一种动态性能匹配的电主轴预紧力适应性研究方法

本发明涉及电主轴预紧力，具体为一种动态性能匹配的电主轴预紧力适应性研究方法。

背景技术：

1、电主轴，也被称为hvct，是近年来在数控机床领域中创新的将机床主轴与主轴电机整合为一体的新技术。从结构上看，电主轴就是一台电动机，只是应用在机床加工行业。与传统电机不同的是，电机的输出轴端会装一把刀具，用于铣一磨-车等机加工。此外，电主轴装置也是一套复杂的组件，除了电主轴本身，还包括高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器和换刀装置等附件。这种主轴电动机与机床的一体化设计，使得机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”，进而提高了机床的加工精度和稳定性。在高速运转过程中，由于轴承内外圈之间的相对运动，会产生摩擦热和振动，进而影响电主轴的精度和寿命。因此，如何合理地设置轴承预紧力，以提高电主轴的刚度和稳定性，成为了一个亟待解决的问题。

2、轴承预紧力是指将轴承内圈或外圈向轴心方向施加的力，以使轴承滚动体与内外圈之间产生一定的接触应力。在高速电主轴中，通常采用角接触球轴承作为支撑元件。通过调整轴承预紧力的大小，可以改变轴承的刚度和阻尼特性，从而影响电主轴的动态性能。轴承预紧力越大，轴承的刚度越高。当预紧力过大时，会导致轴承的磨损加剧，甚至出现疲劳破坏；当预紧力过小时，轴承的刚度不足，会影响电主轴的稳定性和精度。轴承预紧力对轴承的阻尼特性也有一定影响。预紧力越大，轴承的阻尼越大，有利于减小振动和噪音。但是，过大的预紧力会增加轴承的摩擦力矩，导致发热和磨损加剧。预紧力越大，电主轴的固有频率越高，动态响应越快。但是，过大的预紧力会导致轴承的刚度过大，使得电主轴在高速运转过程中容易发生共振现象。

3、目前，传统动态性能匹配的电主轴预紧力适应性研究方法忽略了轴承预紧力非线性变化对轴承支承动态刚度的影响，无法准确反映高速电主轴在实际应用中的性能表现，需要配合人工判断，操作专业要求性高，主观性强不够客观全面。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种动态性能匹配的电主轴预紧力适应性研究方法，具备运行仿真建模更加精准、总结自主控制策略更可靠高效等优点，解决了传统动态性能匹配的电主轴预紧力适应性研究方法无法准确反映电主轴实际应用性能，需要人工判断主观性强不够客观全面的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种动态性能匹配的电主轴预紧力适应性研究方法，所述动态性能匹配的电主轴预紧力适应性研究方法通过动态性能匹配的电主轴预紧力评估系统进行研究，所述动态性能匹配的电主轴预紧力评估系统包括数据建模模块、工况仿真模块和性能实验模块，所述动态性能匹配的电主轴预紧力适应性研究方法包括以下步骤：

3、步骤一、数据建模模块通过结构数据单元、运行数据单元采集主轴数据集，传输至分析建模单元建立电主轴孪生模型fm，并保存至数据库；

4、步骤二、工况仿真模块将电主轴孪生模型fm在多种仿真工况下进行研究，再通过应力分析单元计算出弹性变形数据组txbx，并通过网络传输至发热分析单元和载荷分析单元；

5、步骤三、发热分析单元和载荷分析单元分别根据弹性变形数据组txbx，计算出发热曲线frqx和运行机理yxjl，并通过网络传输至性能实验模块；

6、步骤四、性能实验模块根据发热曲线frqx和运行机理yxjl进一步分析出电主轴预紧力区间，输出电主轴预紧力主动控制策略。

7、优选的，所述主轴数据集由结构数据集和运行数据集组成，所述结构数据单元通过网络连接数据库采集结构数据集，并通过网络传输至分析建模单元，所述运行数据单元通过网络连接动态特性测试装置实时采集运行数据集，并通过网络传输至分析建模单元。

8、优选的，所述分析建模单元根据主轴数据集特征对结构数据集和运行数据集进行编号，所述结构数据集编号为jg1、jg2、jg3、...jgn，所述运行数据集编号为yx1、yx2、yx3、...yxn。

