CN102880766B - 基于参数化设计的液体静压主轴制作方法 - Google Patents

Abstract

基于参数化设计的液体静压主轴制作方法，属于液体静压主轴技术领域。它解决了现有液体静压主轴制作效率低，并且其计算过程中对主轴切削稳定性的预测与实际结果相差较大的问题。首先建立液体静压主轴的参数化有限元模型；预设置液体静压主轴的结构参数的初始值；对液体静压主轴的静压轴承承载特性进行数值模拟，获得液体静压主轴静压轴承的轴承刚度矩阵及轴承温升；计算获得液体静压主轴的动态参数和具有涡动效应的主轴动态特性；再得到主轴的临界切削厚度；当上述结果满足主轴制作要求，则通过人机交互界面输出上述数据，实现液体静压主轴的制作。本发明用于制作液体静压主轴。

Description

基于参数化设计的液体静压主轴制作方法

技术领域

本发明涉及一种基于参数化设计的液体静压主轴制作方法，属于液体静压主轴技术领域。

背景技术

随着液体气体静压技术的成熟，液体气体静压主轴发展迅速。因为液体气体静压主轴采用油膜或气膜替代滚珠轴承，不仅在实现更高的转速的同时提高了主轴的转动精度，而且无磨损，由此大大提高了主轴的寿命。因此，在精密和超精密设备中除特殊场合外几乎完全采用静压轴承。

但是，液体静压主轴不同于一般主轴，它的动态性能主要受液体静压轴承的影响，它的设计计算是基于流体动力学和热力学，需要较为专业的设计人员，这为液体气体静压主轴的制作带来了困难，并且制作效率低。此外，液体静压轴承一般都是与主轴外套一体的，轴承的尺寸与主轴的形状尺寸是相互协调相互制约的，轴承节流孔的大小，轴承间隙，轴承位置尺寸的改变对主轴的动态性能都有极大的影响，如何在制作开始阶段建立节流孔的大小，轴承间隙，轴承位置尺寸等与主轴的动态性能的对应关系，以在设计阶段对主轴的性能进行预测并优化主轴结构，使主轴获得最佳的动态性能是目前液体静压主轴制作过程面临的难题。

现有液体静压主轴的制作中存在着以下缺陷：

1.在设计阶段通常基于静力学设计，只能得到轴承的设计刚度而无法预知所设计液体静压主轴的动态特性；

2.在制作过程中只能够针对给定尺寸的主轴轴体进行设计计算，无法实现主轴的变尺寸设计；

3.在设计过程中无法通过轴承尺寸参数，如节流孔直径和油膜厚度等实现对主轴轴承刚度和温升的实时预测，更无法建立轴承尺寸参数与主轴动态性能之间的对应关系，无法实现对主轴动态性能的快速预测。

4.主轴的动态性能对切削稳定性具有关键性的影响，但是在液体静压主轴设计过程中却无法快速的实现切削稳定性的预测，需要经过繁琐的求解和推导，需要专门的技术人员从事该项工作，增加了主轴的设计时间。有些设计人员在设计过程中甚至忽略对切削稳定性的预测，导致设计的主轴不满足加工要求。

5.在以往的主轴设计过程中，对切削稳定性的预测多是以所预测得到的主轴的静态特性为基础的，而主轴在进行切削时是高速旋转的，由于主轴在高速旋转时的动态性能与主轴在静止时的静态性能相差较大，因此基于主轴静态特性的切削稳定性预测与实际结果相差较大。

发明内容

本发明是为了解决现有液体静压主轴制作效率低，并且其计算过程中对主轴切削稳定性的预测与实际结果相差较大的问题，提供一种基于参数化设计的液体静压主轴制作方法。

本发明所述基于参数化设计的液体静压主轴制作方法，它包括以下步骤，

步骤一：建立液体静压主轴的参数化有限元模型；

步骤二：预设置液体静压主轴的结构参数的初始值；

步骤三：基于步骤一中所述的参数化有限元模型及液体静压主轴的结构参数，对液体静压主轴的静压轴承承载特性进行数值模拟，获得液体静压主轴静压轴承的轴承刚度矩阵及轴承温升；

步骤四：根据步骤三中得到的液体静压主轴静压轴承的轴承刚度矩阵及轴承温升，运用机械动力学和有限元方法对液体静压主轴的动态参数进行预测，得到液体静压主轴的动态参数；同时，运用转子动力学方法对液体静压主轴进行转子动力学分析，得到液体静压主轴在不同转速下具有涡动效应的主轴动态特性；

