机床主轴系统的建模

所有的模型中，由Li建立的机械-热特性主轴-轴承系统动力学模型最为全面和完整，该模型包含一个综合的轴承动态模型、一个主轴动态模型和一个热模型，热模型通过轴承配置中的热膨胀和在整个系统中的热传递与主轴动态模型耦合起来，能很好地计算轴承的热膨胀及其引起的动态特性，其他参数对固有频率的影响也能够较为准确地估计，并能精确处理复杂几何形状及复杂物理特性的高速电主轴。但由于电主轴热位移与主轴冷去系统、电机空气间隙、运动副连接、装配结合面都有关系，基于位移的热误差模型比基于温度的热误差模型更精确。 现有的主轴系统模型虽然包含了所有的影响因素，但是各因素之间还比较孤立，没有考虑到它们之间相互作用的耦合情况。实际主轴系统的动态特性由主轴内部参数之间，如：热增长、热变形、热传递、轴承接触角变化、轴承内部间隙、轴承预载等，以及外部参数之间，如：冷却、安装公差、刀具受力等的连接反应来确定的，因此必须在机床主轴运动阶段进行复杂非线性摩擦机理以及热-弹闭环耦合特性的研究，这也将是未来对主轴-轴承系统动态特性进行研究的趋势。 滚动轴承结构简单，安装维修容易，数控机床大多采用滚动轴承支撑。在机床主轴建模中，为了研究方便，可直接采用三次代数方程表示轴承的径向刚度，并基于这个刚度方程，建立非线性静态刚度主轴系统等效模型；也可利用Hertzian接触理论建立轴承接触力与变形之间的关系来计算轴承刚度和阻尼，其中还可考虑油膜挤压效应的作用。Cao的主轴系统模型中包含了离心力、陀螺效应，以及轴承接触角、预载、主轴转子和轴套偏移等的影响；Altinatas考虑了加工过程的影响，可反应出实际加工中主轴动态特性的变化规律；Kim考虑了轴承装配公差、几何尺寸、冷却情况、工作状态、压力，以及轴承热变形的作用。