基于数字孪生模型的空气静压主轴动平衡方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于数字孪生模型的空气静压主轴动平衡方法及系统，方法具体为：首先基于空气静压主轴物理实体特征参数及工况参数，建立空气静压主轴数字孪生模型；通过改变空气静压主轴与机床本体之间的结合刚度和阻尼参数，对主轴不平衡振动响应机理及放大方法进行研究；然后创新设计变刚度连接结构，将空气静压主轴和机床本体之间进行高精度耦合，基于同频共振原理，对空气静压主轴不平衡振动响应幅值进行放大；利用高精度喷液式平衡装置对主轴进行不平衡补偿，降低主轴的不平衡振动响应；最后将空气静压主轴和机床本体之间进行高精度解耦，实现空气静压主轴高精度动平衡；突破现有动平衡方法的瓶颈，实现空气静压主轴高精度动平衡。精度动平衡。精度动平衡。

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生模型的空气静压主轴动平衡方法及系统


[0001]本专利技术属于机械诊断智能化与数字化
，具体涉及一种基于数字孪生模型的空气静压主轴动平衡方法及系统。

技术介绍

[0002]随着航空、航天、国防、光电信息等高新科技工业领域对高精度产品需求量的不断增长，超精密高速高效加工已成为发展方向，进而对超精密机床的性能提出了更高的要求。空气静压主轴作为超精密机床的核心功能部件，长期处于一种“高速低用”的状态，限制了加工效率的提高。究其原因，任何主轴都不可能达到完全平衡，而转子残余不平衡质量产生的离心力正比于转速的平方，随着转速提高，不平衡带来的负面影响急剧增加。因此，亟需突破当前动平衡精度的制约，实现空气静压主轴的高速高效加工。
[0003]目前动平衡方法多采用振动传感器测量主轴转子或壳体的振动信号，用来计算不平衡量的大小和位置，并作为动平衡控制系统的反馈信号。北京化工大学高金吉院士团队(Xin P,Hai
‑ꢀ
Qi W,Jin
‑
Ji G,et al.Study on online active balancing system of rotating machinery and target controlmethod[J].Wseas transactions on systems,2014,13:302
‑
311.)用位移传感器测量磨削电主轴振动，并作为不平衡控制系统的反馈信号，采用影响系数法计算磨削主轴不平衡量的大小和位置，通过自动平衡装置使主轴系统的不平衡振动在15s内降低了90％。西安交通大学章云和梅雪松 (章云,梅雪松.高速主轴动平衡及其在线控制技术研究[J].机械工程学报,2014,50(11):79
‑ꢀ
79.)分析了主轴转子在线自动平衡原理，设计了喷液式平衡装置，并通过高速主轴实验对该喷液式平衡装置的有效性进行了验证。
[0004]经过文献调研可以发现，目前针对主轴转子
‑
空气轴承
‑
壳体耦合系统动力学建模研究较少，难以揭示转子不平衡内激励引起的振动响应在主轴内的传递和衰减规律。现有动平衡方法多采用振动传感器测量主轴转子或壳体的振动信号，用来计算不平衡量的大小和位置，并作为动平衡控制系统的反馈信号。大多数研究聚焦于动平衡理论方法或控制技术的改进与创新上，新的方法和装置不断涌现。然而，随着对动平衡精度的要求越来越高，当微小不平衡激励引起的微弱振动响应难以被传感器测量到时，现有动平衡方法就无能为力。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术公开一种基于数字孪生模型的空气静压主轴动平衡方法，建立空气静压主轴数字孪生模型，对主轴不平衡振动响应机理及放大方法进行分析，创新设计变刚度连接结构，突破现有动平衡方法严重依赖振动传感器灵敏度的瓶颈，实现空气静压主轴高精度动平衡。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于数字孪生模型的空气静压主轴动平衡方法，包括以下步骤：
[0007]S1，获取空气静压主轴的实体特征参数以及工况参数；
[0008]S2，基于S1空气静压主轴实体特征参数及工况参数，建立空气静压主轴数字孪生模型；
[0009]S3，基于S2空气静压主轴数字孪生模型，模拟不同主轴与机床本体之间结合刚度和阻尼参数对主轴转子/壳体不平衡振动响应的影响规律；
[0010]S4，基于S3所得影响规律，根据结构共振原理，提出基于同频共振原理的主轴不平衡振动响应幅值放大与能量增强方法，将空气静压主轴和机床本体之间进行高精度耦合，通过改变空气静压主轴的支撑刚度，对空气静压主轴的不平衡振动响应幅值进行放大，检验放大后的空气静压主轴的振动响应幅值是否满足动平衡计算要求，如果不满足，则继续通过改变空气静压主轴的支撑刚度，对空气静压主轴的不平衡振动响应幅值进行放大，直至满足动平衡计算要求；
[0011]S5，基于S4中放大后的空气静压主轴不平衡振动响应，采用影响系数法计算不平衡质量大小及相位分布，利用高精度喷液式平衡装置对主轴进行不平衡补偿，降低主轴的不平衡振动响应，检验主轴的动平衡精度是否满足要求，如果不满足，则返回S4，再一次对主轴进行动平衡精度提升，直至主轴的动平衡精度满足要求，最后将空气静压主轴和机床本体之间进行解耦，实现空气静压主轴高精度动平衡。
