(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202110049466.0 (22)申请日 2021.01.14 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 113146336 A (43)申请公布日 2021.07.23 (73)专利权人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号 (72)发明人 李小虎　王岗　万少可　洪军　 张锦玉　刘金雨　 (74)专利代理 机构 西安通大专利代理有限责任 公司 6120 0 专利代理师 王艾华 (51)Int.Cl. B23Q 11/00(2006.01) B23B 19/02(2006.01)G06F 30/27(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (56)对比文件 CN 106570203 A,2017.04.19 JP 2014023 009 A,2014.02.0 3 CN 106763456 A,2017.0 5.31 CN 10949 9829 A,2019.0 3.22 CN 209087394 U,2019.07.09 CN 107120 383 A,2017.09.01 US 2018013 398 A1,2018.01.1 1 US 20140975 62 A1,2014.04.10 杨毅青等.被动阻尼减 振技术及数控加工 应 用. 《航空制造技 术》 .2016,(第18 期),第16 -23 页. 审查员 于青令 (54)发明名称 一种电主轴系统铣削颤振抑制方法及电主 轴系统 (57)摘要 本发明公开了一种电主轴系统铣削颤振抑 制方法及电主轴系统， 首先构建电主轴铣削动力 学模型， 对电主轴铣削颤振进行颤振识别， 实现 电主轴主颤振频率的准确估计； 其次， 基于传递 矩阵理论， 揭示颤振波在电主轴轴系中的传播机 理和传递路径， 确定在颤振激励条件 下主轴轴系 各个节点的状态参数； 然后， 基于弹性波在周期 结构中传播理论， 以主轴铣削颤振 频率为目标函 数， 设计声子晶体的尺寸、 结构参数、 布局形式； 最后制备声子晶体， 并将其安装到主轴系统相应 阻隔节点上， 基于颤振波在轴系中的传递规律与 传递路径， 确定颤振频带范围； 精确定位轴系中 响应极值点， 确定阻隔零件； 回避了传统铣削颤 振抑制系统复杂附加机构和控制难度高、 抑制频 带窄等问题。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 113146336 B 2022.08.09 CN 113146336 B 1.一种电主轴 系统铣削颤振抑制方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 基于电主轴铣削动力学模型分析在典型工况下电主轴铣削的稳定性特征， 根据 所述稳 定性特征对电主轴铣削颤振时主颤振频率估计； 基于传递矩阵理论， 计算得到颤振波在电主轴轴系中的传播机理和传递路径， 确定在 典型颤振激励条件下各个节点的状态参数， 进一步确定在电主轴传递路径上响应的极大值 点， 确定抑制振动传播节点的位置； 基于弹性波在周期结构中的传播理论， 以所述电主轴铣削颤振时电主轴颤振频率为目 标函数， 设计声子晶体的几何参数、 材 料参数以及布置形式； 将所述声子晶体安装到所述抑制振动传播节点的位置， 声子晶体外形与主轴系统结构 相匹配， 实现对电主轴 系统铣削颤振的抑制。 2.根据权利要求1所述的电主轴系统铣削颤振抑制方法， 其特征在于， 基于电主轴铣削 动力学模型分析在典型工况下电主轴铣削的稳定性特征， 根据所述稳定性特征对电主轴铣 削颤振时主颤振频率估计， 具体如下： 基于铣削颤振频率特性与信号正交性分析， 构建铣削振动信号的参数化模型， 将铣削 振动信号分为稳定成分和干扰成分， 对信号中的稳定周期成分进行 滤除； 在颤振识别的基础上， 利用经验模式分解实现铣削颤振特征信号的提取， 采用基于希 尔伯特变换的主颤振频率估计方法， 提取主颤振中心频率及颤振频 带。 