為解決機(jī)床柔性主軸轉(zhuǎn)子動(dòng)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(zhuǎn)子低速無試重動(dòng)平衡方法。在構(gòu)建機(jī)床主軸動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)剛體力學(xué)理論，通過對(duì)不平衡量與振動(dòng)響應(yīng)之間映射關(guān)系的提取，實(shí)現(xiàn)了工作轉(zhuǎn)速下采集一次振動(dòng)數(shù)據(jù)即可完成不平衡量的無試重識(shí)別。
為了在非真實(shí)失衡面對(duì)呈現(xiàn)柔性特征的主軸轉(zhuǎn)子失衡振動(dòng)進(jìn)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(dòng)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(dòng)平衡平臺(tái)上進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)在7200r／min時(shí)進(jìn)行，結(jié)果表明：基于一階臨界轉(zhuǎn)速下所采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)，可得到遷移至兩側(cè)配重平面的等效不平衡量，對(duì)該不平衡量予以校正之后，一階臨界轉(zhuǎn)速下主軸振動(dòng)幅值下74.7，且臨界轉(zhuǎn)速前后的振動(dòng)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(zhǔn)的數(shù)字裝備予以支撐。數(shù)控機(jī)床是數(shù)字裝備最高技術(shù)水平的載體之一，主軸系統(tǒng)作為現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件，其動(dòng)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(jī)床主軸作速度較高，不平衡引起的主軸振動(dòng)尤為明顯，這直接影響加工質(zhì)量，甚至導(dǎo)致主軸組件損壞。因此，必須采取措施控制主軸不平衡振動(dòng)。針對(duì)這一問題，國內(nèi)外開展了動(dòng)平衡方法的研究。動(dòng)平衡是典型的已知輸出求解輸入的逆問題，工程中通常進(jìn)行多次啟停車以添加試重，從而獲取轉(zhuǎn)子影響系數(shù)、敏感因子等特性響應(yīng)參數(shù)。然而，試重意味著自動(dòng)化環(huán)節(jié)的中斷，破壞了高效加工的原則，并且錯(cuò)誤的試重更會(huì)使高速主軸運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)急劇惡化。能否通過最少的試重次數(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的高效、平穩(wěn)運(yùn)行，是衡量現(xiàn)場動(dòng)平衡方法的一個(gè)重要指標(biāo)。如果試重選擇得當(dāng)，可以實(shí)現(xiàn)“試重即配重”的效果，能實(shí)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(zhuǎn)速或靠近l臨界轉(zhuǎn)速時(shí)多次獲取轉(zhuǎn)子振動(dòng)信息，這增加了動(dòng)平衡實(shí)施過程中的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)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(jié)合剛體力學(xué)平衡理論，提出一種僅需在低于臨界轉(zhuǎn)速下對(duì)主軸采集一次振動(dòng)數(shù)據(jù)，即可無試重識(shí)別主軸不平衡量的策略，進(jìn)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(shí)現(xiàn)了在低速下對(duì)柔性主軸不平衡振動(dòng)的有效抑制。
不平衡量無試重求解有限元方法在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析中得到了廣泛應(yīng)用，主軸有限元模型通常由離散質(zhì)量圓盤、連續(xù)質(zhì)量軸段以及彈性軸承座等單元組成，綜合各單元運(yùn)動(dòng)微分方程，可得主軸系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程為一ioJz,+KZ—n。Ue(1)式中：z為系統(tǒng)位移向量；為自轉(zhuǎn)角速度；M為質(zhì)量矩陣；I，為陀螺矩陣；K為剛度矩陣；U為不平衡矢量，對(duì)于具有N個(gè)結(jié)點(diǎn)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(shè)不平衡響應(yīng)的特解為Z—Ve(3)代入式(1)得振動(dòng)響應(yīng)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(jī)上經(jīng)過離線動(dòng)平衡后，殘余不平衡量很小。然而，在主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，不平衡量仍不可忽視，且更多出現(xiàn)在電機(jī)繞組及刀具刀柄處。這主要是因?yàn)殡姍C(jī)繞組結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，高速下離心膨脹現(xiàn)象更為突出，其動(dòng)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(shí)的安裝偏心都容易導(dǎo)致新的不平衡。假設(shè)在主軸前后端軸承位置設(shè)置振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)，相應(yīng)結(jié)點(diǎn)編號(hào)分別為J、是，刀具及電機(jī)繞組兩處結(jié)點(diǎn)編號(hào)分別為g、h。