步骤五：根据步骤四中预测获得的液体静压主轴的动态参数及具有涡动效应的主轴动态特性，运用切削颤振原理对液体静压主轴的切削稳定性进行预测，得到液体静压主轴的临界切削厚度；

步骤六：判断步骤四中获得的液体静压主轴的动态参数、具有涡动效应的主轴动态特性、步骤五中获得的临界切削厚度及步骤三中获得的轴承温升是否满足液体静压主轴的制作要求，若是，执行步骤七；否则，对液体静压主轴和静压轴承的结构参数进行调整，返回步骤三；

步骤七：将步骤六中判断为满足液体静压主轴制作要求的液体静压主轴的动态参数、具有涡动效应的主轴动态特性及临界切削厚度通过人机交互界面输出，用户根据输出的数据，实现液体静压主轴的制作。

所述步骤一中建立液体静压主轴的参数化有限元模型的具体方法为：

步骤一一：确定液体静压主轴的结构形状，并将其参数化；

步骤一二：基于ANSYS软件采用参数化编程语言APDL对液体静压主轴进行参数化建模，获得液体静压主轴的参数化模型，然后再对该参数化模型运用SOLID186单元进行尺寸驱动网格划分，获得液体静压主轴的参数化有限元模型。

所述步骤三中获得液体静压主轴静压轴承的轴承刚度矩阵及轴承温升的具体方法为：

步骤三一：采用MATLAB软件建立静压轴承的流体力学计算模型；

步骤三二：建立人机交互界面，基于该人机交互界面，运用液体静压原理求解获得液体静压主轴静压轴承的轴承刚度矩阵及轴承温升。

所述步骤四中对液体静压主轴的动态参数进行预测的具体方法为：

步骤四一：建立MATLAB和ANSYS接口，将由MATLAB求解获得的液体静压主轴的轴承刚度矩阵传递到ANSYS中，并与步骤三二中获得的液体静压主轴静压轴承的轴承刚度矩阵耦合，以实现所述静压轴承尺寸与液体静压主轴尺寸相协调一致，使液体静压主轴的结构参数自适应发生形状的变化，并使静压轴承的径向轴承以及轴向轴承的刚度随静压轴承结构尺寸的改变自适应实现实常数的变化；

步骤四二：基于人机交互式界面，编写程序实现MATLAB对ANSYS的调用；

步骤四三：求解获得液体静压主轴的动态参数。

本发明的优点是：本发明综合运用MATLAB和ANSYS软件的数值计算和动态仿真功能，通过数据共享，实现了液体静压轴承的数值计算与液体静压主轴动态仿真的有机结合，形成了液体静压主轴设计系统。该系统基于流体力学，工程热力学，转子动力学，机械动力学和切削原理，提高了液体静压主轴设计的效率和准确性。

本发明方法建立的液体静压主轴尺寸与液体静压主轴动态特性之间的对应关系，将处于主轴尺寸与主轴动态特性之间的刚度特性进行封装，能够实现由液体静压主轴尺寸到液体静压主轴动态特性的直接预测。它突破了以往基于主轴静态特性对主轴切削稳定性预测的方法，在设计阶段采用转子动力学考虑主轴高速旋转时的涡动效应，得到主轴在高速旋转时的动态特性，并基于此对主轴的切削稳定性进行预测，使得预测结果与实际结果相符的程度比较大。

本发明有效解决了以往液体静压轴承建模困难、精度低的问题，采用APDL语言对液体静压轴承的建模进行了参数化编程，能够实现液体静压轴承模型随液体静压主轴的结构参数改变而相应改变，提高了建模效率和精度。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为液体静压主轴的参数化有限元模型图；

图3为液体静压主轴的第一至第五阶模态示意图；图中的圆点表示的是旋转轴，第一阶到第三阶为主轴绕旋转轴的摆动，第四阶中的箭头，表示主轴的上下窜动，第五阶为主轴刀盘的径向扩张；