[0012]S1中所述实体特征参数包括主轴转子、径向/止推空气静压轴承、电机以及壳体的几何结构参数及所用材料特性；所述几何结构参数从空气静压主轴的设计图纸文件中获取，所述工况参数是指空气静压主轴物理实体的工作转速、供气压强以及外部载荷。
[0013]S2中所述建立空气静压主轴数字孪生模型是通过将主轴转子有限元模型与空气径向/止推轴承支承刚度与阻尼系数进行耦合得到，所述主轴转子有限元模型是基于Timoshenko梁单元计算得到，所述空气径向/止推轴承支承刚度与阻尼系数是采用有限差分法对线性扰动雷诺方程进行求解计算得到；所述线性扰动雷诺方程是将气膜厚度以及气膜压强一阶泰勒展开式，带入稳态雷诺方程计算得到；
[0014]所述气膜厚度以及气膜压强一阶泰勒展开式为：
[0015][0016]式中，p是气膜压强，h是气膜厚度，Δx和Δy是空气轴承的平移小扰动，和是空气轴承的倾斜小扰动；
[0017]所述稳态润滑雷诺方程为：
[0018][0019]式中，η是气体的运动粘性系数，R是轴颈的半径，ω是轴颈的角速度，θ是轴承的周向角度。
[0020]S3中所述模拟主轴与机床本体之间结合刚度和阻尼参数对主轴转子/壳体不平衡振动响应的影响规律，是将主轴与机床之间的连接看作是弹簧阻尼系统，通过设置不同的主轴与机床本体之间结合刚度和阻尼参数，模拟得到空气静压主轴在不平衡激励下的涡动
形式以及振动响应信号的产生机理，再建立转子不平衡激励与转子/壳体振动响应之间的映射关系。
[0021]S4中所述基于同频共振原理的主轴不平衡振动响应幅值放大与能量增强方法，是根据结构共振原理，通过改变空气静压主轴的支撑刚度，当主轴的旋转频率与结构某一阶模态固有频率相等时会发生共振，振动响应幅值增大，振动响应信号能量得到增强。
[0022]S4中，基于磁流变弹性体，通过调节控制电流的大小，使磁流变弹性体的流变特性发生连续、迅速和可逆的变化，实现空气静压主轴支撑连续变刚度特性；所述空气静压主轴和机床本体之间进行高精度耦合，是指将空气静压主轴和机床本体之间的刚性连接转变为柔性连接，建立空气静压主轴
‑
变刚度结构
‑
机床本体耦合动力学方程：
[0023][0024]式中，M，C和K分别是空气静压主轴系统的质量、阻尼和刚度矩阵，K
s
是主轴与机床本体之间连接结构的刚度矩阵，F
u
是不平衡激励力。
[0025]S5中所述空气静压主轴和机床本体之间进行高精度解耦，是指对空气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生模型的空气静压主轴动平衡方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，获取空气静压主轴的实体特征参数以及工况参数；S2，基于S1空气静压主轴实体特征参数及工况参数，建立空气静压主轴数字孪生模型；S3，基于S2空气静压主轴数字孪生模型，模拟不同主轴与机床本体之间结合刚度和阻尼参数对主轴转子/壳体不平衡振动响应的影响规律；S4，基于S3所得影响规律，根据结构共振原理，提出基于同频共振原理的主轴不平衡振动响应幅值放大与能量增强方法，将空气静压主轴和机床本体之间进行高精度耦合，通过改变空气静压主轴的支撑刚度，对空气静压主轴的不平衡振动响应幅值进行放大，检验放大后的空气静压主轴的振动响应幅值是否满足动平衡计算要求，如果不满足，则继续通过改变空气静压主轴的支撑刚度，对空气静压主轴的不平衡振动响应幅值进行放大，直至满足动平衡计算要求；S5，基于S4中放大后的空气静压主轴不平衡振动响应，采用影响系数法计算不平衡质量大小及相位分布，利用高精度喷液式平衡装置对主轴进行不平衡补偿，降低主轴的不平衡振动响应，检验主轴的动平衡精度是否满足要求，如果不满足，则返回S4，再一次对主轴进行动平衡精度提升，直至主轴的动平衡精度满足要求，最后将空气静压主轴和机床本体之间进行解耦，实现空气静压主轴高精度动平衡。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生模型的空气静压主轴动平衡方法，其特征在于，S1中所述实体特征参数包括主轴转子、径向/止推空气静压轴承、电机以及壳体的几何结构参数及所用材料特性；所述几何结构参数从空气静压主轴的设计图纸文件中获取，所述工况参数是指空气静压主轴物理实体的工作转速、供气压强以及外部载荷。3.根据权利要求1所述的基于数字孪生模型的空气静压主轴动平衡方法，其特征在于，S2中所述建立空气静压主轴数字孪生模型是通过将主轴转子有限元模型与空气径向/止推轴承支承刚度与阻尼系数进行耦合得到，所述主轴转子有限元模型是基于Timoshenko梁单元计算得到，所述空气径向/止推轴承支承刚度与阻尼系数是采用有限差分法对线性扰动雷诺方程进行求解计算得到；所述线性扰动雷诺方程是将气膜厚度以及气膜压强一阶泰勒展开式，带入稳态雷诺方程计算得到；所述气膜厚度以及气膜压强一阶泰勒展开式为：式中，p是气膜压强，h是气膜厚度，Δx和Δy是空气轴承的平移小扰动，和是空气轴承的倾斜小扰动；所述稳态润滑雷诺方程为：式中，η是气体的运动粘性系数，R是轴颈的半径，ω是轴颈的角速度，θ是轴承的周向角度。4.根据权利要求1所述的基于数字孪生模型的空气静压主轴动平衡方法，其特征在于，
S3中所述模拟主轴与机床本体之间结合刚度和阻尼参数对主轴转子/壳体不平衡振动响应的影响规律，是...

【专利技术属性】
技术研发人员：史江海，曹宏瑞，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：