專利名稱：基于參數(shù)化設計的液體靜壓主軸制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于參數(shù)化設計的液體靜壓主軸制作方法，屬于液體靜壓主軸技術領域。
背景技術：
隨著液體氣體靜壓技術的成熟，液體氣體靜壓主軸發(fā)展迅速。因為液體氣體靜壓主軸采用油膜或氣膜替代滾珠軸承，不僅在實現(xiàn)更高的轉速的同時提高了主軸的轉動精度，而且無磨損，由此大大提高了主軸的壽命。因此，在精密和超精密設備中除特殊場合外幾乎完全采用靜壓軸承。但是，液體靜壓主軸不同于一般主軸，它的動態(tài)性能主要受液體靜壓軸承的影響， 它的設計計算是基于流體動力學和熱力學，需要較為專業(yè)的設計人員，這為液體氣體靜壓主軸的制作帶來了困難，并且制作效率低。此外，液體靜壓軸承一般都是與主軸外套一體的，軸承的尺寸與主軸的形狀尺寸是相互協(xié)調(diào)相互制約的，軸承節(jié)流孔的大小，軸承間隙，軸承位置尺寸的改變對主軸的動態(tài)性能都有極大的影響，如何在制作開始階段建立節(jié)流孔的大小，軸承間隙，軸承位置尺寸等與主軸的動態(tài)性能的對應關系，以在設計階段對主軸的性能進行預測并優(yōu)化主軸結構，使主軸獲得最佳的動態(tài)性能是目前液體靜壓主軸制作過程面臨的難題?，F(xiàn)有液體靜壓主軸的制作中存在著以下缺陷I.在設計階段通?；陟o力學設計，只能得到軸承的設計剛度而無法預知所設計液體靜壓主軸的動態(tài)特性；2.在制作過程中只能夠針對給定尺寸的主軸軸體進行設計計算，無法實現(xiàn)主軸的變尺寸設計；3.在設計過程中無法通過軸承尺寸參數(shù)，如節(jié)流孔直徑和油膜厚度等實現(xiàn)對主軸軸承剛度和溫升的實時預測，更無法建立軸承尺寸參數(shù)與主軸動態(tài)性能之間的對應關系，無法實現(xiàn)對主軸動態(tài)性能的快速預測。4.主軸的動態(tài)性能對切削穩(wěn)定性具有關鍵性的影響，但是在液體靜壓主軸設計過程中卻無法快速的實現(xiàn)切削穩(wěn)定性的預測，需要經(jīng)過繁瑣的求解和推導，需要專門的技術人員從事該項工作，增加了主軸的設計時間。有些設計人員在設計過程中甚至忽略對切削穩(wěn)定性的預測，導致設計的主軸不滿足加工要求。5.在以往的主軸設計過程中，對切削穩(wěn)定性的預測多是以所預測得到的主軸的靜態(tài)特性為基礎的，而主軸在進行切削時是高速旋轉的，由于主軸在高速旋轉時的動態(tài)性能與主軸在靜止時的靜態(tài)性能相差較大，因此基于主軸靜態(tài)特性的切削穩(wěn)定性預測與實際結果相差較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有液體靜壓主軸制作效率低，并且其計算過程中對主軸切削穩(wěn)定性的預測與實際結果相差較大的問題，提供一種基于參數(shù)化設計的液體靜壓主軸制作方法。本發(fā)明所述基于參數(shù)化設計的液體靜壓主軸制作方法，它包括以下步驟，步驟一建立液體靜壓主軸的參數(shù)化有限元模型；步驟二 預設置液體靜壓主軸的結構參數(shù)的初始值；步驟三基于步驟一中所述的參數(shù)化有限元模型及液體靜壓主軸的結構參數(shù)，對液體靜壓主軸的靜壓軸承承載特性進行數(shù)值模擬，獲得液體靜壓主軸靜壓軸承的軸承剛度矩陣及軸承溫升；步驟四根據(jù)步驟三中得到的液體靜壓主軸靜壓軸承的軸承剛度矩陣及軸承溫
升，運用機械動力學和有限元方法對液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)進行預測，得到液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)；同時，運用轉子動力學方法對液體靜壓主軸進行轉子動力學分析，得到液體靜壓主軸在不同轉速下具有渦動效應的主軸動態(tài)特性；步驟五根據(jù)步驟四中預測獲得的液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)及具有渦動效應