图4为液体静压主轴的第一至第五阶固有频率随油膜厚度改变的变化图；

图5为与图4对应的液体静压主轴的第一至第五阶固有频率随节流孔直径改变的变化图；

图6为液体静压主轴温度随油膜厚度改变的变化图；

图7为液体静压主轴温度随节流孔直径改变的变化图；

图8为液体静压主轴的Campbell图；

图9为液体静压主轴的动态响应图；

图10为液体静压主轴的切削稳定性图；

图11为图2仰视方向的轴向轴承图；

图12为图2的径向轴承图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图12说明本实施方式，本实施方式所述基于参数化设计的液体静压主轴制作方法，它包括以下步骤，

步骤一：建立液体静压主轴的参数化有限元模型；

步骤二：预设置液体静压主轴的结构参数的初始值；

步骤三：基于步骤一中所述的参数化有限元模型及液体静压主轴的结构参数，对液体静压主轴的静压轴承承载特性进行数值模拟，获得液体静压主轴静压轴承的轴承刚度矩阵及轴承温升；

步骤四：根据步骤三中得到的液体静压主轴静压轴承的轴承刚度矩阵及轴承温升，运用机械动力学和有限元方法对液体静压主轴的动态参数进行预测，得到液体静压主轴的动态参数；同时，运用转子动力学方法对液体静压主轴进行转子动力学分析，得到液体静压主轴在不同转速下具有涡动效应的主轴动态特性；

步骤五：根据步骤四中预测获得的液体静压主轴的动态参数及具有涡动效应的主轴动态特性，运用切削颤振原理对液体静压主轴的切削稳定性进行预测，得到液体静压主轴的临界切削厚度；

步骤六：判断步骤四中获得的液体静压主轴的动态参数、具有涡动效应的主轴动态特性、步骤五中获得的临界切削厚度及步骤三中获得的轴承温升是否满足液体静压主轴的制作要求，若是，执行步骤七；否则，对液体静压主轴和静压轴承的结构参数进行调整，返回步骤三；

步骤七：将步骤六中判断为满足液体静压主轴制作要求的液体静压主轴的动态参数、具有涡动效应的主轴动态特性及临界切削厚度通过人机交互界面输出，用户根据输出的数据，实现液体静压主轴的制作。

所述步骤五中获得的液体静压主轴的临界切削厚度，能够为刀具切削厚度的选择提供理论指导。

具体实施方式二：本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述步骤一中建立液体静压主轴的参数化有限元模型的具体方法为：

步骤一一：确定液体静压主轴的结构形状，并将其参数化；

步骤一二：基于ANSYS软件采用参数化编程语言APDL对液体静压主轴进行参数化建模，获得液体静压主轴的参数化模型，然后再对该参数化模型运用SOLID186单元进行尺寸驱动网格划分，获得液体静压主轴的参数化有限元模型。

本实施方式中，对体静压主轴的参数化建模，实现了快速建模功能，提高了建模效率，能有效降低设计人员工作量。解决了现有技术中的建模效率低和无法实现尺寸驱动的问题。

具体实施方式三：本实施方式为对实施方式二的进一步说明，所述步骤三中获得液体静压主轴静压轴承的轴承刚度矩阵及轴承温升的具体方法为：

步骤三一：采用MATLAB软件建立静压轴承的流体力学计算模型；

步骤三二：建立人机交互界面，基于该人机交互界面，运用液体静压原理求解获得液体静压主轴静压轴承的轴承刚度矩阵及轴承温升。

所述静压轴承的流体力学计算模型的参数包括：轴向、径向轴承的尺寸参数、节流孔的直径、油膜厚度、油液的密度、粘度、主轴的转速等；

具体实施方式四：下面结合图1至图12说明本实施方式，本实施方式为对实施方式三的进一步说明，所述步骤四中对液体静压主轴的动态参数进行预测的具体方法为：

步骤四一：建立MATLAB和ANSYS接口，将由MATLAB求解获得的液体静压主轴的轴承刚度矩阵传递到ANSYS中，并与步骤三二中获得的液体静压主轴静压轴承的轴承刚度矩阵耦合，以实现所述静压轴承尺寸与液体静压主轴尺寸相协调一致，使液体静压主轴的结构参数自适应发生形状的变化，并使静压轴承的径向轴承以及轴向轴承的刚度随静压轴承结构尺寸的改变自适应实现实常数的变化；

