基于ADAMS的机床主轴刚柔耦合系统建立及性能分析
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轴 承 的 刚 度 进 行 计 算 。本 文 所 研 究 的 主 轴 系 统 两 个 支 承 轴 承的结构参数如表 １ 示 。 所
２ ０Ｏ
１ ５０ １ ＯＯ ５０
／ ＼
／
表 １ 支承 轴承的结构参数
一
ｏ－ ｏ ５ Ｏ
～
／一 — 一 Ｖ
本 文对 机床主传 动系 统 的输 出轴 即机床 主轴 进行 了柔
ｔｓ ｌ
性化处 理 ， 并把 主轴与 轴承 的结合 位 置添 加 了柔性 约束 ， 建 立 了传 动系统的 刚柔耦 合虚 拟样 机模 型 。研 究 了空转 工 况 下、 切削力矩作 用下主轴 的动态 响应 ， 并通 过 Ａ Ｓ Ｓ与 Ａ — ＮＹ Ｄ
Ａ ＭＳ的联 合 仿 真 ， 到 了 主轴 的 动 态 振 动 情 况 。 本 文 给 出 了 得
图 ３ 主轴的轴 向振动 （ 同曲线表 示不 同结点 ） 不
由 图 ３分 析 可 以 得 到 以下 结 论 ： １ 在 空 转 工 况 下 ， 输 （） 当
入轴转速 为 １２０ ｒｍｎ时 ， ０ ／ ｉ 主轴 径 向和 轴 向振 动位 移非 常 小 ；２ 主轴最大径 向振 动位移 值 出现在 主轴与 前端轴 承 的 （）
高速运转 的数控机床 ， 工件与车 刀之间 的切削力 对主轴 的运动有很大 的影 响。其 切 削激励 主要 是作 用 于工件 边缘 的径向切削力 ， 其作用 效果等价 于一 个切削 力矩和一 个作 用 于工件 回转 中 心 的径 向切 削力 ， 且 切 削力 矩 是 主要 的 载 并 荷 。因此 ， 重点讨论 的切削力矩对 主轴振动 的影 响 。 主轴切削力矩 的模 型采 用经验 预估 模 型来 确定 激振 力 矩， 假设切削力是余 弦周期 函数 ， 由幅值 、 位角 和强迫振 动 相
７ ０
四 川 兵 工 学 报
２５ Ｏ
ｈｔ ：／ｃ ｇ ｊｕｓｒ．ｏ ／ ｔ ／ ｓｂ ．ｏ ｒ ｖｃ ｍ ｐ ｅ
Ｉ 一１ Ｉ ２ Ｏ － Ｒ／ ￣９ Ｎ 二 ｌ
ｌ一 Ⅻ Ｌ 哪 ２ ¨ ０
束来 模拟轴承对 主轴 的支 撑和 受力关 系。轴承 的刚度 直 接 影响高速主轴 的振 动 ， 了精 确描述 轴 套约 束 ， 为 必须对 各个
结合位置 ， 个结点径 向振动位移有一定 偏差。 各
３ ２ 切 削 激 励 下 系统 的 动 态 响 应 ．
种研究利用 Ａ Ａ Ｄ ＭＳ和 Ａ Ｓ Ｓ联 合 仿真 研究 机床 主轴 的 ＮＹ
方 法 ， 于篇 幅 有 限 ， 文 仅 对 主 轴 的 性 能 有 初 步 的 研 究 ， 由 本 在 时 间 容 许 的情 况 下 还 可 以研 究 主 轴 再 齿 轮 接 触 力 的 激 励 下 对主轴运动产生 的影响 。
频 率组成 ， 即 Ｐ ｔ ＝ＰＣ Ｓｗ ＋ ） （） １Ｏ（ ｔ
Ｏ Ｏ
０ ５
Ｏ
Ｏ Ｏ
之 ５
Ｏ
０
０ １ ００ ００ ００ ０ ０ ０ ０ ００ ０ ０ ９ ０ ｌ ０ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ００ ０
ｆｓ ／
图 ５ 主轴 的径 向振 动位移 （ 同曲线表 示不 同结点） 不
前 支 承 轴 承 刚度 Ｋ ＝
４ ７ １ Ｎ／ 。 ． ９Ｘ ０ ｍ
Ｊ－ ｍ 邮 ２ ｌ — ０ ｍ ０ ９Ｉ ｌ ㈣ 伽肌： １ｌ ∞０
一
Ⅶ （ Ｒ ∞ １ｌ 州 １ Ｉ— ｈ Ｅ Ｏ ｉｆ ＲＥ ｌ∞ ｌ ２Ｉ
０ Ｏ ５ ０
在不考 虑切削载荷 的作 用 ， 在输入 轴转速 为 １ ０ ｍｎ ０ｒ ｉ ２ ／ 驱动情况下 ， Ａ Ａ 用 Ｄ ＭＳ仿真 并测 量主轴 上各个 结 点 的振 动 位移 。得 到各结点的 方 向的平 动位 移如 图 ３所示 。
００ ４０ ０
．
