空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动态设计方法技术方案

本发明专利技术提供了一种空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动态设计方法，其包括以下步骤：步骤1，空气轴承电主轴结构配置设计；步骤2，空气轴承电主轴刚性转子结构的动力学参数化；步骤3，空气轴承5自由度耦合静动态特性参数分析；步骤4，空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动力学特性分析；步骤5，空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动态设计。采用本发明专利技术提供的空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动态设计技术，建立了空气动静压轴承的气体润滑模型，考虑了电主轴刚性转子5自由度之间的动态耦合，提出了以提高电主轴承载力、减低轴端振动量为设计目标，本发明专利技术专利为超精密空气轴承电主轴的动态设计提供了新技术。

【技术实现步骤摘要】
空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动态设计方法
本专利技术涉及一种空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动态设计方法，属于超精密切削加工机床主轴单元设计领域。
技术介绍
空气轴承电主轴具有高回转精度、低摩擦、小温升、无磨损、工作精度保持时间长、寿命长和无污染等优点，是高端加工机床的核心功能部件。电主轴的静动态特性直接影响切削加工机床的工作性能，提高轴承-转子系统的动态设计水平至关重要。空气轴承电主轴在加工过程中，轴端既承受轴向切削力又承受径向切削力，导致空气轴承不仅沿轴向z轴、径向x轴和y轴平动，而且绕x轴和y轴倾斜运动，为了提高空气轴承电主轴的动态设计精度，有必要建立电主轴刚性转子5自由度耦合动力学模型。对于电主轴5自由度耦合刚性转子系统的动态设计，当前国内外主要有两种建模方法：一种是仅考虑转子平移运动的三自由度动力学模型，将径向轴承线性化为二自由度8个平动动态特性系数(kξζ和cξζ，其中ξ,ζ＝x,y)，将止推轴承线性化为单自由度2个平动动态特性系数(kzz和czz)，径向和轴向平移运动互相独立；而在实际工程应用中，主轴受外载作用往往会发生挠曲变形，即转子发生倾斜，导致轴承本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动态设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1：空气轴承电主轴结构配置设计，根据电主轴承受切削力的特征，选择推力轴承、径向轴承与驱动电机的结构组配方式；步骤2：空气轴承电主轴刚性转子结构的动力学参数化处理，将电主轴的物理与几何参数，处理成电主轴转子‑轴承系统动态分析所需参数；步骤3：空气轴承5自由度静动态特性分析计算，获得径向、轴向轴承的刚度与阻尼参数矩阵；步骤4：空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动力学特性分析，获得电主轴不平衡响应、切削力激励响应以及稳定性；步骤5：空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动态设计，确定空气轴承电主轴系统的...

【技术特征摘要】
1.一种空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动态设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1：空气轴承电主轴结构配置设计，根据电主轴承受切削力的特征，选择推力轴承、径向轴承与驱动电机的结构组配方式；步骤2：空气轴承电主轴刚性转子结构的动力学参数化处理，将电主轴的物理与几何参数，处理成电主轴转子-轴承系统动态分析所需参数；步骤3：空气轴承5自由度静动态特性分析计算，获得径向、轴向轴承的刚度与阻尼参数矩阵；步骤4：空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动力学特性分析，获得电主轴不平衡响应、切削力激励响应以及稳定性；步骤5：空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动态设计，确定空气轴承电主轴系统的结构参数。2.根据权利要求1所述的空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动态设计方法，其特征在于，所述空气轴承5自由度静动态特性分析计算包括：步骤3a：考虑空气的可压缩性，列出径向空气轴承和轴向空气轴承的瞬态雷诺方程；根据节流器流入流量与轴承流出流量相等的原则，列出径向空气轴承和轴向空气轴承的瞬态流量平衡方程；步骤3b：考虑轴颈和推力盘的平移、倾斜扰动，列出气膜厚度表达式；在静平衡位置附近采用泰勒一阶展开，将一般工况下的压力表示成稳态压力和各扰动量的一次函数；步骤3c：将含有扰动量的压力和膜厚表达式代入瞬态雷诺方程，获得径向空气轴承的1个稳态雷诺方程和8个扰动雷诺方程、轴向空气轴承的1个稳态雷诺方程和6个扰动雷诺方程；将含有扰动量的压力和膜厚表达式，代入瞬态流量平衡方程，获得径向空气轴承的1个稳态流量方程和8个扰动流量方程、轴向空气轴承的1个稳态流量方程和6个扰动流量方程；步骤3d：联立稳态雷诺方程和稳态流量平衡方程，设置边界条件，运用有限差分法和牛顿迭代法离散并求解，得到空气轴承的稳态承载力矩；联立瞬态雷诺方程和瞬态流量平衡方程，设置边界条件，运用有限差分法和牛顿迭代法离散并求解，得到空气轴承的动态刚度和阻尼；进而开展主轴转速、转子偏心率以及倾角对空气轴承静、动态特性的影响分析。3.根据权利要求1所述的空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动态设计方法，其特征在于，所述执行空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动力学特性分析包括：步骤4a：基于刚体动力学理论，建立电主轴刚性转子5自由度动力学模型，列出刚性转子5自由度动力学方程组；步骤4b：采用欧拉或龙格-库塔法，求解电主轴刚性转子5自由度动力学方程组，进而对主轴不平衡响应、切削力激励响应以及稳定性等动力学特性进行分析。4.根据权利要求1所述的空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动态设计方法，其特征在于，所述步骤3a：考虑空气的可压缩性，列出径向空气轴承和轴向空气轴承的瞬态雷诺方程；根据节流器流入流量与轴承流出流量相等的原则，列出径向空气轴承和轴向空气轴承的瞬态流量平衡方程具体为：1)对于径向空气轴承，建立圆柱坐标系，瞬态雷诺方程为：式中，为无量纲气膜压力，为无量纲气膜厚度，Λ为轴承数，τ为无量纲时间，γ为涡动比；R为轴颈半径，p为气膜压力，pa为环境压力，h为气膜厚度，c0为轴承平均半径间隙，ω为轴颈角速度，μ为空气动力粘度；2)对于轴向空气轴承，建立圆柱坐标系，瞬态雷诺方程为：式中，r0为小孔节流器所在圆周半径，ω为止推盘角速度；3...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋书运，张少文，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32