一种获取机床主轴关键参数的仿真分析耦合方法与流程

1.本发明涉及机床技术领域，更具体的说是涉及一种获取机床主轴关键参数的仿真分析耦合方法。


背景技术：

2.目前针对机床中主轴部件的有限元优化仿真工作主要从静力学和动力学入手，其中静力学主要通过应力应变分析查看关键零部件的变形情况，在保证零部件足够强度的前提下尽量减小零部件的变形，而动力学主要是计算部件在受外界随时间变化载荷下的响应，这包含模态分析、谐响应分析以及谱分析、随机振动等问题，模态分析是所有动力学分析研究的基础，而模态分析中所需要获取的各阶固有频率更是体现部件本身动力学属性的关键参数。一般而言针对静力学中关键零部件的变形量是越小越好，而对于模态分析中的固有频率则是希望越大越好，这样不仅部件不容易变形且受外界动载荷的影响也较小。
3.在模态分析中，部件中接触面上的刚度值通常简化为加载弹簧的约束方式，对于平面或圆柱面等规则接触面上设置弹簧的刚度值可以为总体刚度值除加载的弹簧数量，对于接触面为球面的弹簧加载形式则无法较好的确定其具体数值，如此严重影响了动力学的仿真精度；且通常在对主轴部件进行有限元分析优化时，往往分别对静力学或动力学单独进行分析，分析后的结果参数无法同时较好的满足静力学与动力学的要求。
4.因此，如何提供一种能够同时满足静力学和动力学并且精度高的获取机床主轴关键参数的仿真分析耦合方法是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种获取机床主轴关键参数的仿真分析耦合方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种获取机床主轴关键参数的仿真分析耦合方法，所述主轴装配体中包括主轴本体、主轴轴承和电机转子，包括以下步骤：
8.s1.构建主轴装配体，对所述主轴装配体中的结构尺寸和装配尺寸分别进行参数化，将参数化后的所述结构尺寸作为第一类参数化变量值，参数化后的所述装配尺寸作为第二类参数化变量值；
9.s2.针对所述主轴装配体，添加约束条件，所述约束条件包括所述主轴本体与所述主轴轴承之间以及所述主轴本体与所述电机转子之间的约束条件；
10.s3.对所述主轴装配体中所包括的所有零部件均进行有限元网格划分；
11.s4.进行静力学分析，获得所述主轴装配体中所有零部件在受自身重力影响下的最大变形量，根据所获得的最大变形量获取应变云图，并将最大变形量作为第一目标值；
12.s5.将静力学分析中计算结果作为参考依据重新设置所述约束条件，对所述主轴装配体进行模态分析，得到所述主轴装配体中的各阶固有频率，并将所述主轴装配体的第一阶固有频率作为第二目标值；
13.s6.将所述第一目标值和所述第二目标值作为优化目标，同时设置所述第一类参数化变量值及所述第二类参数化变量值的变量名称取值范围，通过所述参数化分析计算得出所述第一类参数化变量值及所述第二类参数化变量值的最优值；
14.s7.以所述最优值重新进行所述主轴装配体的静力学分析及模态分析后得到相应结果，并将当前结果分别与未参数化分析前的静力学分析和模态分析结果进行对比，将变形量更变小并且第一阶固有频率更大的最优值用于所述主轴实际装配体的加工生产中。
15.优选的，s1中构建主轴装配体的具体内容包括：
16.建立主轴实际装配体，并对所述主轴实际装配体进行特征简化，得到所述主轴装配体。
17.优选的，所述特征简化的规则包括：
18.3)所述主轴实际装配体零部件之间的接触装配关系不变；
19.4)所述主轴实际装配体零部件的整体质量及质心保持不变；
20.具体简化内容包括：
21.完全保留要查看变形量结构件的所有特征，包括工艺孔、倒角和沟槽特征；
22.删除标准件和标准件所在位置工艺孔；
23.删除装配体中厚度薄和尺寸小的零部件，对于辅助作用的塑料件进行全部删除；
