[发明专利]一种考虑主轴-轴承耦合的混合预紧轴承刚度计算方法

说明书

技术领域

本发明属于主轴轴承刚度分析领域，涉及一种考虑主轴-轴承耦合关系的混合预紧轴承刚度计算方法，该方法运用有限迭代法计算轴承刚度并考虑了混合预紧及主轴-轴承耦合关系的影响。

背景技术

电主轴是数控机床的关键部件之一。其特点是将机床主轴与主轴电机合二为一，机床主轴由内装式电机直接驱动，把机床主传动链缩短为零，从而实现了机床的零传动。电主轴具有高转速、大功率、响应快、简化机床设计、易于实现主轴定位等优点。高速精密轴承技术是电主轴实现高速化和精密化的关键。由于定位预紧轴承具有很好的承载能力，定压预紧轴承具有良好的高速性能，因此电主轴通常采用混合预紧技术，从而兼具有较好的承载与高速性能。主轴与轴承通过轴承内圈配合，在主轴高速切削时，主轴的振动会传递给轴承内圈，使内圈产生位移，改变轴承刚度。然而在通常的电主轴设计分析中却并未考虑这一点，也并没有考虑混合预紧方式的影响。随着电主轴的高速化和精密化，有必要考虑混合预紧及主轴-轴承的耦合关系对轴承动刚度的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑主轴-轴承耦合关系的混合预紧轴承刚度计算方法，该方法运用有限迭代法计算轴承刚度并考虑了混合预紧及主轴-轴承耦合关系的影响。该方法首先建立定位预紧轴承、定压预紧轴承的迭代方程组以及主轴动力学方程，然后以轴承刚度和主轴支撑节点位移(即轴承内圈位移)为耦合量将主轴与轴承进行耦合，最后基于有限迭代法使用Matlab编写计算程序得到混合预紧轴承的刚度值。

本发明是采用以下技术手段实现的：

1、首先对轴承进行拟静力学分析，建立滚动体的力平衡方程和定位、定压预紧轴承的变形协调方程，再由力平衡方程和变形协调方程组成角接触球轴承的迭代方程组。

2、用有限元的方法，考虑5个方向的自由度，建立主轴的动力学方程。

3、以轴承刚度和主轴支撑节点位移(轴承内圈位移)为耦合量对主轴、轴承进行耦合。

4、按照计算流程编写Matlab程序计算轴承刚度。

本发明的特点在于考虑了混合预紧及主轴-轴承耦合关系对轴承刚度的影响，能够对轴承在承载、高速切削工况下的动刚度进行精确计算。本发明提供的方法可为电主轴的设计及使用提供指导。

通过下面的描述并结合附图说明，本发明会更加清晰，附图说明用于解释本发明方法及实施例。

附图说明

图1主轴-轴承系统工作状态示意图

图2滚动体的受力分析

图3定位预紧轴承几何关系

图4定压预紧轴承的几何关系

图5主轴-轴承的耦合关系

图6轴承刚度计算流程图

图7主轴-轴承系统示意图

图8主轴有限元模型

图9各工况下的轴承刚度，其中(a)为轴承A刚度；(b)为轴承B刚度；(c)为轴承C刚度。

具体实施方式

本发明实施一种考虑主轴-轴承耦合关系的混合预紧轴承刚度计算方法，下面结合附图，对本发明的实施进行具体说明。

图1为主轴-轴承系统工作状态示意图。如图所示，主轴前端轴承采用定位预紧，后端轴承采用定压预紧。虚线表示静止状态，实线表示工作状态。主轴在高转速及切削载荷作用下产生动态位移，主轴支撑节点及轴承内圈位移为{qi}、{qj}、{qk}。定位预紧轴承的外圈视为固定，定压预紧轴承的外圈可沿轴向滑动。

第一步，建立混合预紧轴承的迭代方程组

1.1滚动体的力平衡方程

如图2所示为滚动体的受力分析。根据拟静力学理论，滚动体的水平和竖直方向的平衡方程为：