【摘 要】
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精密高速数控机床在机械、电气、化工、国防军工、自动化等行业扮演着不可替代的角色。电主轴是近些年来出现的能够将机床主轴与电机合二为一的新技术产品,电主轴的性能很大程度上决定了数控机床的性能。本文以国内某机床厂所设计的电主轴为研究对象,分析了其静动态特性,并基于响应面法多目标优化了其主要结构;对该电主轴热态性能进行研究,探讨电主轴的温度场和热变形的分布规律,对其进行了热误差补偿研究,研究内容具体分为以
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精密高速数控机床在机械、电气、化工、国防军工、自动化等行业扮演着不可替代的角色。电主轴是近些年来出现的能够将机床主轴与电机合二为一的新技术产品,电主轴的性能很大程度上决定了数控机床的性能。本文以国内某机床厂所设计的电主轴为研究对象,分析了其静动态特性,并基于响应面法多目标优化了其主要结构;对该电主轴热态性能进行研究,探讨电主轴的温度场和热变形的分布规律,对其进行了热误差补偿研究,研究内容具体分为以下三点:首先介绍了电主轴的系统及主要参数、结构,针对国内某机床厂自主设计的电主轴建立三维模型,并模拟前后轴承组的支承,建立了有限元分析模型。运用ANSYS Workbench软件对其静动态特性进行有限元计算与模拟仿真分析通过分析计算得到静刚度、固有频率和临界转速等重要相关参数,与最初设计时的技术参数要求相比较,验证了该电主轴设计的合理性。其次在完成静态和模态有限元分析的基础上,以电主轴的前后轴承组跨距、悬伸量、主轴前端直径、前端内孔直径为设计变量,以最大总体变形最小、一阶固有频率最大、质量最轻为优化目标,对设计参数进行敏感性分析,接着建立响应面优化模型并对电主轴结构和布局进行优化分析。优化结果表明采用上述方法进行优化后,其静刚度增加了4.2%,一阶固有频率增大了7.4%,质量减少了5.3%,达到了最初的优化目的。最后通过计算高速主轴系统的热相关边界条件,定义了输入变量和响应因子,运用参数相关性分析识别出与轴向热变形具有强相关性的输入变量作为热敏感关键参数。采用试验设计方法获得试验设计方案与热敏感关键参数的试验数据,然后结合MATLAB利用多元回归分析方法,对试验数据进行回归分析,建立了该电主轴热误差补偿多元回归模型。运用方差分析和残差分析检验回归模型的显著性和残差的异常值,结合共线性诊断,验证了各因素的独立性,从而验证了回归模型的有效性。
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