(a)
主轴部件结构
(b)
简化后主轴部件有限元模型
图
2
3
主轴部件的动态优化设计
动态优化设计可分为两大类
,
第一类是指如何设计或修改
一个结构
,
使之具有事先给出的动态特性 。第二类是指所设计
结构在满足诸多动态特性要求
(
约束
)
下
,
某一个或几个主要指
标达到最优 。对第二类问题
,
目前只能采用传统的优化设计方
法
,
只能解决简单结构和自由度不多的系统 。对于复杂结构的
动态优化设计
,
尚有许多问题有待解决
,
目前还缺乏成功的实
例 。对第一类问题
,
可以利用灵敏度分析与结构动力修改的方
法
,
根据条件对敏感参数进行不断地试探修改
,
最后达到事先
给定的要求
,
这实际上是一个再设计和再分析的修改过程
,
是
广义概念上的优化 。现采用这种方法对机床部件结构进行动
态优化设计 。
3. 1
主轴跨距变化对主轴静 、
动特性的影响分析
主轴跨距的改变量分别为
200
～
290 mm
。根据跨距的改
变
,
分别对主轴部件结构进行有限元静力分析 、
模态分析和动
力响应计算
,
根据计算结果做出影响变化曲线 。图
3a ,b
分别为
主轴前端静变形 、
主轴前端
y
向动力响应峰值对主轴跨距变化
的影响曲线 。
由影响曲线可知当前跨距
(261 mm)
位于最优跨距附近
,
因
此
,
保留或者选择最优跨距
270 mm
能够满足主轴部件静态特
性要求
,
而且
z
方向上的动态特性也令人满意
,
但是
y
方向振
动时动力响应峰值能量过多地集中在第
3
阶模态
,
容易造成纵
向切削时
y
方向切削颤振的发生
,
这一点应是主轴部件动态优
化设计时应改进的地方 。
(a)
主轴静变形相对主轴
(b)
主轴
y
向动力响应峰值对
跨距的变化曲线
主轴跨距的变化曲线
图
3
3. 2
主轴前轴承刚度变化对主轴静 、
动特性的影响分析
主轴前轴承刚度和阻尼对主轴部件的动特性有较大的影
响
,
一般来说
,
阻尼越大
,
主轴部件的动态性能越好 。所以
,
文
中只分析了主轴前轴承刚度变化对主轴部件动特性的影响
,
进
而确定合理的前轴承刚度值 。图
4a ,b
分别为主轴前端静变形 、
主轴前端
y
向动力响应峰值对主轴前轴承刚度变化的曲线 。
(a)
主轴静变形相对前轴承
(b)
主轴
y
向动力响应峰值
刚度的变化曲线
对前轴承刚度的变化曲线
图
4
根据图
4
变化曲线可以得出如下结论
:
(1)
随着前轴承刚度的增加
,
主轴前端的静变形呈现减小
的变化趋势
,
说明增大主轴前轴承径向刚度
,
可以提高主轴静
刚度 。
(2)
轴承刚度的提高
,
主轴部件的低阶固有频率提高
,
但对
于动力响应来说
,
第
2
阶共振时的峰值
y
、
z
方向均呈现减小的
趋势
,
而第
3
阶共振峰值出现局部增大的变化趋势
;
由此可知
,
过大地提高该型数控车床前轴承刚度对改善主轴部件的动特
性反而不利 。
(3)
归纳上述两点
,
可知当前主轴部件前轴承的径向刚度
在刚度变动范围内能够满足当前主轴部件的静 、
动特性的要
求
;
另外也说明通过提高轴承刚度来改善该型机床主轴部件的
动特性效果是不显著的 。
3. 3
主轴前端集中质量变化对主轴静 、
动特性的影响分析
研究表明主轴前端集中质量的变化对主轴部件的动态性
能也有较大的影响
;
为此
,
也对卡盘以及工件的质量
(
切削试验
状态考虑工件和卡盘集中质量为
14. 825 kg)
变化对该型机床主
轴部件的静 、
动特性的影响做了分析 。图
5a ,b
分别为主轴前端
静变形 、
主轴前端
y
向动力响应峰值对主轴前端集中质量变化
的特性曲线 。
根据图
5
变化曲线可以得出如下结论
:
(1)
随着主轴前端集中质量的增加
,
主轴前端静变形呈线
性增大的变化趋势
,
显然静特性变差
;
另外
,
低阶固有频率呈现
较快的下降趋势
(
曲线略
)
。
(2)
集中质量在
21 kg
左右
,
主轴前端的动力响应具有较低
4
3
机 械 设 计
第
21
卷第
5
期