24.对于厚度和尺寸较大零件，仅保留基本特征，删除倒角、圆孔和沟槽特征；
25.删除外观保护钣金件。
26.优选的，s2中在添加边界条件和约束条件前还包括：
27.设置所述简化后主轴装配体中各零部件材料属性。
28.优选的，所述第一类参数化变量值和所述第二类参数化变量值的数量均包括一个以上；
29.其中，所述第一类参数化变量值至少包括所述主轴本体直径、主轴本体长度，所述第二类参数化变量值至少包括所述主轴本体与所述主轴轴承之间的距离、所述主轴轴承与所述主轴本体轴端之间的距离。
30.优选的，所述主轴轴承与所述主轴本体之间的约束采用弹簧，所述主轴本体与所述电机转子之间采用限制自由度约束；所述主轴轴承与所述主轴本体之间采用半球面轴承接触形式。
31.优选的，s3中进行有限元网格划分前获取初始弹簧刚度值，将所述初始弹簧刚度值用于进行有限元计算，并采用试验与所述静力学分析结果结合的方式重新确定弹簧刚度值，完成初始弹簧刚度值的更新，具体内容包括：
32.1)通过对所述主轴实际装配体的轴端加载轴向力f1及径向力f2，测量所述主轴本体在轴向及径向的实际变形量分别为δ1和δ2，计算得出所述主轴本体在轴向及径向的实际刚度分别为k1及k2；
33.2)在所述静力学分析中，对所述主轴装配体加载相同数值的轴向力f1及径向力f2，将所述弹簧加载于所述主轴轴承与所述主轴本体的半球接触面上，设置的弹簧数量不限，所述弹簧沿着主轴轴线的周向均匀布置，设定单个所述弹簧刚度值为kc，进行所述静力学分析后，在有限元分析软件中计算得出的仿真主轴轴向及径向变形量分别为δ1
′
和δ2
′
，由公式k＝f/δ计算得出所述仿真主轴轴向及径向刚度分别为k1
′
及k2
′
；
34.3)根据所述实际轴向及径向刚度值与所述仿真轴向及径向值，分别得出所述弹簧刚度值的修正因子为：轴向修正因子为k1
′
/k1，径向修正因子为k2
′
/k2；
35.4)调整所述模态分析中加载所述弹簧的刚度值为kc
′
,kc
′
应同时满足在轴向方向的刚度值为kc*k1
′
/k1，径向方向的刚度值为kc*k2
′
/k2；
36.5)通过调整所述弹簧的刚度值及所述弹簧在所述半球接触面上的角度以满足4)中要求。
37.优选的，所述限制自由度约束为：保留所述主轴本体与所述电机转子之间的沿着所述主轴本体轴线方向的旋转及平移，以及垂直于所述主轴轴线两个径向方向的平移。
38.优选的，s3中有限元网格划分的具体内容包括：
39.1)对需要观察变形量及模态参数的零部件进行网格加密处理；
40.2)对于焊接件及螺栓连接固定件不采用接触面约束，作为一个部件处理，部件内部所有零件接触面的网格连续；
41.3)对于约束处的接触面或部件之间的绑定接触面进行网格匹配处理，保证所有零部件之间接触面之间的网格匹配且连续。
42.优选的，所述第一目标值及所述第二目标值根据使用需求选取最大值或最小值。
43.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种获取机床主轴关键参数的仿真分析耦合方法，用静力学的结果修正动力学中的约束条件，并同时以静力学及动力学的结果作为优化目标值对设定的参数进行优化，在提高动力学约束条件精度的同时，也获得了满足静力学及动力学的关键参数，利用此关键参数对主轴装配体中零部件进行结构尺寸及装配尺寸设计，可以更好的平衡结构刚度及模态要求，提高主轴装配体的使用性能，同时通过耦合参数化优化的方法，不用对主轴装分别进行静力学及动力学的计算，节省了计算时间，同时利用耦合参数化后的参数直接进行试验，避免了多次重复的试验验证工作，避免了试验过程中的材料浪费，节约成本，提高了主轴装配体设计试验周期。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