的主軸動態(tài)特性，運用切削顫振原理對液體靜壓主軸的切削穩(wěn)定性進行預測，得到液體靜壓主軸的臨界切削厚度；步驟六判斷步驟四中獲得的液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)、具有渦動效應的主軸動態(tài)特性、步驟五中獲得的臨界切削厚度及步驟三中獲得的軸承溫升是否滿足液體靜壓主軸的制作要求，若是，執(zhí)行步驟七；否則，對液體靜壓主軸和靜壓軸承的結構參數(shù)進行調(diào)整，返回步驟三；步驟七將步驟六中判斷為滿足液體靜壓主軸制作要求的液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)、具有渦動效應的主軸動態(tài)特性及臨界切削厚度通過人機交互界面輸出，用戶根據(jù)輸出的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)液體靜壓主軸的制作。所述步驟一中建立液體靜壓主軸的參數(shù)化有限元模型的具體方法為步驟一一確定液體靜壓主軸的結構形狀，并將其參數(shù)化； 步驟一二 基于ANSYS軟件采用參數(shù)化編程語言APDL對液體靜壓主軸進行參數(shù)化建模，獲得液體靜壓主軸的參數(shù)化模型，然后再對該參數(shù)化模型運用S0LID186單元進行尺寸驅(qū)動網(wǎng)格劃分，獲得液體靜壓主軸的參數(shù)化有限元模型。所述步驟三中獲得液體靜壓主軸靜壓軸承的軸承剛度矩陣及軸承溫升的具體方法為步驟三一采用MATLAB軟件建立靜壓軸承的流體力學計算模型；步驟三二 建立人機交互界面，基于該人機交互界面，運用液體靜壓原理求解獲得液體靜壓主軸靜壓軸承的軸承剛度矩陣及軸承溫升。所述步驟四中對液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)進行預測的具體方法為步驟四一建立MATLAB和ANSYS接口，將由MATLAB求解獲得的液體靜壓主軸的軸承剛度矩陣傳遞到ANSYS中，并與步驟三二中獲得的液體靜壓主軸靜壓軸承的軸承剛度矩陣耦合，以實現(xiàn)所述靜壓軸承尺寸與液體靜壓主軸尺寸相協(xié)調(diào)一致，使液體靜壓主軸的結構參數(shù)自適應發(fā)生形狀的變化，并使靜壓軸承的徑向軸承以及軸向軸承的剛度隨靜壓軸承結構尺寸的改變自適應實現(xiàn)實常數(shù)的變化；步驟四二 基于人機交互式界面，編寫程序?qū)崿F(xiàn)MATLAB對ANSYS的調(diào)用；
步驟四三求解獲得液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明綜合運用MATLAB和ANSYS軟件的數(shù)值計算和動態(tài)仿真功能，通過數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)了液體靜壓軸承的數(shù)值計算與液體靜壓主軸動態(tài)仿真的有機結合，形成了液體靜壓主軸設計系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于流體力學，工程熱力學，轉子動力學，機械動力學和切削原理，提高了液體靜壓主軸設計的效率和準確性。本發(fā)明方法建立的液體靜壓主軸尺寸與液體靜壓主軸動態(tài)特性之間的對應關系，將處于主軸尺寸與主軸動態(tài)特性之間的剛度特性進行封裝，能夠?qū)崿F(xiàn)由液體靜壓主軸尺寸到液體靜壓主軸動態(tài)特性的直接預測。它突破了以往基于主軸靜態(tài)特性對主軸切削穩(wěn)定性預測的方法，在設計階段采用轉子動力學考慮主軸高速旋轉時的渦動效應，得到主軸在高速旋轉時的動態(tài)特性，并基于此對主軸的切削穩(wěn)定性進行預測，使得預測結果與實際結果相符的程度比較大。本發(fā)明有效解決了以往液體靜壓軸承建模困難、精度低的問題，采用APDL語言對液體靜壓軸承的建模進行了參數(shù)化編程，能夠?qū)崿F(xiàn)液體靜壓軸承模型隨液體靜壓主軸的結 構參數(shù)改變而相應改變，提高了建模效率和精度。