００ ５０ － ０ ．Ｅ ０ ４
－ ｏ ｏｏ ２ ０
－ ０ ００ ３ ５ ０ ００ ０００ ００ ３ ０１ ２ ０ ００ ４ ０ ０Ｃ ５ ００ ６ ００ ７ ００ ８ ００ ９ ０ ０ ０ ０ ０ ００ ０ １
。 ＼
… ＿ … 一
一
４ 结 束 语
由图 ４与 图 ５可知 ：
０ Ｄ ５
．
＼
ｊ
（ ）主 轴 在 径 向 切 削 力 矩 激 励 下 ， 径 向振 动 位 移 迅 速 １ 其
＼
增加 ， 大于在空转工况下 产生的动态径 向位 移。 远 ＼、 ＼
、
： 呈 ｐ
Ｏ０ ０ｌ０
。
（ ）主轴最大径 向向振动位 移值 出现 在主轴前 端面 ， ２ 最 小值 出现在 主轴 与轴承端轴承 的结合 位置 。
…
Ｊ — ｍ ＾ Ｒ ∞ Ｉ １
／
、
， －－ ．
．
Ａ
一
—
— 一
３ 主 传 动 系统 刚 柔 耦 合 虚 拟样 机 仿 真 分 析
３ １ 空转 工 况 下 系统 的动 态 响 应 ．
５ Ｏ ０ Ｏ ５ ０
－ ／ ＼ ／ ＼
－
。
一一 ∞ 。 一
．
一
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１ ０ ０
．
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ｔｓ ／
＼ 、
０ １ ０ Ｏ ００ ００ ０Ｏ ００ ０ ７ ０ Ｏ ００ ０ ０ ２ ３ ４ ５ ６ ０ ８ ９ ０ １
图 ４ 主轴的轴向 窜动 （ 不同曲线表示不 同结点） 轴 承润滑油 的粘度 叩 ＝ ．２ｐ Ｓ粘 压系数 ＝２ ３Ｘ 。 ０ ０ ａ・ ； ． １ ｐ ； ０ ａ 当量 弹性 模 量 Ｅ＝２Ｘ １ “ｐ ； 轴 转 速 Ｎ＝２０ ０ ａ 主 ５ ｒｍ ｎ 将 以上 参数代 入相 关轴 承 刚度 计算 公 式可 求 出主 轴 ／ ｉ。
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１ ５０ １ ＯＯ ５０
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表 １ 支承 轴承的结构参数
一
ｏ－ ｏ ５ Ｏ
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本 文对 机床主传 动系 统 的输 出轴 即机床 主轴 进行 了柔
ｔｓ ｌ
性化处 理 ， 并把 主轴与 轴承 的结合 位 置添 加 了柔性 约束 ， 建 立 了传 动系统的 刚柔耦 合虚 拟样 机模 型 。研 究 了空转 工 况 下、 切削力矩作 用下主轴 的动态 响应 ， 并通 过 Ａ Ｓ Ｓ与 Ａ — ＮＹ Ｄ
Ａ ＭＳ的联 合 仿 真 ， 到 了 主轴 的 动 态 振 动 情 况 。 本 文 给 出 了 得
图 ３ 主轴的轴 向振动 （ 同曲线表 示不 同结点 ） 不
由 图 ３分 析 可 以 得 到 以下 结 论 ： １ 在 空 转 工 况 下 ， 输 （） 当
入轴转速 为 １２０ ｒｍｎ时 ， ０ ／ ｉ 主轴 径 向和 轴 向振 动位 移非 常 小 ；２ 主轴最大径 向振 动位移 值 出现在 主轴与 前端轴 承 的 （）
高速运转 的数控机床 ， 工件与车 刀之间 的切削力 对主轴 的运动有很大 的影 响。其 切 削激励 主要 是作 用 于工件 边缘 的径向切削力 ， 其作用 效果等价 于一 个切削 力矩和一 个作 用 于工件 回转 中 心 的径 向切 削力 ， 且 切 削力 矩 是 主要 的 载 并 荷 。因此 ， 重点讨论 的切削力矩对 主轴振动 的影 响 。 主轴切削力矩 的模 型采 用经验 预估 模 型来 确定 激振 力 矩， 假设切削力是余 弦周期 函数 ， 由幅值 、 位角 和强迫振 动 相
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四 川 兵 工 学 报
