一种精密内圆磨削电主轴高精度保持性设计方法技术

本发明专利技术涉及一种精密内圆磨削电主轴高精度保持性设计方法，包括：建立轴系有限元模型；为轴承和主轴选择材料；考虑轴承沟道参数与预紧力建立主轴精度仿真模型；建立主轴精度优化模型，以最小轴端径向位移为目标进行各组预紧力下的参数匹配；考虑预紧力、循环次数、应力场建立主轴磨损仿真模型；建立主轴磨损优化模型，取一组预紧组合，以最小磨损为目标进行参数匹配；建立精度保持性评价模型定量评价主轴精度保持性；在满足精度及保持性要求后输出设计模型。本发明专利技术提出了一种精密内圆磨削电主轴设计方法，用精度优化模型和磨损优化模型对主轴进行参数匹配，建立精度保持性评价模型，使设计出的电主轴满足高精度保持性要求。设计出的电主轴满足高精度保持性要求。设计出的电主轴满足高精度保持性要求。

【技术实现步骤摘要】
一种精密内圆磨削电主轴高精度保持性设计方法


[0001]本专利技术涉及一种电主轴设计领域，尤其涉及一种精密内圆磨削电主轴高精度保持性设计方法。

技术介绍

[0002]高速精密内圆磨削电主轴是实现高速磨削加工的核心部件，融合了多种技术单元。电主轴的回转精度会直接影响数控机床的加工精度、加工效率以及加工稳定性，其加工精度及保持性水平决定着数控机床乃至整个生产线的开动率；主轴在服役过程中，因异常温升、磨损等原因会导致主轴生命周期内精度的退化，其精度保持性影响了主轴的工作寿命。因此，提高电主轴的旋转精度及服役后精度的保持性十分重要。
[0003]轴承滚道参数和轴向预紧力是影响主轴旋转精度的重要因素；主轴在服役过程中因工况变化、轴承表面应力场等因素产生磨损，电主轴中的轴承的磨损会使其间隙变大，从而导致电主轴系统刚度下降、振动加剧、热特性退化、回转精度降低，进而导致数控机床的加工精度丧失。现有关于主轴旋转精度的研究中，通常仅考虑单一因素对主轴精度的影响，没有考虑预紧力和轴承沟道参数等多个因素的耦合影响；国内外学者相继围绕数控加工中心精度退化的多个方面开展了大量的研究工作，但是在电主轴精度退化和精度保持性等方面的理论分析和试验研究很少，现有关于电主轴的设计方案通常没有考虑主轴服役后的保持性，以及轴承表面应力场、轴承表面状态的改变对主轴磨损导致的精度退化的影响，缺乏对主轴高精度、保持性的研究和主轴精度保持性的评价标准。
[0004]基于上述研究的不同点，需要提出一种精密内圆磨削电主轴高精度保持性设计方法。在高精度设计中，需要考虑轴承滚道圆度误差、谐波次数和轴向预紧对高速电主轴旋转精度的耦合影响，对多个参数进行匹配优化从而实现电主轴空载时的高精度要求；在精度保持性设计中，进一步考虑主轴服役后轴承表面状态、预紧和表面应力场对主轴磨损的影响，进行主轴磨损仿真，对预紧力、轴承表面应力场、循环次数进行参数匹配，使主轴磨损最小化，从而减小电主轴寿命周期内的精度退化，并建立精度保持性评价模型对设计的主轴及参数组合进行评价，使设计出的电主轴满足高精度保持性要求。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种精密内圆磨削电主轴高精度保持性设计方法。
[0006]本专利技术的技术方案是这样实现的：一种精密内圆磨削电主轴高精度保持性设计方法，包括：
[0007]1)建立主轴
‑
轴承转子系统有限元模型；
[0008]2)对比轴承服役期间不同材料的性能，为轴承和主轴选择合适的材料；
[0009]3)考虑轴承沟道参数与预紧量对主轴旋转精度的影响，建立电主轴精度仿真模型，设置仿真参数与边界条件；
[0010]4)建立主轴精度优化模型，对预紧力进行分组，以最小轴端径向位移为目标，对各组预紧力下的前后端轴承圆度误差、谐波次数进行参数匹配，获得各组预紧力下的轴承最优参数组合；
[0011]5)设置主轴精度阈值，判断各组参数下主轴精度是否满足要求。若各组参数下主轴精度满足要求，保留参数组合；若各组参数都不能使主轴精度达到要求，则重新调整参数搜索范围，重复步骤3)～5)，直至精度符合要求；