圖I為本發(fā)明方法的流程框圖；圖2為液體靜壓主軸的參數(shù)化有限元模型圖；圖3為液體靜壓主軸的第一至第五階模態(tài)示意圖；圖中的圓點表示的是旋轉軸，第一階到第三階為主軸繞旋轉軸的擺動，第四階中的箭頭，表示主軸的上下竄動，第五階為主軸刀盤的徑向擴張；圖4為液體靜壓主軸的第一至第五階固有頻率隨油膜厚度改變的變化圖；圖5為與圖4對應的液體靜壓主軸的第一至第五階固有頻率隨節(jié)流孔直徑改變的變化圖；圖6為液體靜壓主軸溫度隨油膜厚度改變的變化圖；圖7為液體靜壓主軸溫度隨節(jié)流孔直徑改變的變化圖；圖8為液體靜壓主軸的Campbell圖；圖9為液體靜壓主軸的動態(tài)響應圖；圖10為液體靜壓主軸的切削穩(wěn)定性圖；圖11為圖2仰視方向的軸向軸承圖；圖12為圖2的徑向軸承圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖I至圖12說明本實施方式，本實施方式所述基于參數(shù)化設計的液體靜壓主軸制作方法，它包括以下步驟，步驟一建立液體靜壓主軸的參數(shù)化有限元模型；步驟二 預設置液體靜壓主軸的結構參數(shù)的初始值；步驟三基于步驟一中所述的參數(shù)化有限元模型及液體靜壓主軸的結構參數(shù)，對液體靜壓主軸的靜壓軸承承載特性進行數(shù)值模擬，獲得液體靜壓主軸靜壓軸承的軸承剛度矩陣及軸承溫升；步驟四根據(jù)步驟三中得到的液體靜壓主軸靜壓軸承的軸承剛度矩陣及軸承溫升，運用機械動力學和有限元方法對液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)進行預測，得到液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)；同時，運用轉子動力學方法對液體靜壓主軸進行轉子動力學分析，得到液體靜壓主軸在不同轉速下具有渦動效應的主軸動態(tài)特性；步驟五根據(jù)步驟四中預測獲得的液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)及具有渦動效應的主軸動態(tài)特性，運用切削顫振原理對液體靜壓主軸的切削穩(wěn)定性進行預測，得到液體靜壓主軸的臨界切削厚度；步驟六判斷步驟四中獲得的液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)、具有渦動效應的主軸動態(tài)特性、步驟五中獲得的臨界切削厚度及步驟三中獲得的軸承溫升是否滿足液體靜壓主軸的制作要求，若是，執(zhí)行步驟七；否則，對液體靜壓主軸和靜壓軸承的結構參數(shù)進行調(diào)整，返回步驟三； 步驟七將步驟六中判斷為滿足液體靜壓主軸制作要求的液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)、具有渦動效應的主軸動態(tài)特性及臨界切削厚度通過人機交互界面輸出，用戶根據(jù)輸出的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)液體靜壓主軸的制作。所述步驟五中獲得的液體靜壓主軸的臨界切削厚度，能夠為刀具切削厚度的選擇提供理論指導。
具體實施方式
二 本實施方式為對實施方式一的進一步說明，所述步驟一中建立液體靜壓主軸的參數(shù)化有限元模型的具體方法為步驟一一確定液體靜壓主軸的結構形狀，并將其參數(shù)化；步驟一二基于ANSYS軟件采用參數(shù)化編程語言APDL對液體靜壓主軸進行參數(shù)化建模，獲得液體靜壓主軸的參數(shù)化模型，然后再對該參數(shù)化模型運用S0LID186單元進行尺寸驅(qū)動網(wǎng)格劃分，獲得液體靜壓主軸的參數(shù)化有限元模型。本實施方式中，對體靜壓主軸的參數(shù)化建模，實現(xiàn)了快速建模功能，提高了建模效率，能有效降低設計人員工作量。解決了現(xiàn)有技術中的建模效率低和無法實現(xiàn)尺寸驅(qū)動的問題。
具體實施方式
