机械答辩ppt

数控机床电主轴有限元分析及优化设计姓名:学科专业:机械设计及理论指导老师:答辩日期:2013.5课题的主要研究内容本课题主要从以下几个方面对电主轴进行分析：电主轴基本结构组成单元的确定电主轴的静态特性有限元分析电主轴的动态特性有限元分析电主轴的结构参数优化电主轴的热态特性有限元分析1.绪论高速加工以高切削速度、高进给速度、高加工精度为主要特征。高速电主轴作为高速机床的核心部件，是实现数控机床能够完成高速加工的必要条件。其性能的好坏直接影响整台机床的加工精度与生产效率。为了满足高精度数控机床对电主轴产品质量与产量的需求，因此在电主轴设计阶段对高速电主轴单元组件的关键技术进行合理的科学设计与计算并进行深入的静态特性、动态特性及热态分析分析是必不可少的。这对提高电主轴单元的综合性能，使电主轴单元成为一个高水准、批量生产的优质部件，具有十分重大的理论和实际意义。2高速电主轴结构设计电主轴总体结构设计初步确定设计完成后电主轴单元组件所能达到的预期值，见表。电主轴最高转速电机额定功率主轴前端径向跳动主轴弯曲刚度温升30000r/min75kw≤0.003mm≥200N/≤15℃主轴电机参考国内外关于电机资料并结合电主轴初始参数设计，本课题将电机的额定转速与最高转速之比设计为1：10。本文选用的无外壳电机，其结构如图所示。主轴轴承本课题所选用的电主轴，其最高旋转速度为30000r/min。选择的轴承类型必须要满足电主轴高速旋转的需求，且其应具有较长的使用寿命。考虑到以上因素，本课题选用混合陶瓷球轴承，其主要参数见表。此种轴承的材料为Si3N4，其密度只有刚轴承密度的40%，因此减少了对轴承的压力，是实现轴承高速运转的必要条件之一。参数前支撑后支撑精度P4P4组配方式背靠背背靠背内径（mm）6050外径(mm)8572宽度（mm）1312滚动体直径(mm)7.8927.892极限转速(r/min)3700044000接触角18°18°润滑方式油气润滑油气润滑主轴轴承油—气润滑系统本文使用油—气润滑系统来实现电主轴轴承的润滑与冷却，其示意图如图所示。本文选用油—水热交换冷却系统，其示意图如图所示。油—气润滑系统示意图油—水热交换系统冷却系统用机械设计手册设计电主轴用机械手册对电主轴进行结构设计时，设计的具体参数按照下图进行设计。电主轴结构基本尺寸参数轴内力计算与弯扭矩计算轴内力计算弯扭矩计算计算临界转速完成当量直径、轴截面的惯性矩等相关主轴参数的输入，最后点击图下部“计算”选键，可计算得到轴的一阶临界转速，其值大小为84840r/min。计算临界转速本章小结本章首先确定了电主轴系统组成单元组件参数所能达到的预期值，在此基础上，完成了电机和主轴轴承的选型、润滑系统与冷却系统的确定。其次，使用机械设计手册设计电主轴，最后确定了主轴系统单元部件的基本参数，为下几章节电主轴有限元分析及优化计算提供必要的参数。2高速电主轴静态特性有限元分析电主轴静态特性有限元模型根据电主轴结构单元特点，为了方便计算，对电主轴模型进行如下简化，简化后的静力分析模型如图所示。静力分析模型电主轴有限元模型的建立根据第一章电主轴结构组成单元部件设计时的具体参数值，在PRO/E中完成电主轴各组成单元的建模并进行装配，得到具体三维实体如图所示。高速电主轴三维模型网格划分ANSYS有限元分析软件可以自身完成模型的网格划分，如图所示：第一种自由网格划分（FreeMeshing），它生成的网格是不规则排列的，由于自由网格分析精度相对较低，本课题采用映射网格划分，对每个体依次进行网格划分。ANSYS网格划分主轴静刚度求解将主轴径向力F=4386N加载到主轴模型断面上，得到电主轴的网格划分模型与静力变形云图，分别如图所示。