業(yè)典型基礎(chǔ)部件關(guān)鍵技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化》（項(xiàng)目編號(hào)CSTC,2006AA3010）和重慶市科技攻關(guān)項(xiàng)目《高速高性能主軸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及典型應(yīng)用》（項(xiàng)目編號(hào)CSTC,2005AC3029）的資助下，對(duì)高速電主軸進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)研究，主要做了以下幾個(gè)方面的工作：
　　針對(duì)高速電主軸系統(tǒng)具有復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出對(duì)高速電主軸系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)電耦合分析的觀點(diǎn)；從機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)出發(fā)，提煉并歸

3、納了高速電主軸系統(tǒng)中存在的多物理過(guò)程、多參數(shù)耦合現(xiàn)象；討論了高速電主軸系統(tǒng)中存在的全局機(jī)電耦合關(guān)系，給出了高速電主軸系統(tǒng)的全局耦合結(jié)構(gòu)；分析并研究了高速電主軸電機(jī)—主軸子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和局部耦合情況，建立其物理模型，采用變分原理法推導(dǎo)其數(shù)學(xué)模型，建立了該子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。
　　基于傳遞矩陣法對(duì)高速電主軸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)并進(jìn)行分段建模，對(duì)軸系中典型單元的狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述；針對(duì)電主軸結(jié)構(gòu)的特殊性，修改了簡(jiǎn)化

4、模型中部分典型單元的狀態(tài)向量，得到電主軸的傳遞矩陣方程即軸系的頻率方程；以60000 r/min電主軸為例，描述了用修改后的傳遞矩陣方程對(duì)其進(jìn)行求解的計(jì)算過(guò)程，得到了該電主軸的固有頻率及振型。
　　在應(yīng)用傳遞矩陣法對(duì)電主軸進(jìn)行機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)電主軸的偏心狀態(tài)，結(jié)合電磁學(xué)對(duì)電主軸進(jìn)行的力學(xué)分析，建立此時(shí)軸系的傳遞矩陣方程；綜合電磁學(xué)與機(jī)械動(dòng)力學(xué)的分析結(jié)果，修改典型單元的狀態(tài)向量，推出偏心電主軸的傳遞矩陣方程，將軸系的邊界

5、條件代入傳遞矩陣方程，得到軸系的頻率方程；并利用機(jī)電動(dòng)力學(xué)的方法分析了電主軸發(fā)生偏心時(shí)由電磁力激發(fā)的振動(dòng)，應(yīng)用拉格朗日—麥克斯韋方程，導(dǎo)出電主軸偏心狀態(tài)下的振動(dòng)方程和轉(zhuǎn)動(dòng)方程。
　　基于模態(tài)分析理論，對(duì)同一60000 r/min高速電主軸進(jìn)行了自由模態(tài)實(shí)驗(yàn)，介紹了實(shí)驗(yàn)方法和過(guò)程，并分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提取了該電主軸的模態(tài)參數(shù)（固有頻率、阻尼和振型）；實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳遞矩陣法的計(jì)算結(jié)果基本吻合。
　　針對(duì)高速電主軸高轉(zhuǎn)速難加載的問(wèn)題，

6、提出了使用經(jīng)改造的測(cè)功機(jī)對(duì)電主軸進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)的方案；根據(jù)電主軸轉(zhuǎn)速的不同，提出了對(duì)拖式和非接觸式兩種不同的動(dòng)態(tài)加載測(cè)試方法；詳細(xì)描述了對(duì)拖式加載方法的系統(tǒng)構(gòu)成和加載原理，該系統(tǒng)不但可以完成對(duì)電主軸的加載，還可以測(cè)出加載過(guò)程中電主軸的基本參數(shù)，并繪制出相應(yīng)的曲線，使電主軸在不同工作點(diǎn)的狀態(tài)一目了然；應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)最高轉(zhuǎn)速為15000 r/min的電主軸進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，得到其特性曲線，分析并處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出被測(cè)電主軸本身所具有的特性及其存在的