基于有限元的绕线机主轴箱的振动模态分析

副标题#e#    绕线机是用于绕制各类线圈(如电磁线圈、电机转子、数码产品用线圈等)的电子专用设备。随着电子电器工业的发展，线圈的需求量越来越大、品种也越来越多，从大型的电力变压器、牵引电机绕组到充电用的微型线圈、节能灯具用线圈，以及各类电子设备。目前，发达国家生产的绕线设备已基本实现自动化、智能化，其中以日本、意大利、美国、德国生产的绕线设备最为突出，其绕线机主轴转速已经达到40000r/min;典型的高速绕线机如日本日特公司生产的132AR多工位自动绕线机，最高转速为20000r/min，其绕制精度和可靠性都处于世界领先水平。
   
    在国内，国产绕线机目前仍以单机生产为主，在高速性、绕制精度、可靠性等方面与世界先进水平差距较为明显，现阶段国产绕线机大多还工作在6000r/min以内，如此低的工作转速，极大地限制了国内加工的效率，大大增加了单位能耗和时间成本。要提高绕线机的工作转速，绕线机主轴箱体振动的测量和共振模态分析是非常重要的基础研究工作;而国内在这一领域的研究尚处于起步阶段。根据笔者的检索，浙江工业大学王毅研究了基于虚拟仪器的自动绕线机箱体振动特性在线检测，空军第一航空学院李是研究了FDY型绕线机转子的振动特性，另外尚无研究绕线机主轴箱振动特性的文献。相近的研究主要集中在绕线的控制上，包括绕线精度的控制和张力的控制。西北轻工业学院的陈掸娟研究了偏转线圈垂直绕线机的数控改造方案及技术关键，给出了简单方便的垂直线圈绕线程序的编制方法;西安理工大学刘小勇等研究了一种基于PC-PLC控制的数控绕线系统。
   
    本文采用基于有限元方法的COSMOS软件对某企业开发过程的某一型号的绕线机主轴箱进行了振动特性研究，分析了其共振模态和变形系数，为主轴箱的结构设计和改进提供了重要参考。
   
    1计算模型和方法
   
    1.1计算模型
   

    本文计算的几何模型如图1所示，其计算网格采用非规则网格，如图2所示。本绕线机为4轴绕线机，卧式，水平排列，同步带传动，工件回转式，具有自动绕线、自动缠头、自动夹线、自动剪线的功能;可实现端子垂直和水平两个方向的自动缠绕。适绕骨架最大外径30mm，最大排线行程50mm,适绕线径范围0.02-0.33mm,最高主轴转速12000r/min;主轴定位精度0.36;最大位移速度250mm/s;二轴轴向最大行程 30mm;y轴轴向最大行程70 mm;z轴轴向最大行程50mm。主轴箱为便于主轴的安装和调试，采用敞口形式，材料选择HT250。
   

    1.2计算方法
   
    COSMOS软件是美国SRAC公司的产品，它采用成熟的快速有限元算法，具有计算速度快、分析功能全面、计算结果准确可靠等优点。COSMOS的主要功能包括:
   
    (1)应力分析，主要分析零件的强度。确定零件是否符合安全标准、在应力作用下是否会发生失效。(2)频率分析，分析结构的振动。确定零件或装配体的造型与其固有频率的关系，从而判断工作时是否发生共振。(3)热分析，主要确定零件是否会过热。分析热量在整个装配体中发散规律。(4)非线性分析，用于分析橡胶类或者塑料类的零件或装配体的行为，还用于分析金属结构在达到屈服极限后的力学行为。也可以用于考虑大扭转和大变形。(5)设计优化在保持满足其他性能判据(如应力失效)的前提下，自动定义最小量(质量、体积等)设计。