機床主軸動平衡計算與校正方法
為解決機床柔性主軸轉子動平衡過程中需要在高速下試重的問題，提出一種柔性主軸轉子低速無試重動平衡方法。在構建機床主軸動力學模型的基礎上，根據(jù)剛體力學理論，通過對不平衡量與振動響應之間映射關系的提取，實現(xiàn)了工作轉速下采集一次振動數(shù)據(jù)即可完成不平衡量的無試重識別。
為了在非真實失衡面對呈現(xiàn)柔性特征的主軸轉子失衡振動進行有效抑制，分析了柔性狀態(tài)下的不平衡主軸模態(tài)振動行為，并基于此提出了不平衡量校正位置遷移方法。在高速柔性電主軸動平衡平臺上進行了仿真與實驗分析，實驗在7200r／min時進行，結果表明：基于一階臨界轉速下所采集的振動數(shù)據(jù)，可得到遷移至兩側配重平面的等效不平衡量，對該不平衡量予以校正之后，一階臨界轉速下主軸振動幅值下74.7，且臨界轉速前后的振動降幅也較為明顯，有效抑制了高速振型不平衡。
裝備制造行業(yè)正朝著高速、高精度方向發(fā)展，這需要精準的數(shù)字裝備予以支撐。數(shù)控機床是數(shù)字裝備最高技術水平的載體之一，主軸系統(tǒng)作為現(xiàn)代數(shù)控機床的關鍵部件，其動態(tài)特性直接制約著零件制造精度。由于裝配工藝、變工況以及磨損等因素，主軸通常處于不平衡狀態(tài)。機床主軸作速度較高，不平衡引起的主軸振動尤為明顯，這直接影響加工質量，甚至導致主軸組件損壞。因此，必須采取措施控制主軸不平衡振動。針對這一問題，國內外開展了動平衡方法的研究。動平衡是典型的已知輸出求解輸入的逆問題，工程中通常進行多次啟停車以添加試重，從而獲取轉子影響系數(shù)、敏感因子等特性響應參數(shù)。然而，試重意味著自動化環(huán)節(jié)的中斷，破壞了高效加工的原則，并且錯誤的試重更會使高速主軸運轉狀態(tài)急劇惡化。能否通過最少的試重次數(shù)實現(xiàn)轉子的高效、平穩(wěn)運行，是衡量現(xiàn)場動平衡方法的一個重要指標。如果試重選擇得當，可以實現(xiàn)“試重即配重”的效果，能實現(xiàn)這一效果的方法被稱為“無試重平衡方法”。
大多數(shù)無試重平衡方法通常需要在臨界轉速或靠近l臨界轉速時多次獲取轉子振動信息，這增加了動平衡實施過程中的復雜性和風險性，也容易降低主軸系統(tǒng)的使用壽命。為克服上述問題，本文結合剛體力學平衡理論，提出一種僅需在低于臨界轉速下對主軸采集一次振動數(shù)據(jù)，即可無試重識別主軸不平衡量的策略，進而研究了基于模態(tài)分析方法的不平衡量校正位置遷移方法，實現(xiàn)了在低速下對柔性主軸不平衡振動的有效抑制。
不平衡量無試重求解有限元方法在轉子動力學分析中得到了廣泛應用，主軸有限元模型通常由離散質量圓盤、連續(xù)質量軸段以及彈性軸承座等單元組成，綜合各單元運動微分方程，可得主軸系統(tǒng)運動方程為一ioJz,+KZ—n。Ue(1)式中：z為系統(tǒng)位移向量；為自轉角速度；M為質量矩陣；I，為陀螺矩陣；K為剛度矩陣；U為不平衡矢量，對于具有N個結點的主軸系統(tǒng)U一{m1￡leiel，m2e2e2，…，N￡NeiN)T(2)其中e為偏心距，為u在單元截面的方位角。設不平衡響應的特解為Z—Ve(3)代入式(1)得振動響應向量V—nr～M+t，+K1lU(4)若u為已知，通過式(4)可求解V。
主軸在裝配之前，軸體本身的不平衡量在平衡機上經(jīng)過離線動平衡后，殘余不平衡量很小。然而，在主軸運轉時，不平衡量仍不可忽視，且更多出現(xiàn)在電機繞組及刀具刀柄處。這主要是因為電機繞組結構較為復雜，高速下離心膨脹現(xiàn)象更為突出，其動平衡精度難以保證，而刀具在加工過程中頻繁使用和更換，無論是刀具磨損還是刀具更換時的安裝偏心都容易導致新的不平衡。假設在主軸前后端軸承位置設置振動監(jiān)測點，相應結點編號分別為J、是，刀具及電機繞組兩處結點編號分別為g、h。