45.图1为本发明实施例提供的一种获取机床主轴关键参数的仿真分析耦合方法的流程示意图；
46.图2为本发明实施例提供的一种获取机床主轴关键参数的仿真分析耦合方法中所构建的主轴装配体的结构示意图；
47.主轴转子-1、电机定子-2、主轴外壳-3、主轴轴承-4、主轴本体-5、多孔介质轴瓦-6。
具体实施方式
48.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.本发明实施例公开了一种获取机床主轴关键参数的仿真分析耦合方法，如图1所示，主轴装配体中包括主轴本体5、主轴轴承4和电机转子，包括以下步骤：
50.s1.构建主轴装配体，对主轴装配体中的结构尺寸和装配尺寸分别进行参数化，将参数化后的结构尺寸作为第一类参数化变量值，参数化后的装配尺寸作为第二类参数化变量值；
51.s2.针对主轴装配体，添加约束条件，约束条件包括主轴本体5与主轴轴承4之间以及主轴本体5与电机转子之间的约束条件；
52.s3.对主轴装配体中所包括的所有零部件均进行有限元网格划分；
53.s4.进行静力学分析，获得主轴装配体中所有零部件在受自身重力影响下的最大形变量，根据所获得的最大变形量获取应变云图，并将最大变形量作为第一目标值；
54.s5.将静力学分析中计算结果作为参考依据重新设置约束条件，对主轴装配体进行模态分析，得到主轴装配体中的各阶固有频率，并将主轴装配体的第一阶固有频率作为第二目标值；
55.s6.将第一目标值和第二目标值作为优化目标，同时设置第一类参数化变量值及第二类参数化变量值的变量名称取值范围，通过参数化分析计算得出第一类参数化变量值及第二类参数化变量值的最优值；
56.s7.以最优值重新进行主轴装配体的静力学分析及模态分析后得到相应结果，并将当前结果分别与未参数化分析前的静力学分析和模态分析结果进行对比，将变形量更变小并且第一阶固有频率更大的最优值用于主轴实际装配体的加工生产中。
57.需要说明的是：
58.在建立主轴装配体时，结构或者装配尺寸在最初的三维模型中存在初始值，例如轴的直径为30mm、轴承与主轴端面的安装距离为100mm，将上述在装配中所关心的，或者对结构静力学、动力学影响很大的重要参数指定为可以修改的参数化变量值，从而对结构尺寸和装配尺寸进行修改。
59.s4中静力学分析计算得到的结果包括主轴本体的最大变形量，主轴本体的变形会引起主轴轴线弯曲，降低主轴装配使用精度，应变云图用于显示变形量大小，根据变形量和加载的弹簧刚度值，计算得出主轴刚度，判断其与实际试验中测量的主轴刚度是否一致，如不一致，根据变量调整加载的弹簧的刚度值，确保通过在有限元中变形量计算的主轴刚度和实际测量的刚度一致，如此可以提高仿真精度，设置的弹簧刚度数值更加准确。
60.为了进一步实施上述技术方案，s1中构建主轴装配体的具体内容包括：
61.建立主轴实际装配体，并对主轴实际装配体进行特征简化，得到主轴装配体。
62.为了进一步实施上述技术方案，特征简化的规则包括：
63.1)主轴实际装配体零部件之间的接触装配关系不变；
64.2)主轴实际装配体零部件的整体质量及质心保持不变；
65.具体简化内容包括：
66.完全保留要查看变形量结构件的所有特征，包括工艺孔、倒角和沟槽特征；
67.删除标准件和标准件所在位置工艺孔；
68.删除装配体中厚度薄和尺寸小的零部件，对于辅助作用的塑料件进行全部删除；
69.对于厚度和尺寸较大零件，仅保留基本特征，删除倒角、圆孔和沟槽特征；
70.删除外观保护钣金件。
71.为了进一步实施上述技术方案，s2中在添加边界条件和约束条件前还包括：
72.设置简化后主轴装配体中各零部件材料属性。
73.需要说明的是：
74.进行特征简化可以减少整体网格数量，提高仿真计算效率。
75.为了进一步实施上述技术方案，第一类参数化变量值和第二类参数化变量值的数量均包括一个以上变量；