為了在非真實(shí)失衡面對(duì)呈現(xiàn)柔性特征的主軸轉(zhuǎn)子失衡振動(dòng)進(jìn)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(dòng)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(dòng)平衡平臺(tái)上進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)在7200r／min時(shí)進(jìn)行，結(jié)果表明：基于一階臨界轉(zhuǎn)速下所采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)，可得到遷移至兩側(cè)配重平面的等效不平衡量，對(duì)該不平衡量予以校正之后，一階臨界轉(zhuǎn)速下主軸振動(dòng)幅值下74.7，且臨界轉(zhuǎn)速前后的振動(dòng)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(zhǔn)的數(shù)字裝備予以支撐。數(shù)控機(jī)床是數(shù)字裝備最高技術(shù)水平的載體之一，主軸系統(tǒng)作為現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件，其動(dòng)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(jī)床主軸作速度較高，不平衡引起的主軸振動(dòng)尤為明顯，這直接影響加工質(zhì)量，甚至導(dǎo)致主軸組件損壞。因此，必須采取措施控制主軸不平衡振動(dòng)。針對(duì)這一問題，國內(nèi)外開展了動(dòng)平衡方法的研究。動(dòng)平衡是典型的已知輸出求解輸入的逆問題，工程中通常進(jìn)行多次啟停車以添加試重，從而獲取轉(zhuǎn)子影響系數(shù)、敏感因子等特性響應(yīng)參數(shù)。然而，試重意味著自動(dòng)化環(huán)節(jié)的中斷，破壞了高效加工的原則，并且錯(cuò)誤的試重更會(huì)使高速主軸運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)急劇惡化。能否通過最少的試重次數(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的高效、平穩(wěn)運(yùn)行，是衡量現(xiàn)場動(dòng)平衡方法的一個(gè)重要指標(biāo)。如果試重選擇得當(dāng)，可以實(shí)現(xiàn)“試重即配重”的效果，能實(shí)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(zhuǎn)速或靠近l臨界轉(zhuǎn)速時(shí)多次獲取轉(zhuǎn)子振動(dòng)信息，這增加了動(dòng)平衡實(shí)施過程中的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)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(jié)合剛體力學(xué)平衡理論，提出一種僅需在低于臨界轉(zhuǎn)速下對(duì)主軸采集一次振動(dòng)數(shù)據(jù)，即可無試重識(shí)別主軸不平衡量的策略，進(jìn)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(shí)現(xiàn)了在低速下對(duì)柔性主軸不平衡振動(dòng)的有效抑制。
不平衡量無試重求解有限元方法在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析中得到了廣泛應(yīng)用，主軸有限元模型通常由離散質(zhì)量圓盤、連續(xù)質(zhì)量軸段以及彈性軸承座等單元組成，綜合各單元運(yùn)動(dòng)微分方程，可得主軸系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程為一ioJz,+KZ—n。Ue(1)式中：z為系統(tǒng)位移向量；為自轉(zhuǎn)角速度；M為質(zhì)量矩陣；I，為陀螺矩陣；K為剛度矩陣；U為不平衡矢量，對(duì)于具有N個(gè)結(jié)點(diǎn)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(shè)不平衡響應(yīng)的特解為Z—Ve(3)代入式(1)得振動(dòng)響應(yīng)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(jī)上經(jīng)過離線動(dòng)平衡后，殘余不平衡量很小。然而，在主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，不平衡量仍不可忽視，且更多出現(xiàn)在電機(jī)繞組及刀具刀柄處。這主要是因?yàn)殡姍C(jī)繞組結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，高速下離心膨脹現(xiàn)象更為突出，其動(dòng)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(shí)的安裝偏心都容易導(dǎo)致新的不平衡。假設(shè)在主軸前后端軸承位置設(shè)置振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)，相應(yīng)結(jié)點(diǎn)編號(hào)分別為J、是，刀具及電機(jī)繞組兩處結(jié)點(diǎn)編號(hào)分別為g、h。
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