[0012]6)选取一组预紧力及对应的轴承沟道参数组合作为主轴出厂初始参数；
[0013]7)进一步考虑预紧力、循环次数、表面应力场的变化对轴承磨损的影响，建立主轴磨损仿真模型，设置仿真参数与边界条件；
[0014]8)建立主轴磨损优化模型，以最小磨损量为目标，对该组预紧力和轴承参数下对循环次数和轴承表面应力场进行参数匹配，获得最优参数组合；
[0015]9)建立精度保持性评价模型，定量评价电主轴参数下的精度保持性；
[0016]10)设置主轴精度保持性阈值，判断该参数下主轴精度保持性是否满足要求。若该组参数下主轴精度保持性满足要求，保留参数组合；若不满足，则重新选取一组预紧力及轴承沟道参数组合，重复步骤7)～10)，直至精度保持性符合要求；若所有预紧力和轴承沟道参数组下的最优磨损参数组合都不能使主轴的精度保持性达到要求，则需要重新调整主轴精度优化的参数搜索范围，重复步骤3)～10)，直至精度保持性符合要求；
[0017]11)输出设计模型。
[0018]进一步，步骤2)中对比不同材料轴承服役期间内外圈滚道的应力场变化规律、损伤演化规律，为轴承选择合适的材料，具体方法为：通过建立轴承热—机械耦合的刚塑性有限元模型，考虑轴承内圈滚道的表面粗糙度和初始晶粒度，研究不同滚滑比和压力载荷对轴承滚道内圈表面晶粒度和再结晶的影响，对不同材料轴承进行有限元模拟仿真，得到轴承在在服役过程中由于摩擦、应力、热效应导致滚道次表面材料组织的微观响应变化，为轴承选择合适的材料。
[0019]进一步，步骤3)中考虑轴承沟道参数与预紧量对主轴旋转精度的影响，建立电主轴精度仿真模型，设置仿真参数与边界条件，具体步骤如下：
[0020](1)确定主轴和轴承基本参数、轴承配对方式，设置转速、载荷等工况；
[0021](2)确定预紧力、轴承表面圆度误差、谐波次数作为输入条件，确定边界条件；
[0022](3)采用Abaqus、Romax仿真软件计算主轴在仿真条件下轴端径向位移。
[0023]进一步，步骤4)中建立主轴精度优化模型，对预紧力进行分组，以最小轴端径向位移为目标，对各组预紧力下的前后端轴承圆度误差、谐波次数进行参数匹配，获得各组预紧力下的轴承最优参数组合；
[0024]由于预紧力对主轴精度及磨损都具有重要影响，为防止精度优化后的参数组合在后续磨损优化过程中因预紧力变化导致主轴精度受到影响，采取以下方案：根据预紧力的取值范围对预紧力进行分组，在每组固定的预紧力下，以前端和后端轴承的圆度误差和谐波次数作为变量进行参数优化，得到不同预紧力取值下的轴承沟道参数最优组合，具体步骤如下：
[0025](1)根据预紧力取值范围对预紧力进行等间隔分组；预定义轴向预紧力为c，预紧力范围及分组由下面表达形式确定：
[0026]c
min
≤c≤c
max
[0027]式中：c
min
为预紧力下限；
[0028]c
max
为预紧力上限；
[0029]c
i
＝[c1,c2,...,c
n
][0030]式中：c1,c2,...,c
n
为n组预紧力的取值，c
i
为第i组预紧力的取值；
[0031](2)预定义电主轴精度优化模型的决策变量为：前端轴承圆度误差a1、谐波次数b1、后端轴承圆度误差a2、谐波次数b2；优化目的为：提高电主轴旋转精度；
[0032](3)确定决策变量取值范围，建立约束条件，建立目标函数；其中，设计变量、约束条件以及目标函数由下面表达形式确定：
[0033]决策变量：
[0034]X＝(x1,x2,x3,x4)
T
＝(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种精密内圆磨削电主轴高精度保持性设计方法，其特征在于，包括：1)建立主轴
‑