电主轴网格划分静力变形图从静力变形中可以得知产生的最大位移量DMX=17.9um,可由下式求得主轴的静刚度值：本文电主轴静刚度的初始设计预期值为200N/um，通过主轴的有限元静力特性分析，得到电主轴的静刚度为245N/um，验证主轴的静刚度符合设计需求。3.高速电主轴动态特性有限元分析电主轴仅仅具有良好的静刚度是远远不能满足数控机床高速度、高加工精度的基本需求，同时必须具备良好的动态特性。所以本章对电主轴的动态特性进行分析，通过分析结果来验证电主轴的动态特性是否能够满足设计的需求。电主轴的模态分析利用上章节建立的三维有限元模型，利用ANSYS进行模态分析得到前六阶固有频率振型图，如图所示。一阶固有频率及振型图二阶固有频率及振型图三阶固有频率及振型图四阶固有频率及振型图五阶固有频率及振型图六阶固有频率及振型图对电主轴完成模态分析后，由以上各图可以得到电主轴的各阶振动的固有频率值与振型，见表所示。阶次123456主轴频率/(Hz)115513781378270328252826振型Y向弯曲Y向弯曲Z向弯曲X轴向伸缩Y向摆动Z向摆动电主轴固有频率与振型表固有频率转化为临界转速主要固有频率与临界转速存在一定的联系，主要通过以下几个公式进行转化，转化后的临界转速值见表。转化后的临界转速阶次123456主轴频率/(Hz)115513781378270328252826主轴临界转速846629367693676152943159547168599转化后的临界转速由表可知，即使最低一阶临界转速84662r/min为电主轴最高工作转速的30000r/min的2.82倍，说明电主轴高速运转时，可以远离电主轴的共振区。说明电主轴的动态特性能满足设计需求。4.高速电主轴结构优化设计由前几章可知道电主轴系统的结构参数设计基本满足设计需要，但若要验证其结构参数值是否为最佳，则必须对其结构参数进行优化设计。ANSYS有限元分析软件恰好能帮助实现在满足设计要求的前提下，寻找最优设计方案。这种优化分析结果有相对较高的精度，可以用来对电主轴结构参数设计进行优化。参数化有限元模型的建立若想利用ANSYS优化设计模块对电主轴进行优化设计，必须对电主轴结构和模型进行简单的划分。根据所设计电主轴的结构特点，划分结果如图所示。前轴承之间的距离定为参数L1，前、后轴承之间的距离定义为L2，后轴承之间的距离定义为L3，前轴承与电机左端面的距离定义为L4对电主轴结构参数进行优化将主轴前端的横向位移作为目标函数，用字母MIN表示；将L1、L2、L3、L4作为设计变量；将主轴最大应力值作为状态变量，用字母MAX表示。采用一节分析优化算法，GUI方式生成优化文件。—SET1*SET2*SET3SET4L4(DV)/m0.69132E-020.92369E-020.76878E-020.74005E-02L1(DV)/m0.74103E-010.74198E-010.78920E-010.71908E-01L2(DV)/m0.199620.196980.218150.20345L3(DV)/m0.68040E-010.76011E-010.55100E-010.71968E-01MAX(SV)/m0.50602E+090.44110E+090.50214E+090.49092E+09MIN(OBJ)/m0.12960E-040.13915E-040.14847E-040.13019E-04—SET5SET6SET7—优化前后主轴静刚度值对比将相同的参数边界条件加载到ANSYS有限元分析软件，得到优化后电主轴静态变形图，通过计算得知：，最大变形值为13.9μm。