三本實施方式為對實施方式二的進一步說明，所述步驟三中獲得液體靜壓主軸靜壓軸承的軸承剛度矩陣及軸承溫升的具體方法為步驟三一采用MATLAB軟件建立靜壓軸承的流體力學計算模型；步驟三二 建立人機交互界面，基于該人機交互界面，運用液體靜壓原理求解獲得液體靜壓主軸靜壓軸承的軸承剛度矩陣及軸承溫升。所述靜壓軸承的流體力學計算模型的參數(shù)包括軸向、徑向軸承的尺寸參數(shù)、節(jié)流孔的直徑、油膜厚度、油液的密度、粘度、主軸的轉速等；具體實施方式
四下面結合圖I至圖12說明本實施方式，本實施方式為對實施方式三的進一步說明，所述步驟四中對液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)進行預測的具體方法為步驟四一建立MATLAB和ANSYS接口，將由MATLAB求解獲得的液體靜壓主軸的軸承剛度矩陣傳遞到ANSYS中，并與步驟三二中獲得的液體靜壓主軸靜壓軸承的軸承剛度矩陣耦合，以實現(xiàn)所述靜壓軸承尺寸與液體靜壓主軸尺寸相協(xié)調(diào)一致，使液體靜壓主軸的結構參數(shù)自適應發(fā)生形狀的變化，并使靜壓軸承的徑向軸承以及軸向軸承的剛度隨靜壓軸承結構尺寸的改變自適應實現(xiàn)實常數(shù)的變化；步驟四二 基于人機交互式界面，編寫程序?qū)崿F(xiàn)MATLAB對ANSYS的調(diào)用；
步驟四三求解獲得液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)。液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)主要包含各階振型及固有頻率。本發(fā)明方法對液體靜壓主軸的建模實現(xiàn)了自動前處理功能,能夠輸出高質(zhì)量的結構化網(wǎng)格。在數(shù)值模擬過程中使軸承油膜單元與主軸軸體單元一一對應耦合，有效的提高了模型的精度?？焖俳９δ芎妥詣忧疤幚砉δ苋〈嗽O計人員的手工操作過程，降低了對設計人員的要求，可顯著地提高建模與前處理的效率，使得設計人員可高效便捷地實現(xiàn)快速建模和前處理功能。本發(fā)明方法涉及流體力學模擬、機械動力學預測和機械優(yōu)化設計。它通過建立液體靜壓主軸的參數(shù)化模型及液體靜壓軸承計算模型，進行油膜承載特性數(shù)值模擬，數(shù)值模擬后導出油膜的剛度及溫升，將計算得到的油膜剛度矩陣與主軸剛度矩陣疊加，對主軸的動態(tài)性能進行預測；如果預測結果不滿足制作要求，則對主軸結構參數(shù)進行調(diào)整；如此循環(huán)調(diào)整，直至得到的主軸動態(tài)特性滿足設計要求；最后得出主軸的固有頻率、振型圖、極限轉速和切削穩(wěn)定性圖。
權利要求
1.一種基于參數(shù)化設計的液體靜壓主軸制作方法，其特征在于它包括以下步驟， 步驟一建立液體靜壓主軸的參數(shù)化有限元模型； 步驟二 預設置液體靜壓主軸的結構參數(shù)的初始值； 步驟三基于步驟一中所述的參數(shù)化有限元模型及液體靜壓主軸的結構參數(shù)，對液體靜壓主軸的靜壓軸承承載特性進行數(shù)值模擬，獲得液體靜壓主軸靜壓軸承的軸承剛度矩陣及軸承溫升； 步驟四根據(jù)步驟三中得到的液體靜壓主軸靜壓軸承的軸承剛度矩陣及軸承溫升，運用機械動力學和有限元方法對液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)進行預測，得到液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)；同時，運用轉子動力學方法對液體靜壓主軸進行轉子動力學分析，得到液體靜壓主軸在不同轉速下具有渦動效應的主軸動態(tài)特性； 步驟五根據(jù)步驟四中預測獲得的液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)及具有渦動效應的主軸動態(tài)特性，運用切削顫振原理對液體靜壓主軸的切削穩(wěn)定性進行預測，得到液體靜壓主軸的臨界切削厚度； 