機(jī)床商務(wù)網(wǎng)技術(shù)文章
數(shù)控加工中心主軸靜動(dòng)態(tài)性能分析
閱讀：162 發(fā)布時(shí)間：2020-8-111 軸的三維實(shí)體建模
Pro/E 進(jìn)行三維立體建模時(shí)，可以先畫(huà)出實(shí)體的形狀，然后在圖案中標(biāo)出設(shè)計(jì)好的尺寸，把尺寸參數(shù)化就可以得到需要的三維立體模型。 可以大大減少工作量，提高制圖的質(zhì)量。 本文以參數(shù)化思想進(jìn)行繪制，帶來(lái)了很多方便。 如圖 1 所示。
圖 1 軸的三維實(shí)體模型
2 運(yùn)動(dòng)仿真的工作界面
運(yùn)動(dòng)仿真是 Pro/Engineer 模塊中的主要部分。Pro/Engineer 可以對(duì)凸臺(tái)、槽、倒角、腔等進(jìn)行特征驅(qū)動(dòng)；對(duì)繪制的模型和圖形進(jìn)行參數(shù)化；可以對(duì)各種大型的、復(fù)雜的機(jī)構(gòu)機(jī)型設(shè)計(jì)和仿真；設(shè)計(jì)的每個(gè)零部件和模塊都是相互關(guān)聯(lián)的，任何地方的改變，都會(huì)引起和它相關(guān)的零部件和模塊的變化。 通過(guò) Pro/En- gineer ，進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后仿真。
2.1 參數(shù)設(shè)置
在運(yùn)動(dòng)程序里面選擇機(jī)構(gòu)，進(jìn)入仿真環(huán)境。
首先運(yùn)動(dòng)軸用銷釘聯(lián)接，創(chuàng)建齒輪副確保傳動(dòng)， 輸入各個(gè)齒輪的尺寸參數(shù)，如圖 2 所示。
然后添加電動(dòng)機(jī)，選擇運(yùn)動(dòng)軸，如圖 3 所示。 之后，進(jìn)行分析定義，修改參數(shù)，如圖 4 所示。
圖 2 創(chuàng)建齒輪副 圖 3 選取電機(jī)
2.2 運(yùn)動(dòng)分析
分析定義有位置、動(dòng)態(tài)、靜態(tài)、力學(xué)平衡幾種方式，這里選擇動(dòng)態(tài)。 建立分析，如圖 5 所示。
（1）選取第 1 測(cè)試點(diǎn)，測(cè)量如圖 6 所示；
（2）選取第 2 點(diǎn)測(cè)量，如圖 7 所示。
圖 4 參數(shù)設(shè)置
圖 5 建立分析
圖 6 齒輪分析圖
圖 7 測(cè)量圖
圖 8 振型圖
3 主軸的模態(tài)分析
模態(tài)分析可以確定部件和組裝件的固有頻率， 從而防止產(chǎn)生共振之類的事故發(fā)生。 進(jìn)行模態(tài)分析的計(jì)算和試驗(yàn)，可以確定固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型的參數(shù)。如果它的固有頻率和工作頻率十分接近， 會(huì)影響它的使用質(zhì)量和壽命，還可能帶來(lái)更嚴(yán)重的安全事故。 因此模態(tài)分析尤其重要。
3.1 模態(tài)分析
進(jìn)入模態(tài)分析模式，模式數(shù)選擇 8，輸入小頻率，彈出對(duì)話框，選擇模態(tài)分析，開(kāi)始運(yùn)行，分析結(jié)果如圖 8 所示。
3.2 模態(tài)分析結(jié)果
分析結(jié)果如表 1 所示。
研究表明，支撐剛度增加，固有頻率提高，同時(shí)伴有振型的改變。
3 熱力學(xué)分析
3.1 創(chuàng)建熱力載荷
熱力學(xué)載荷相當(dāng)于結(jié)構(gòu)分析中的載荷，用以對(duì)模型施加熱力。 可以對(duì)模型的幾何元素點(diǎn)、線、面和原件進(jìn)行熱力載荷。
（1）發(fā)熱量的計(jì)算
軸承產(chǎn)生的熱量
式中 n———軸承轉(zhuǎn)速；
f0———考慮軸承結(jié)構(gòu)類型和潤(rùn)滑類型的系數(shù)；
