绕线机是用于绕制各类线圈（如电子镇流器线圈、继电器线圈、变压器线圈、数码产品用线圈等）的电子专用设备。随着对生产效率和绕线质量要求的逐渐提高，要求绕线机能够在高转速下稳定运行。当转速提高和轴数增加时，主轴箱体因受到多根高速旋转主轴产生的简谐激振力影响，会出现明显的共振现象，从而危害到绕制线圈的质量。为了提升国产绕线机的市场竞争力，有必要对高速多轴绕线机的主轴箱体的动力学特性进行分析，以提高其抗振能力。对于箱体类零件，模态分析可以识别箱体固有动态特性，掌握准确的动态参数，为其动力特性的优化设计提供依据；谐响应分析可以计算出箱体在不同频率激励下的响应值对频率的曲线，为预测结构的持续性动力特性，验证设计是否能克服共振及其他受迫振动引起的危害。以怡斯麦电子E-6016-LT型全自动多轴绕线机主轴箱体为研究对象，基于虚拟仪器，对绕线机箱体振动特性的在线检测技术进行了研究，对箱体的模态进行了分析，并对箱体的结构进行了优化。技术人员对绕线机的主轴箱体的模态进行了分析和测试，并对箱体结构的设计进行了优化。基于Pro/TOOLKIT和ANSYS软件，建立了绕线机主轴箱的参数化设计与分析模型，提高了主轴箱的设计效率。

绕线机在工作时，安装于主轴箱内的各高速转动主轴施加给主轴箱箱体一个周期性变化载荷（通常认为是正弦规律变化），使整个箱体在此载荷作用下产生持续的周期性响应，即谐响应。当箱体的谐响应严重时，就会导致整个绕线机的振动加剧，甚至发生共振，进而危害到整个绕线机的绕线质量和工作效率。本文基于有限元软件，以设计最高转速10000r/min的怡斯麦电子E-6016-LT型绕线机的主轴箱体为对象，进行模态和谐响应分析。

1、绕线机主体结构简介

怡斯麦电子E-6016-LT型绕线机主体结构如图1所示，其主要由过线器、排线机构、剪线机构、可转位线杆、主轴单元、主轴箱箱体等功能部件组成。绕线机在绕制线圈时，主轴单元高速回转，安装于主轴系统上部的排线机构及其附属机构（包括过线器、剪线机构、可转位线杆等）沿主轴单元的轴向作往复排线运动。其他相关工序速度较慢，因此主轴的高速旋转运动是产生周期性变化载荷的主因。故在对主轴箱箱体进行动力学响应特性分析时，只考虑主轴的高速旋转对其影响。

2简谐激振力分析与计算

主轴的受力分析如图2所示。

其中:F1、F2为带轮张紧力；F3为主轴载荷，即工作时电磁线张力，该力远小于带轮张紧力，故忽略不计；T为主轴输入转矩；Ft为轴承对主轴的周向力；mg为主轴质量；ω为主轴转速；e为主轴与轴承内圈的偏心距。由于主轴所承受的轴向力远小于其它载荷，故忽略不计。因此轴承所受的周向力主要由主电机输入转矩与主轴所受的离心力组成，因而传导至主轴箱的总周向力为：

Ft=T/r+meω2e。（1）

式中：

r为小带轮节圆半径；

me为偏心质量。

根据绕线机传动关系与伺服电机的机械传动特性，稳定工作时，电机输出转矩为TL、输出功率为P，转速为n，电机带轮与主轴带轮传动比为3:1；并将主电机输出转矩平均分配给12根主轴，并考虑同步带轮的传动效率η，可得每根主轴输入转矩为：

T=ηTL/12。（2）

将式（2）代入式（1），可得：

Ft=9550Pη12nr+meω2e。（3）

根据怡斯麦电子E-6016-LT型绕线机设计要求，电机输出额定功率P为3kW，传动效率η取0.9。主轴的最高设计转速为10000r/min，小带轮节圆半径r为16.17mm。在主轴装配过

程中，受累计误差的影响，会产生不同心现象，产生累计偏心误差，主轴与轴承之间实际偏心距最大约为0.02mm。偏心质量me最大值为主轴的质量，me=2.6kg。

将上述参数代入式（3），可得主轴承受的最大周向力为：Ft≈70N。

同时忽略转子转动时的陀螺效应，则主轴箱体承受的简谐激振力F为：

F=Ftmaxsin(ω′·t+ψ)=70sin(ω′·t)。（4）

式中：

ω′为简谐波圆频率；

ψ为初相位，通常为一相对值，因此初相位可取0。

3主轴箱体的有限元建模

主轴箱体的材料为球墨铸铁，其密度ρ=7300kg/m3，弹性模量E=147GPa，泊松比μ=0.3。为提高计算效率，首先对箱体模型进行简化处理，删去一些不必要的圆角和倒角，忽略不大于6mm的孔，然后用高阶四面体单元划分箱体网格，共划分37178个单元，结果如图3所示。

