摘要:对电主轴建立了较精确的三维有限元建模，经有限元计算分析，获得了电主轴的模态和谐响应特性，研究了电
主轴的固有频率、振型和临界转速，对高转速条件下主轴前端及不同特征位置所发生的最大动态位移进行了分析计算，验
证了主轴结构
设计的合理性。
关键词:高速主轴单元;动态特性;仿真分析
Dynamic Characteristics Simulation of High Speed Spindle Unit in CNC Machine Tool
HU Qiu，TENG Qiang
(China Academe Engineering Physics，Institute of Mechanical Manufacturing Technology,
Mianyang Sichuan 621900，China)
Abstract. A more accurate three一dimensional FEM model of the motorized spindle was established. Based on the model, the mo-
dal and response characteristics of the motorized spindle were analyzed. The natural frequency, vibration mode and limited speed were
studied. The maximum dynamic displacements of the front end, rotor and other characteristic position on spindle were studied, the ra-
tionality of the spindle design and construction was validated.
Keywords; High speed spindle unit; Dynamic characteristic; Simulation analysis
数控机床日益向高速度高刚度的方向发展，要使
高速铣头安全可靠地工作，保证所加工零件的高精
度，高速铣头就必须其有良好的动态特性。因此，必
须对高速铣头进行动力学研究。
主轴单元动态分析主要包括以下二个方面内容:
模态分析即固有频率(临界转速计算)和振型分析，
谐响应分析即分析连续的周期性切削力在结构系统中
产生的持续的周期性响应。
由于结构的复杂性，采用理论计算对主轴单元进
行静动态分析计算几乎不可能;长期以来主要应用的
经验类比法盲目性大，设计制造周期长，成本高。虚
拟弹性动力学研究是一种先进的新方法，具有其它方
法无法比拟的优点，如节省投资、缩短产品开发周期
等。它主要借助于大型有限元分析软件，通过对样机
模型进行经过二次建模得到其力学和数学模型，从而
求得样机的某些动力学特性和参数。
，高速主轴单元模态分析
结构的固有频率和振型是承受动态载荷结构设计
中的重要参数，同时也可以作为其它动力学分析问题
的起点。固有频率也称自然频率，只与系统本身的特
性(质量、刚度和阻尼)有关，当弹性体的动力基
本方程中的外力向量{[F] (t)}二{川时，便可得系
统的自由振动方程为
[M]{x(t)}+[C]{x(t)}+[K]{X(t)}二0
求解主轴的固有频率和振型，即求解上式的广义
特征值和特征向量。
在进行模态分析建模时，将角接触球轴承简化为
弹性支承，忽略轴承角刚度;电机转子、前后轴承锁
紧套、编码器锁紧套与轴芯建模时按一体化处理。对
主轴本体选用SOLID45三维实体结构单元对其进行
网格划分，对轴承采用弹簧一阻尼单元COMBIN14来
模拟。为使单元规则，限制单元的个数，提高计算速
度和计算精度，采用手工分网。分网后有限元模型如
图1所示，共13756个单元，17776个节点。
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图1主轴单元三维有限元模型
模态分析中唯一加载是零约束，前轴承为固定
端，约束其全部自由度，后轴承为游动端，轴向不加
约束。经ANSYS运行计算后，得到前六阶振动特性
(固有频率与振型)。部分振型图如图2一4所示。电
主轴各阶频率(Hz)和振型如表1所示。其中三、
四阶的固有振动频率相等，而且其振型表现为正交