9、优选的，所述分析建模单元根据主轴数据集建立电主轴孪生模型fm，其模型算法公式如下：

10、

11、公式中，fm表示电主轴孪生模型，r表示三维空间中的3d旋转矩阵，t表示三维空间中的3d平移向量，表示三维坐标原点、横轴x、纵轴y和竖轴z，表示结构数据集中轴承组设计参数、润滑条件和配组形式等数据结合运行数据集中动力特性数据计算得出的电主轴孪生模型空间数据。

12、优选的，所述工况仿真模块通过网络连接数据库建立参考数据集，并进行编号，所述参考数据集由参考结构场工况、参考物理三大力场工况和参考流场工况组成，所述参考数据集编号为ckjggk、ckligk和cklugk。

13、优选的，所述工况仿真模块将电主轴孪生模型fm在参考工模式ckgk下进行研究，并通过应力分析单元计算出弹性变形数据组txbx，其计算公式如下：

14、

15、公式中，txbx表示弹性变形数据组，表示主轴各部件在参考结构场工况下发生的位移参数、应力分布变化和弹性变形趋势，表示主轴各部件在参考物理三大力场工况下发生的引力影响数据、磁场影响数据和电场影响数据，表示主轴各部件在参考流场工况下发生的速度变量、压力变量和密度变量。

16、优选的，所述发热分析单元根据弹性变形数据组txbx，计算出发热曲线frqx，其计算公式如下：

17、

18、公式中，frqx表示发热曲线，jgn±x2表示结构数据集中对预紧力产生影响的组件安装误差数据或制造误差数据，表示电主轴各组件在结构场、力场、流场等多场耦合作用下摩擦生热趋势曲线。

19、优选的，所述载荷分析单元根据弹性变形数据组txbx，计算出运行机理yxjl，其计算公式如下：

20、

21、公式中，yxjl表示运行机理，μ表示电主轴各组件之间的摩擦系数，p表示电主轴各组件承载负荷，r表示电主轴运行内径，表示电主轴各组件在结构场、力场、流场等多场耦合作用下运行的实际寿命总长。

22、优选的，所述性能实验模块通过发热曲线frqx进一步分析出以发热量最小为边界条件的可行区间，输出电主轴预紧力主动控制发热策略。

23、优选的，所述性能实验模块通过运行机理yxjl进一步分析出以轴承寿命最长为边界条件的可行区间，输出电主轴预紧力主动控制寿命策略。

24、与现有技术相比，本发明提供了一种动态性能匹配的电主轴预紧力适应性研究方法，具备以下有益效果：

25、1、本发明通过动态性能匹配的电主轴预紧力评估系统进行研究，数据建模模块通过结构数据单元、运行数据单元采集主轴数据集，包括电主轴各组件设计参数、润滑条件、配组形式数据、运动几何关系、内应力数据、接触角数据和位移数据，传输至分析建模单元建立电主轴孪生模型fm，并保存至数据库，系统化构建可调节预紧力三维模型，实现了电主轴动态性能的精准匹配度和服役可靠度，有利于后续进一步的研究分析出主轴预紧力的关键影响要素，工况仿真模块将电主轴孪生模型fm在多种仿真工况下进行研究，再通过应力分析单元计算出弹性变形数据组txbx，构建加工工况和预紧力的映射关系模型，运行仿真建模更加精准，实时数字化仿真运行数据，准确掌握电主轴动力学特性。

26、2、本发明通过发热分析单元和载荷分析单元分别根据弹性变形数据组txbx，计算出发热曲线frqx和运行机理yxjl，有利于后续分析验证出的控制策略更具有效性和优异性，分析轴承载荷、轴承安装误差和制造误差等与预紧力之间相互影响的关键规律，为电主轴预紧力主动控制策略提供可靠依据，性能实验模块通过发热曲线frqx进一步分析出以发热量最小为边界条件的可行区间，输出电主轴预紧力主动控制发热策略，性能实验模块通过运行机理yxjl进一步分析出以轴承寿命最长为边界条件的可行区间，输出电主轴预紧力主动控制寿命策略，总结自主控制策略更可靠高效。