有限元模型的载荷与约束施加情况如图4所示：根据图1所示装配关系，箱体通过螺栓固连在钢结构底架上，故采用全约束方式（即6个方向自由度全为0）将箱体的下底面完全固定。另外，主轴单元安装于箱体的轴承安装孔内，因此主轴箱体承受的简谐激振力需在每一个轴承孔的径向方向施加，即如图4所示的+X与-Y方向（坐标方向如图3所示）。激振力的幅值设定为70N，两个方向力的相位差为90°。

4主轴箱体的模态分析

在进行谐响应分析前，首先对箱体进行模态分析，以便预先了解整个箱体的固有频率和振型。利用ANSYSWorkbench平台提供的BlockLanczo模态提取方法，计算得到箱体前6阶固有频率分别为：514.9、697.7、742.9、936.1、1240.5、1433.7Hz，相应主振型如图5所示。

从图5中可以看出，第1阶主振型为前壁沿正Z轴振动（坐标方向如图3所示）；第2阶主振型为左侧壁沿正X轴振动；第3阶主振型为右侧壁沿正X轴振动；第4阶主振型为前壁沿正（负）Z轴方向振动；第5阶主振型为前壁、左侧扭曲振动；第6阶主振型为前壁、右侧扭曲振动。计算结果表明：前3阶的振动为箱体的局部振动，其频率在451.93Hz～759.94Hz；从第4阶开始，为箱体的整体振动，其频率在866.31Hz以上。另外从主振型云图中所示的相对位移可以看出：第1阶到第6第最大相对位移分别为8.44、11.34、13.90、7.48、5.43、6.30mm；第2阶和第3阶振动位移较大；第1、4、5与第6阶振动位移较小。

5主轴箱体的谐响应分析

在进行谐响应分析时，需要设置谐响应监测点。

由于箱体的中间安装孔是整个结构中强度相对较薄弱的地方，因此将谐响应监测点定位在中间孔的内壁，结果如图6所示。

应用模态叠加法，计算得到中间孔X、Y、Z方向的幅频与相频曲线分别如图7、图8和图9所示。

1）X方向的谐响应分析。

根据图7所示分析结果，X方向的振幅的第1次急剧扩大出现在700Hz附近，对应的相位与初始激励相位差180°。随着激振频率的继续增大，振幅也相应增加，在900Hz和1400Hz附近振幅也急剧扩大。综合幅频曲线与相频曲线可知，当激振频率大于700Hz时，X方向的谐响应比较严重，相应振动幅值的变化也较大。当激振频率在f=1400Hz附近时，X方向的幅值达到最大，这也与箱体的第6阶共振频（1433.7Hz）率相吻合。上述分析结果表明，箱体在700、900、1400Hz激励下，会发生严重的共振现象。

2）Y方向的谐响应分析。

根据图8所示分析结果，Y方向的振幅的第1次急剧扩大出现在500Hz附近，对应的相位与初始激励相位差180°。当激振频率大于500Hz时，随着激振频率的继续增大，Y方向的响应开始减弱，同时相位也不断的变换。在1250Hz激励下，振幅同样会急剧扩大。上述分析结果表明，箱体在500Hz、和1250Hz激励下，会发生严重的共振现象。

3）Z方向的响应分析。

根据图9所示分析结果，Z方向的谐响应特性与Y方向的谐响应特性相似。Z方向的振幅的第1次急剧扩大出现在500Hz附近，对应的相位与初始激励相位同样差180°。当激振频率大于500Hz时，随着激振频率的继续增大，Z方向的响应也同样开始减弱，相位也不断的变换。同样，在1250Hz激励下，振幅同样会急剧扩大。上述分析结果表明，箱体在500Hz、和1250Hz激励下，会发生严重的共振现象。

综合对X、Y和Z方向的幅频曲线进行比较和分析可知，当激振频率小于250Hz时，各方向的振幅几乎保持稳定不变。另外，根据模态分析结果可知，箱体的第1阶共振频率为514.93Hz，远远大于250Hz。上述分析结果表明，当箱体受到的外界激振频率小于250Hz时，即主轴的转速ω小于15000r/min时，不会发生共振现象，能够满足主轴转速最高10000r/min的使用要求。

同时，怡斯麦电子E-6016-LT型绕线机经交付用户使用，在主轴转速最高10000r/min时，没有出现共振现象，设备生产稳定，线圈绕制质量高。

6结论

本文基于ANSYS Work bench平台，利用模态和谐响应分析技术对怡斯麦电子E-6016-LT型绕线机主轴箱体的模态和谐响应进行了分析。

1）计算得到了怡斯麦电子E-6016-LT型绕线机主轴旋转引起的简谐激振力，为进行主轴箱体谐响应分析奠定了基础；

2）利用Solid Works建立了主轴箱体的三维模型，分析得到了主轴箱体的前6阶固有频率及振型；

3）分析得到了主轴旋转引起的简谐激振力作用下主轴箱最薄弱部位X、Y和Z方向的幅频曲线和相频曲线；结合前6阶固有频率及振型，表明该主轴箱当激振频率小于250Hz时，各方向的振幅几乎保持稳定不变，能满足主轴最高转速10000r/min（167Hz）的要求。

4）研制的绕线机经用户使用，在主轴转速最高10000r/min时，没有出现共振现象，线圈绕制质量好。说明提出的模态与谐响应分析方法能为高速多轴绕线机主轴箱体的结构设计提供理论与技术支撑。