步驟六判斷步驟四中獲得的液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)、具有渦動效應的主軸動態(tài)特性、步驟五中獲得的臨界切削厚度及步驟三中獲得的軸承溫升是否滿足液體靜壓主軸的制作要求，若是，執(zhí)行步驟七；否則，對液體靜壓主軸和靜壓軸承的結構參數(shù)進行調(diào)整，返回步驟三； 步驟七將步驟六中判斷為滿足液體靜壓主軸制作要求的液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)、具有渦動效應的主軸動態(tài)特性及臨界切削厚度通過人機交互界面輸出，用戶根據(jù)輸出的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)液體靜壓主軸的制作。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于參數(shù)化設計的液體靜壓主軸制作方法，其特征在于 所述步驟一中建立液體靜壓主軸的參數(shù)化有限元模型的具體方法為 步驟一一確定液體靜壓主軸的結構形狀，并將其參數(shù)化； 步驟一二 基于ANSYS軟件采用參數(shù)化編程語言APDL對液體靜壓主軸進行參數(shù)化建模，獲得液體靜壓主軸的參數(shù)化模型，然后再對該參數(shù)化模型運用S0LID186單元進行尺寸驅(qū)動網(wǎng)格劃分，獲得液體靜壓主軸的參數(shù)化有限元模型。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于參數(shù)化設計的液體靜壓主軸制作方法，其特征在于 所述步驟三中獲得液體靜壓主軸靜壓軸承的軸承剛度矩陣及軸承溫升的具體方法為 步驟三一采用MATLAB軟件建立靜壓軸承的流體力學計算模型； 步驟三二建立人機交互界面，基于該人機交互界面，運用液體靜壓原理求解獲得液體靜壓主軸靜壓軸承的軸承剛度矩陣及軸承溫升。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于參數(shù)化設計的液體靜壓主軸制作方法，其特征在于 所述步驟四中對液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)進行預測的具體方法為 步驟四一建立MATLAB和ANSYS接口，將由MATLAB求解獲得的液體靜壓主軸的軸承剛度矩陣傳遞到ANSYS中，并與步驟三二中獲得的液體靜壓主軸靜壓軸承的軸承剛度矩陣耦合，以實現(xiàn)所述靜壓軸承尺寸與液體靜壓主軸尺寸相協(xié)調(diào)一致，使液體靜壓主軸的結構參數(shù)自適應發(fā)生形狀的變化，并使靜壓軸承的徑向軸承以及軸向軸承的剛度隨靜壓軸承結構尺寸的改變自適應實現(xiàn)實常數(shù)的變化；步驟四二 基于人機交互式界面，編寫程序?qū)崿F(xiàn)MATLAB對ANSYS的調(diào)用；步驟四三求解獲得液體靜·壓主軸的動態(tài)參數(shù)。
全文摘要
基于參數(shù)化設計的液體靜壓主軸制作方法，屬于液體靜壓主軸技術領域。它解決了現(xiàn)有液體靜壓主軸制作效率低，并且其計算過程中對主軸切削穩(wěn)定性的預測與實際結果相差較大的問題。首先建立液體靜壓主軸的參數(shù)化有限元模型；預設置液體靜壓主軸的結構參數(shù)的初始值；對液體靜壓主軸的靜壓軸承承載特性進行數(shù)值模擬，獲得液體靜壓主軸靜壓軸承的軸承剛度矩陣及軸承溫升；計算獲得液體靜壓主軸的動態(tài)參數(shù)和具有渦動效應的主軸動態(tài)特性；再得到主軸的臨界切削厚度；當上述結果滿足主軸制作要求，則通過人機交互界面輸出上述數(shù)據(jù)，實現(xiàn)液體靜壓主軸的制作。本發(fā)明用于制作液體靜壓主軸。
文檔編號G06F17/50GK102880766SQ201210397339
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月18日 優(yōu)先權日2012年10月18日
發(fā)明者梁迎春, 陳萬群, 孫雅洲, 張強, 孫陽, 蘇浩, 陳國達 申請人:哈爾濱工業(yè)大學