(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211013380.3 (22)申请日 2022.08.23 (71)申请人 通用技术集团机床工程研究院有限 公司 地址 100102 北京市朝阳区望京路4 号 (72)发明人 王玉伟　吴东旭　索奇　朱生根　 肖北川　李云飞　 (74)专利代理 机构 北京慕达星云知识产权代理 事务所 (特殊普通合伙) 11465 专利代理师 符继超 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/04(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种获取机床主轴关键参数的仿真分析耦 合方法 (57)摘要 本发明公开了一种获取机床主轴关键参数 的仿真分析耦合方法， 主轴装配体中包括主轴本 体、 主轴轴承和电机转子， 包括以下步骤： 构建主 轴装配体， 获得第一类参数化变量值和第二类参 数化变量值； 添加整体支撑的边界条件和约束条 件； 对主轴装配体进行有限元网格划分； 进行静 力学分析， 获得第一目标值； 重新设置约束条件， 对主轴装配体进行模态分析， 并将主轴装配体的 第一阶固有频率作为第二目标值； 进行参数化分 析， 获得第一类参数化变量值及第二类参数化变 量值的具体值； 以具体值重新计算静力学及模态 结果， 并进行结果对比。 本发明能够仿真计算出 同时满足变形量及模态要求的最优参数， 并有效 提高了静力学及动力学的仿真精度。 权利要求书2页 说明书6页 附图1页 CN 115310235 A 2022.11.08 CN 115310235 A 1.一种获取机床主轴关键参数的仿真分析耦合方法， 所述主轴装配体中包括主轴本 体、 主轴轴承和电机转子， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1.构建主轴装配体， 对所述主轴装配体 中的结构尺寸和装配尺寸分别进行参数化， 将 参数化后的所述结构尺寸作为第一类参数化变量值， 参数化后的所述装配尺寸作为第二类 参数化变量 值； S2.针对所述主轴装配体， 添加约束条件， 所述约束条件包括所述主轴本体与所述主轴 轴承之间以及所述主轴本体与所述电机转子之间的约束条件； S3.对所述主轴装配 体中所包括的所有零部件均进行有限元网格划分； S4.进行静力学分析， 获得所述主轴装配体中所有零部件在受自身重力影响下的最大 变形量， 根据所获得的最大变形量获取应 变云图， 并将最大变形量作为第一目标值； S5.将静力学分析中计算结果作为参考依据重新设置所述约束条件， 对所述主轴装配 体进行模态分析， 得到所述主轴装配体中的各阶固有频率， 并将所述主轴装配体的第一阶 固有频率作为第二目标值； S6.将所述第一目标值和所述第二目标值作为优化目标， 同时设置所述第一类参数化 变量值及所述第二类参数化变量值的变量名称取值范围， 通过所述参数化分析计算得出所 述第一类参数化变量 值及所述第二类参数化变量 值的最优值； S7.以所述最优值重新进行所述主轴装配体的静力学分析及模态分析后得到相应结 果， 并将当前结果分别与未参数化分析前 的静力学分析和模态分析结果进行对比， 将变形 量更变小并且第一阶固有频率更 大的最优值用于所述主轴实际装配 体的加工生产中。 2.根据权利要求1所述的一种获取机床主轴关键参数的仿真分析耦合方法， 其特征在 于， S1中构建主轴装配 体的具体内容包括： 建立主轴实际装配 体， 并对所述主轴实际装配 体进行特征简化， 得到所述主轴装配 体。 3.根据权利要求2所述的一种获取机床主轴关键参数的仿真分析耦合方法， 其特征在 于， 所述特 征简化的规则包括： 1)所述主轴实际装配 体零部件之间的接触装配关系不变； 2)所述主轴实际装配 体零部件的整体质量及质心保持不变； 具体简化内容包括： 完全保留要查看 变形量结构件的所有特 征， 包括工艺 孔、 倒角和 沟槽特征； 删除标准件和标准件所在位置 工艺孔； 删除装配 体中厚度薄和尺寸小的零部件， 对于 辅助作用的塑料件进行全部删除； 对于厚度和尺寸较大零件， 仅保留基本特 征， 删除倒角、 圆孔和 沟槽特征； 删除外观保护钣金件。 