3.根据权利要求1所述的电主轴系统铣削颤振抑制方法， 其特征在于， 基于传递矩阵理 论， 将质量连续分布的弹性转子离散为由不计厚度但考虑惯量的刚性圆盘和不计质量但考 虑刚度的弹性轴段组成的盘轴 系统， 得到刚性盘左右两端传递矩阵为： 将轴段与刚性盘合成一个综合轴段， 其轴段左右两端传递矩阵为 盘轴系统的传递矩阵关系为： 其中， Jp为刚性盘的转动惯量， Jd为转轴段的动 惯量m为质量， ω为角速度， l为主轴的长 度， E为杨氏模量， I为惯性矩， 为最终的传递矩阵模型， k为刚度， n为份数， R为右端， L表 示左端， Ti为轴段左右两端传递矩阵， Di为刚性盘左右两端的传递矩阵。 4.根据权利要求1所述的电主轴系统铣削颤振抑制方法， 其特征在于， 基于弹性波在周 期结构中的传播理论， 以所述电主轴铣削颤振时电主轴颤振频率为 目标函数， 设计声子晶 体的几何参数、 材 料参数以及布置形式， 具体为： 弹性波在结构中传播的波动方程 为：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 113146336 B 2式中ρ 为材料密度， λ、 μ为Lame常数， u为位移矢量， 根据Bloch定理， 波动方程在周期性 结构的解u的形式可表示 为： u(r,t)＝ei(K·r‑ωt)uK(r) uk(r)＝uk(r+R) R＝n1e1+n2e2 式中， K为波矢， r为结构尺寸常数， ω为频率， R为单元格矢， 是单位基矢e1和e2的线性组 合， 通过n1、 n2取不同的数值， 遍历整个空间， 通过求解波动方程， 得到声子晶体结构的频散 方程： F(ω,K)＝0 即得到频率ω和波矢K之间的关系， 根据 所述频率ω和波矢K之间的关系绘制出结构的 频散曲线， 获得声子晶体的带隙特性， 得到禁带频率范围； 进而 得到声子晶体的尺寸、 结构、 材料参数。 5.根据权利要求4所述的电主轴系统铣削颤振抑制方法， 其特征在于， 采用数学规划法 或遗传优化 算法对声子晶体结构的尺寸、 材 料以及形状参数进行工程组合 寻优。 6.一种电主轴系统， 其特征在于， 包括主轴(1)、 主轴前后轴承(3)、 外壳(5)、 主轴前端 盖(2)、 主轴后端盖(10)、 定子、 转子以及冷却水套， 主轴前后轴承(3)之间设置轴承隔圈 (4)， 主轴末端设置轴承挡圈(9)， 在权利要求1～5任一项所述电主轴系统铣削颤振抑制方 法中所述的电主轴传递路径上抑制振动传播节点的位置处设置所述声子晶体； 所述声子晶 体为圆柱形元胞， 圆柱形元胞包括包层(11)和芯柱(12)； 包层(11)的材料为有机非金属或 无机非金属， 包层用于吸收振动， 芯柱材料为金属， 用于阻隔振动， 声子晶体在抑制振动传 播节点的位置均匀排列。 7.根据权利 要求6所述的电主轴系统， 其特征在于， 在轴承隔圈(4)、 轴承挡圈(9)、 外壳 (5)、 主轴前端盖(2)以及主轴后端盖(10)上设置所述声子晶体。 8.根据权利 要求7所述的电主轴系统， 其特征在于， 轴承 隔圈(4)和轴承挡圈(9)上沿圆 周方向均设置声子晶体， 轴承隔圈(4)的端面开设凹槽， 将声子晶体埋入所述凹槽中， 声子 晶体设置在轴承挡圈(9)的端面。 9.根据权利 要求7所述的电主轴系统， 其特征在于， 主轴前端盖(2)、 主轴后端盖(10)以 及外壳(5)外 部布置声子晶体， 声子晶体采用埋入式或凸出式布置 。 10.根据权利要求6所述的电主轴系统， 其特征在于， 所述声子晶体的包层材料采用陶 瓷、 树脂或橡胶 层； 芯柱材 料采用铜、 铝或铅。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 113146336 B 3