此时，主轴的径向静刚度值为4386/13.9=315N/um,比优化前提高了28%，主轴总长度比原来缩短了5mm。优化后电主轴静态变形图5.高速电主轴热态特性有限元分析高速电主轴热载荷的计算若想要使用ANSYS分析软件对电主轴进行热态分析，必须对电主轴的热载荷进行计算。现将主要计算结果进行统计，见表6-1所示。参数名称计算结果电机定子生热率78087电机转子生热率80319电机定子与冷却油之间的对流换热系数73.8电主轴与外部空气的复合传热系数9.7电机定子与转子之间的对流换热系数113.1轴承与油气润滑系统的对流换热系数241表6-1主要计算结果[生热率单位；换热系数单位Wg(m2g℃)]电主轴的稳态热分析将表6-1得到的计算结果作为热边界条件，将其加载到电主轴分析模型上，得到电主轴的稳态温度场，如图所示。图中电主轴电机转子所在处红色区域的最高温度在83℃左右，由于电主轴整体结构比较紧密导致空气流动状况不是很好，产生的热量不能及时的传递给定子，所以此处温升最高。电机定子处蓝色区域的温度在50℃左右，因为油—水热交换系统通过循环冷却油源源不断的对定子进行降温，此外，电机定子有部分暴露在空气中，可以与空气进行强对流换热，及时将热量释放到空气中。所以定子处的温度相对较低。改善电主轴热态特性的措施改善电主轴的热态特性的措施主要通过两种途径：减小热源的发热量与增强电主轴的散热能力。由于本课题电主轴单元设计工作已经完成，并进行了结构参数优化，组成单元的基本结构参数都以确定，所以采取减小热源发热量这一措施不予考虑，只能从提高主轴系统的整体散热能力角度来考虑。本设计从改善电主轴轴承的润滑与电机的循环冷却方面入手来提高散热能力。将增大流量后，电主轴热态分析的结果作为耦合分析的边界条件，经过ANSYS分析得到改善后的径向位移变形图，如图所示。比较增加流量前后电主轴温度场的分布图可知：转子最高温度大约由83℃降低到73℃，前轴承的温度大约由67℃下降到61℃，后轴承的温度大约由62℃下降到52℃。无论是电机转子还是前后轴承，与增加流量前相比，温升都有所下降。所以说，合理增加油—气润滑系统及冷却系统冷却水流量的方法，在一定程度可以改善主轴单元的热态特性。增大流量后电主轴温度场6.结论与展望论文的主要研究成果：（1）利用机械设计手册完成了电主轴的整体结构设计，确定了电主轴悬梁、跨距及临界转速的大小，最后利用ANSYS对电主轴进行静态特性分析，验证了其结构的合理性。（2）在建立和分析混合陶瓷轴承模型的基础上进行了电主轴静刚度的有限元分析。计算得到电主轴的静刚度为245N/um，大于初始设计的预期值200N/um。说明主轴静刚度符合设计要求。（3）完成了电主轴模态分析及谐响应分析，本文设计的电主轴频率为500Hz，远离1100Hz到1200Hz范围，证明主轴设计的合理性，动态特性满足设计需求。（4）建立电主轴的参数化模型，利用ANSYS自带的优化功能，对电主轴结构单元组件进行结构设计参数优化，通过优化前后电主轴一阶固有频率进行对比，结果表明一阶固有频率和临界转速比优化前分别提高了5.8%与6.4%。并将优化后的参数值替换原有的初始参数值。（5）通过计算得到电主轴的热边界条件参数，将其加载到ANSYS软件，完成电主轴的热分析。分析结果表明合理增加轴承油—气润滑系统与电机油—水热交换冷却系统的流量强度可改善主轴系统的热态特性。后期对电主轴的研究工作可从下面两方面入手：（1）由于对主轴系统进行建模时，对模型进行了多处简化，忽略了其对结果的影响，因此还需要相关的实验证明其影响值的范围。（2）由于本文只是单一对电主轴系统进行动态分析与热态分析，如若将热态特性与动态特性分析同时进行，则会更好了解机床主轴系统受外界条件影响的综合特性。感谢各位老师提出宝贵建议！