步骤四二：基于人机交互式界面，编写程序实现MATLAB对ANSYS的调用；

步骤四三：求解获得液体静压主轴的动态参数。

液体静压主轴的动态参数主要包含各阶振型及固有频率。

本发明方法对液体静压主轴的建模实现了自动前处理功能，能够输出高质量的结构化网格。在数值模拟过程中使轴承油膜单元与主轴轴体单元一一对应耦合，有效的提高了模型的精度。快速建模功能和自动前处理功能取代了设计人员的手工操作过程，降低了对设计人员的要求，可显著地提高建模与前处理的效率，使得设计人员可高效便捷地实现快速建模和前处理功能。

本发明方法涉及流体力学模拟、机械动力学预测和机械优化设计。它通过建立液体静压主轴的参数化模型及液体静压轴承计算模型，进行油膜承载特性数值模拟，数值模拟后导出油膜的刚度及温升，将计算得到的油膜刚度矩阵与主轴刚度矩阵叠加，对主轴的动态性能进行预测；如果预测结果不满足制作要求，则对主轴结构参数进行调整；如此循环调整，直至得到的主轴动态特性满足设计要求；最后得出主轴的固有频率、振型图、极限转速和切削稳定性图。

Claims (2)

1.一种基于参数化设计的液体静压主轴制作方法，其特征在于：它包括以下步骤，

步骤一：建立液体静压主轴的参数化有限元模型；

步骤二：预设置液体静压主轴的结构参数的初始值；

步骤三：基于步骤一中所述的参数化有限元模型及液体静压主轴的结构参数，对液体静压主轴的静压轴承承载特性进行数值模拟，获得液体静压主轴静压轴承的轴承刚度矩阵及轴承温升；

步骤四：根据步骤三中得到的液体静压主轴静压轴承的轴承刚度矩阵及轴承温升，运用机械动力学和有限元方法对液体静压主轴的动态参数进行预测，得到液体静压主轴的动态参数；同时，运用转子动力学方法对液体静压主轴进行转子动力学分析，得到液体静压主轴在不同转速下具有涡动效应的主轴动态特性；

步骤五：根据步骤四中预测获得的液体静压主轴的动态参数及具有涡动效应的主轴动态特性，运用切削颤振原理对液体静压主轴的切削稳定性进行预测，得到液体静压主轴的临界切削厚度；

步骤六：判断步骤四中获得的液体静压主轴的动态参数、具有涡动效应的主轴动态特性、步骤五中获得的临界切削厚度及步骤三中获得的轴承温升是否满足液体静压主轴的制作要求，若是，执行步骤七；否则，对液体静压主轴和静压轴承的结构参数进行调整，返回步骤三；

步骤七：将步骤六中判断为满足液体静压主轴制作要求的液体静压主轴的动态参数、具有涡动效应的主轴动态特性及临界切削厚度通过人机交互界面输出，用户根据输出的数据，实现液体静压主轴的制作；

所述步骤三中获得液体静压主轴静压轴承的轴承刚度矩阵及轴承温升的具体方法为：

步骤三一：采用MATLAB软件建立静压轴承的流体力学计算模型；

步骤三二：建立人机交互界面，基于该人机交互界面，运用液体静压原理求解获得液体静压主轴静压轴承的轴承刚度矩阵及轴承温升；

所述步骤四中对液体静压主轴的动态参数进行预测的具体方法为：

步骤四一：建立MATLAB和ANSYS接口，将由MATLAB求解获得的液体静压主轴的轴承刚度矩阵传递到ANSYS中，并与步骤三二中获得的液体静压主轴静压轴承的轴承刚度矩阵耦合，以实现所述静压轴承尺寸与液体静压主轴尺寸相协调一致，使液体静压主轴的结构参数自适应发生形状的变化，并使静压轴承的径向轴承以及轴向轴承的刚度随静压轴承结构尺寸的改变自适应实现实常数的变化；

步骤四二：基于人机交互式界面，编写程序实现MATLAB对ANSYS的调用；

步骤四三：求解获得液体静压主轴的动态参数。

2.根据权利要求1所述的基于参数化设计的液体静压主轴制作方法，其特征在于：

所述步骤一中建立液体静压主轴的参数化有限元模型的具体方法为：

步骤一一：确定液体静压主轴的结构形状，并将其参数化；

步骤一二：基于ANSYS软件采用参数化编程语言APDL对液体静压主轴进行参数化建模，获得液体静压主轴的参数化模型，然后再对该参数化模型运用SOLID186单元进行尺寸驱动网格划分，获得液体静压主轴的参数化有限元模型。