76.其中，第一类参数化变量值至少包括主轴本体5直径、主轴本体5长度，第二类参数化变量值至少包括主轴本体5与主轴轴承4之间的距离、主轴轴承4与主轴本体5轴端之间的距离。
77.需要说明的是：
78.采用第一类参数化变量值和第二类参数化变量值，可以对装配体中任何感兴趣的，需要重点优化的零部件中的关键参数进行参数化，同时对零部件之间的装配关系也进行参数化，后续耦合计算过程中，零部件本身结构尺寸及零部件之间装配尺寸同时发生变化，更好的满足优化设计的需求。
79.为了进一步实施上述技术方案，主轴轴承4与主轴本体5之间的约束采用弹簧，主轴本体5与电机转子之间采用限制自由度约束；主轴轴承4与主轴本体5之间采用半球面轴承接触形式。
80.需要说明的是：
81.通过试验加静力学结果对比及调整的方式，提高约束条件的准确度。
82.如图2所示，本实施例中，主轴装配体中包括主轴转子1、电机定子2、主轴外壳3、主轴轴承4、主轴本体5、多孔介质轴瓦6，仿真特征简化时，将多孔介质轴瓦6删除，在主轴轴承4与主轴本体5之间的球面上添加弹簧约束。
83.为了进一步实施上述技术方案，s3中进行有限元网格划分前获取初始弹簧刚度值，将初始弹簧刚度值用于进行有限元计算，并采用试验与静力学分析结果结合的方式重新确定弹簧刚度值，完成初始弹簧刚度值的更新，具体内容包括：
84.1)通过对主轴实际装配体的轴端加载轴向力f1及径向力f2，测量主轴本体5在轴向及径向的实际变形量分别为δ1和δ2，计算得出主轴本体5在轴向及径向的实际刚度分别为k1及k2；
85.2)在静力学分析中，对主轴装配体加载相同数值的轴向力f1及径向力f2，将弹簧加载于主轴轴承4与主轴本体5的半球接触面上，设置的弹簧数量不限，弹簧沿着主轴轴线的周向均匀布置，设定单个弹簧刚度值为kc，进行静力学分析后，在有限元分析软件中计算得出的仿真主轴轴向及径向变形量分别为δ1
′
和δ2
′
，由公式k＝f/δ计算得出仿真主轴轴向及径向刚度分别为k1
′
及k2
′
；
86.3)根据实际轴向及径向刚度值与仿真轴向及径向值，分别得出弹簧刚度值的修正因子为：轴向修正因子为k1
′
/k1，径向修正因子为k2
′
/k2；
87.4)调整模态分析中加载弹簧的刚度值为kc
′
,kc
′
应同时满足在轴向方向的刚度值
为kc*k1
′
/k1，径向方向的刚度值为kc*k2
′
/k2；
88.5)通过调整弹簧的刚度值及弹簧在半球接触面上的角度以满足4)中要求。
89.为了进一步实施上述技术方案，限制自由度约束为：保留主轴本体5与电机转子之间的沿着主轴本体5轴线方向的旋转及平移，以及垂直于主轴轴线两个径向方向的平移。
90.为了进一步实施上述技术方案，s3中有限元网格划分的具体内容包括：
91.1)对需要观察变形量及模态参数的零部件进行网格加密处理；
92.2)对于焊接件及螺栓连接固定件不采用接触面约束，作为一个部件处理，部件内部所有零件接触面的网格连续；
93.3)对于约束处的接触面或部件之间的绑定接触面进行网格匹配处理，保证所有零部件之间接触面之间的网格匹配且连续。
94.为了进一步实施上述技术方案，第一目标值及所述第二目标值根据使用需求选取最大值或最小值。
95.需要说明的是：
96.根据需求对静力学及动力学中的关心的结果设置优化目标值，例如当需要主轴本体的最大变形量越小越好时，第一目标值则设置为最小，当需要主轴本体的最大变形量越大越好时，第一目标值则设置为最大，第二目标值以此类推，两个目标值选择最大值或最小值可以随意组合，可以分析在不同性能要求下对应的优化参数值。
97.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
98.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。