υ0———潤(rùn)滑脂的工作黏度，m2/s；
dm———軸承中徑；
μ0———與負(fù)荷及軸承結(jié)構(gòu)類型有關(guān)的摩擦系數(shù)；
f1———反應(yīng)負(fù)荷方向的系數(shù)；
F———軸承負(fù)荷。
當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為 1 500 r/min 時(shí)，計(jì)算得到前后軸承的摩擦力矩分別為 0.7 Nm 和 0.54 Nm，發(fā)熱量分別為 141 kW 和 107 kW。
（2）對(duì)流系數(shù)的計(jì)算
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)流系數(shù)一般取 10~20 W/m2℃。
（3） 建立熱力載荷
選取參照曲面； 熱分布選擇總載荷； 空間變化選擇均勻；時(shí)間變化選擇穩(wěn)態(tài)。
4.2 分析結(jié)果
定義分析結(jié)果，后結(jié)果如圖 9 所示。 熱變形誤差主要發(fā)生在軸向 z 方向，是構(gòu)成綜合熱位移的主要分量。徑向 x 隨著溫度繼續(xù)升高，位移并不像預(yù)料中那樣增加，而是稍有減少；徑向 y 方向的位移變化非常緩慢。產(chǎn)生這種現(xiàn)象是因?yàn)?x 方向，隨著繼續(xù)升溫，熱位移應(yīng)該隨著熱脹而增大，但是主軸的軸線同時(shí)也因熱變形而發(fā)生了傾斜，傾斜的方向與熱脹方向相反，因而出現(xiàn)了位移反而減少的現(xiàn)象。 y 方向由于模型基本是軸對(duì)稱的，所以軸中心線上的點(diǎn)在 y 方向的位置基本不會(huì)變化，所以在 y 方向熱位移很小。
圖 9 熱學(xué)分析圖
5 結(jié)語(yǔ)
（1）通過(guò)對(duì)主軸的研究，以三維建模為橋梁，構(gòu)建了工程及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析過(guò)程的廣義CAD 平臺(tái)，為CAD 和CAE 技術(shù)奠定了基礎(chǔ)；
（2）應(yīng)用三維CAD 軟件Pro/E，對(duì)基于特征的零件實(shí)體建模技術(shù)和虛擬裝配及運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)進(jìn)行了初步探討，并以其為基礎(chǔ)，完成了基于特征的主軸關(guān)鍵零件建模和虛擬裝配及其虛擬運(yùn)動(dòng)仿真，且通過(guò)對(duì)靜態(tài)干涉分析檢查等工作，驗(yàn)證了所建模型符合要求；
（3）通過(guò)ANSYS 系統(tǒng)對(duì)主軸進(jìn)行模態(tài)與熱力學(xué)有限元分析， 可以得出主軸的振型情況以及受熱變形，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了分析過(guò)程中的不足-振動(dòng)頻率過(guò)高。這是因?yàn)檩S的模態(tài)分析是在軸固定不動(dòng)的情況下進(jìn)行的分析，軸的兩端由軸承進(jìn)行定位，所以在軸的兩端進(jìn)行了全約束，這必將導(dǎo)致頻率的增大，如果在軸兩端施加軸承剛度進(jìn)行分析的話，頻率將會(huì)大幅度降低；
（4）通過(guò)ANSYS 的模態(tài)與熱力學(xué)有限元分析，為主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打下了良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，也為以后的課題深入研究提供了依據(jù)。由于對(duì)ANSYS 的了解和學(xué)習(xí)的局限性，沒(méi)有對(duì)關(guān)鍵軸進(jìn)行完美的有限元分析，所以期望后續(xù)的工作上做出更進(jìn)一步的優(yōu)化與分析。