4.根据权利要求1所述的一种获取机床主轴关键参数的仿真分析耦合方法， 其特征在 于， S2中在添加边界条件和约束条件前还 包括： 设置所述简化后主轴装配 体中各零部件材 料属性。 5.根据权利要求1所述的一种获取机床主轴关键参数的仿真分析耦合方法， 其特征在 于， 所述第一类参数化变量 值和所述第二类参数化变量 值的数量均包括 一个以上； 其中， 所述第 一类参数化变量值至少包括所述主轴本体直径、 主轴本体长度， 所述第二 类参数化变量值至少包括所述主轴本体与所述主轴轴承之 间的距离、 所述主轴轴承与所述权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115310235 A 2主轴本体轴端之间的距离 。 6.根据权利要求1所述的一种获取机床主轴关键参数的仿真分析耦合方法， 其特征在 于， 所述主轴轴承与所述主轴本体之间的约束采用弹簧， 所述主轴本体与所述电机转子之 间采用限制自由度约束； 所述主轴 轴承与所述主轴本体之间采用半球面轴承接触形式。 7.根据权利要求6所述的一种获取机床主轴关键参数的仿真分析耦合方法， 其特征在 于， S3中进行有限元网格划分前获取初始弹簧刚度值， 将所述初始弹簧刚度值用于进行有 限元计算， 并采用试验与所述静力学分析结果结合的方式重新确定弹簧刚度值， 完成初始 弹簧刚度值的更新， 具体内容包括： 1)通过对所述主轴实际装配体的轴端加载轴向力F1及径向力F2， 测量所述主轴本体在 轴向及径向的实际变形量分别为δ 1和 δ2， 计算得出所述主轴本体在轴向及径向的实际刚度 分别为K1及K2； 2)在所述静力学分析中， 对所述主轴装配体加载相同数值的轴向力F1及径向力F2， 将 所述弹簧加载于所述主轴轴承与所述主轴本体的半球接触面上， 设置的弹簧数量不限， 所 述弹簧沿着主轴轴线的周向均匀布置， 设定单个所述弹簧刚度值为KC， 进行所述静力学分 析后， 在有限元分析软件中计算得出的仿真主轴轴向及径向变形量分别为δ1 ′和 δ2′， 由公 式K＝F/ δ计算得 出所述仿真主轴 轴向及径向刚度分别为K1 ′及K2′； 3)根据所述实际轴向及径向刚度值与所述仿真轴向及径向值， 分别得出所述弹簧刚度 值的修正因子为： 轴向修 正因子为K1 ′/K1， 径向修 正因子为K2 ′/K2； 4)调整所述模态分析中加载所述弹簧的刚度值为KC ′,KC′应同时满足在轴向方向的刚 度值为KC*K1′/K1， 径向方向的刚度值 为KC*K2′/K2； 5)通过调整所述弹簧的刚度值及所述弹簧在所述半球接触面上的角度以满足4)中要 求。 8.根据权利要求6所述的一种获取机床主轴关键参数的仿真分析耦合方法， 其特征在 于， 所述限制自由度约束为： 保留所述主轴本体与所述电机转子之间的沿着所述主轴本体 轴线方向的旋转及平 移， 以及垂直于所述主轴 轴线两个径向方向的平 移。 9.根据权利要求1所述的一种获取机床主轴关键参数的仿真分析耦合方法， 其特征在 于， S3中有限元网格划分的具体内容包括： 1)对需要观察变形量及模态参数的零部件进行网格加密处 理； 2)对于焊接件及螺栓连接固定件不采用接触面约束， 作为一个部件处理， 部件内部所 有零件接触面的网格连续； 3)对于约束处 的接触面或部件之间的绑定接触面进行网格匹配处理， 保证所有零部件 之间接触面之间的网格匹配且连续。 10.根据权利要求1所述的一种获取机床主轴关键参数的仿真分析耦合方法， 其特征在 于， 所述第一目标值及所述第二目标值 根据使用需求选取最大值或最小值。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115310235 A 3