　主轴的动态特性

[ 5 ]

对主轴进行动态特性分析通常不会考虑到结合

部 ,这样得到的结果在一般情况下可以作为设计的
参数数据 ,但是对数控铣床来说 ,这样的分析结果远
远不能做为设计参考数据. 反映主轴的动态特性的
性能指标有很多 ,在主轴系统中 ,引起振动的最主要
因数的就是主轴的固有频率 ,因此下面对主轴考虑
和不考虑结合的影响下 ,分别进行动态分析.

3. 1 　不考虑结合部的影响主轴动态分析

不考虑结合部的影响 ,在动力学模型采用固定

的非弹性支撑 ,就是结合部上的节点完全固定不动.
进行模态分析得到前 10 阶的频率如表 2 所示.

表

　不考虑结合部的影响主轴模态分析的前

阶频率

阶　　数

频　　率

( Hz)

1 047. 1

1 055. 5

4 461. 8

4 705. 0

4 835. 6

5 139. 1

5 194. 2

6 811. 5

6 994. 3

7 474. 3

3. 2 　考虑结合部的影响主轴动态分析

在固定的支撑结合部可以采用传统的做法 ,但

是在可动的结合部就不能这样做的. 因为结合部中
的节点存在可动方向的自由度 ,这样就大大增加方
程解得空间 ,求解过程也是个独立方程. 其动力学模
型如图 1. 因为存在阻尼的情况 ,所以进行阻尼模态
分析 ,得到了前 10 阶的频率如表 3 所示.

表

　考虑结合部的影响主轴模态分析的前

阶频率

阶　　数

频　　率

( Hz)

353 . 23

680 . 51

755 . 95

1 009. 1

1 147. 2

1 645. 1

1 830. 2

3 687. 8

4 142. 7

4 280. 7

3. 3 　2 种情况下的比较分析

从表 2 和表 3 中可以看出 ,结合部对主轴的频

率影响比较大. 在实际设计中 ,数控铣床的主轴转速
通常是几千转每分钟 ,频率范围在 300 Hz 以内 ,所
以在考虑结合部的影响下 ,不会引起振动上的问题.
目前 ,国际上工业发达国家生产的高速加工中心主
轴转速可达到 20 000～100 000 r/ min ,它的频率范
围也只有 300～2 000 Hz ,按照传统的设计数据 ,远
远不会发生振动上引起的问题 ,但是考虑结合部的
影响 ,从分析上就会发现 ,该主轴在高速切削情况下
是不可以使用的.

　结束语

关于结合部问题的研究还远未成熟 ,并因此导

致后续的结合部建模及参数识别等都只能建立在对
结合部的基本假设和定性等效的基础上 ,从而影响
了对机械结构系统的动态性能的研究. 本论文就是
在基于这种假设的情况 ,采用了线性弹簧阻尼单元 ,
通过理论建模和实验相结合来识别了主轴结合部参
数大小 ,取得一定效果. 然而存在不足的是 ,由于在

AN S YS 8. 0 中优化模块中 ,设计变量受到约束 ,使

得模型的参变量受到限制 ,模型不能真实地反映实
际的主轴结合部的情况 ,还有就是在等效节点处加
入弹簧阻尼单元的位置也会影响识别参数大小. 如
果不受到设计变量数量限制 ,在每个等效节点处加
入弹簧阻尼单元 ,这样建立的模型就跟真实模型非
常接近 ,其结果将是令人满意的 ,可以作为最佳设计
的依据.

参考文献

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机械与结构振动

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白化同

李俊宝

译

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中国宇航出版社

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建模、

分

析、

仿真、

修改、

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　张　波

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陈天宁

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化设计

[J ] .

机械设计

,2004 ,21 (5) :33 - 35.

作者简介

罗建平 　

(1979 - ) ,

男

江西吉水人

硕士研究生

研究方向为数字化设计与制造技术研究及应用、

数据库技术

・

1机械与电子2

2007 (1)