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束来 模拟轴承对 主轴 的支 撑和 受力关 系。轴承 的刚度 直 接 影响高速主轴 的振 动 ， 了精 确描述 轴 套约 束 ， 为 必须对 各个
结合位置 ， 个结点径 向振动位移有一定 偏差。 各
３ ２ 切 削 激 励 下 系统 的 动 态 响 应 ．
种研究利用 Ａ Ａ Ｄ ＭＳ和 Ａ Ｓ Ｓ联 合 仿真 研究 机床 主轴 的 ＮＹ
方 法 ， 于篇 幅 有 限 ， 文 仅 对 主 轴 的 性 能 有 初 步 的 研 究 ， 由 本 在 时 间 容 许 的情 况 下 还 可 以研 究 主 轴 再 齿 轮 接 触 力 的 激 励 下 对主轴运动产生 的影响 。
频 率组成 ， 即 Ｐ ｔ ＝ＰＣ Ｓｗ ＋ ） （） １Ｏ（ ｔ
Ｏ Ｏ
０ ５
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Ｏ Ｏ
之 ５
Ｏ
０
０ １ ００ ００ ００ ０ ０ ０ ０ ００ ０ ０ ９ ０ ｌ ０ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ００ ０
ｆｓ ／
图 ５ 主轴 的径 向振 动位移 （ 同曲线表 示不 同结点） 不
前 支 承 轴 承 刚度 Ｋ ＝
４ ７ １ Ｎ／ 。 ． ９Ｘ ０ ｍ
Ｊ－ ｍ 邮 ２ ｌ — ０ ｍ ０ ９Ｉ ｌ ㈣ 伽肌： １ｌ ∞０
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Ⅶ （ Ｒ ∞ １ｌ 州 １ Ｉ— ｈ Ｅ Ｏ ｉｆ ＲＥ ｌ∞ ｌ ２Ｉ
０ Ｏ ５ ０
在不考 虑切削载荷 的作 用 ， 在输入 轴转速 为 １ ０ ｍｎ ０ｒ ｉ ２ ／ 驱动情况下 ， Ａ Ａ 用 Ｄ ＭＳ仿真 并测 量主轴 上各个 结 点 的振 动 位移 。得 到各结点的 方 向的平 动位 移如 图 ３所示 。
００ ４０ ０
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００ ５０ － ０ ．Ｅ ０ ４
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４ 结 束 语
由图 ４与 图 ５可知 ：
０ Ｄ ５
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（ ）主 轴 在 径 向 切 削 力 矩 激 励 下 ， 径 向振 动 位 移 迅 速 １ 其
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增加 ， 大于在空转工况下 产生的动态径 向位 移。 远 ＼、 ＼
、
： 呈 ｐ
Ｏ０ ０ｌ０
。
（ ）主轴最大径 向向振动位 移值 出现 在主轴前 端面 ， ２ 最 小值 出现在 主轴 与轴承端轴承 的结合 位置 。
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３ 主 传 动 系统 刚 柔 耦 合 虚 拟样 机 仿 真 分 析
３ １ 空转 工 况 下 系统 的动 态 响 应 ．
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图 ４ 主轴的轴向 窜动 （ 不同曲线表示不 同结点） 轴 承润滑油 的粘度 叩 ＝ ．２ｐ Ｓ粘 压系数 ＝２ ３Ｘ 。 ０ ０ ａ・ ； ． １ ｐ ； ０ ａ 当量 弹性 模 量 Ｅ＝２Ｘ １ “ｐ ； 轴 转 速 Ｎ＝２０ ０ ａ 主 ５ ｒｍ ｎ 将 以上 参数代 入相 关轴 承 刚度 计算 公 式可 求 出主 轴 ／ ｉ。