轴承转子系统有限元模型；2)对比轴承服役期间不同材料的性能，为轴承和主轴选择合适的材料；3)考虑轴承沟道参数与预紧量对主轴旋转精度的影响，建立电主轴精度仿真模型，设置仿真参数与边界条件；4)建立主轴精度优化模型，对预紧力进行分组，以最小轴端径向位移为目标，对各组预紧力下的前后端轴承圆度误差、谐波次数进行参数匹配，获得各组预紧力下的轴承最优参数组合；5)设置主轴精度阈值，判断各组参数下主轴精度是否满足要求。若各组参数下主轴精度满足要求，保留参数组合；若各组参数都不能使主轴精度达到要求，则重新调整参数搜索范围，重复步骤3)～5)，直至精度符合要求；6)选取一组预紧力及对应的轴承沟道参数组合作为主轴出厂初始参数；7)进一步考虑预紧力、循环次数、表面应力场的变化对轴承磨损的影响，建立主轴磨损仿真模型，设置仿真参数与边界条件；8)建立主轴磨损优化模型，以最小磨损量为目标，对该组预紧力和轴承参数下对循环次数和轴承表面应力场进行参数匹配，获得最优参数组合；9)建立精度保持性评价模型，定量评价电主轴参数下的精度保持性；10)设置主轴精度保持性阈值，判断该参数下主轴精度保持性是否满足要求。若该组参数下主轴精度保持性满足要求，保留参数组合；若不满足，则重新选取一组预紧力及轴承沟道参数组合，重复步骤7)～10)，直至精度保持性符合要求；若所有预紧力和轴承沟道参数组下的最优磨损参数组合都不能使主轴的精度保持性达到要求，则需要重新调整主轴精度优化的参数搜索范围，重复步骤3)～10)，直至精度保持性符合要求；11)输出设计模型。2.根据权利要求1所述的精密内圆磨削电主轴高精度保持性设计方法，其特征在于：步骤2)中对比不同材料轴承服役期间内外圈滚道的应力场变化规律、损伤演化规律，为轴承选择合适的材料，具体方法为：通过建立轴承热—机械耦合的刚塑性有限元模型，考虑轴承内圈滚道的表面粗糙度和初始晶粒度，研究不同滚滑比和压力载荷对轴承滚道内圈表面晶粒度和再结晶的影响，对不同材料轴承进行有限元模拟仿真，得到轴承在在服役过程中由于摩擦、应力、热效应导致滚道次表面材料组织的微观响应变化，为轴承选择合适的材料。3.根据权利要求1所述的精密内圆磨削电主轴高精度保持性设计方法，其特征在于：步骤3)中考虑轴承沟道参数与预紧量对主轴旋转精度的影响，建立电主轴精度仿真模型，设置仿真参数与边界条件，具体步骤如下：(1)确定主轴和轴承基本参数、轴承配对方式，设置转速、载荷等工况；(2)确定预紧力、轴承表面圆度误差、谐波次数作为输入条件，确定边界条件；(3)采用Abaqus、Romax动力学仿真软件计算主轴在仿真条件下轴端径向位移。4.根据权利要求1所述的精密内圆磨削电主轴高精度保持性设计方法，其特征在于：步骤4)中建立主轴精度优化模型，对预紧力进行分组，以最小轴端径向位移为目标，对各组预紧力下的前后端轴承圆度误差、谐波次数进行参数匹配，获得各组预紧力下的轴承最优参数组合；
由于预紧力对主轴精度及磨损都具有重要影响，为防止精度优化后的参数组合在后续磨损优化过程中因预紧力变化导致主轴精度受到影响，采取以下方案：根据预紧力的取值范围对预紧力进行分组，在每组固定的预紧力下，以前端和后端轴承的圆度误差和谐波次数作为变量进行参数优化，得到不同预紧力取值下的轴承沟道参数最优组合，具体步骤如下：(1)根据预紧力取值范围对预紧力进行等间隔分组；预定义轴向预紧力为c，预紧力范围及分组由下面表达形式确定：c
min
≤c≤c
max
式中：c
min
为预紧力下限；c
max
为预紧力上限；c
i
＝[c1,c2,...,c
n
]式中：c1，c2，...，c
n
为n组预紧力的取值，c
i
为第i组预紧力的取值；(2)预定义电主轴精度优化模型的决策变量为：前端轴承圆度误差a1、谐波次数b1、后端轴承圆度误差a2、谐波次数b2；优化目的为：提高电主轴旋转精度；(3)确定决策变量取值范围，建立约束条件，建立目标函数；其中，设计变量、约束条件以及目标函数由下面表达形式确定：决策变量：X＝(x1，x2，x3，x4)
T
＝(a1，b1，a2，b2)
T
X
min
≤X≤X
max
式中：n
min
为决策变量下限；X
max
为决策变...

【专利技术属性】
技术研发人员：程杰，崔立，王伟荣，梁艳平，杜雄，李宁，奚秋镇，
申请(专利权)人：上海第二工业大学，
类型：发明
国别省市：