重型精密机床主轴系统动力学研究

论文摘要

以一般重型精密机床典型主轴系统结构为研究对象，构建了机床主轴系统的振动模型，通过求解振动微分方程，研究了外扰为时间函数时的振动模型的解析解；获得了重型精密机床典型主轴结构在典型的工况载荷下的线性动态响应解析解；通过对滚动轴承运动学的非线性影响因素分析，重点考察滚动轴承子系统的动力效应对机床主轴系统全局动力性能的影响，建立表征和评价机床主轴旋转性能的运动学数学表达式，考查滚动轴承径向内部间隙和轴承表面波纹度两种因素下滚动轴承的Hertz接触非线性恢复力模型，并基于此模型对机床主轴系统滚动轴承局部分析，获得轴承的局部动力学数学模型；通过对滚动轴承的仿真模拟，分析了滚动轴承的动力特性对机床主轴系统动力性能的影响；最后以典型重型精密机床主轴系统的物理结构建立其有限元计算模型，对主轴单元进行静力、模态和谐响应分析。得到主轴在确定载荷形式下的动静态变形量和位移响应的稳态振动、准稳态振动和非稳态振动特性。通过对机床主轴系统在转速改变情况下非线性特性的仿真模拟，研究了主轴回转精度的非线性、非平稳特性，这为提高主轴回转系统的运行稳定性提供了依据。上述研究成果能为该类机床主轴系统的动态设计及虚拟样机仿真模拟动态响应提供准动态设计模型，也为以动态设计方法角度规划重型精密机床主轴系统动力学提供了方法论。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 本课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外高精机床发展概况
• 1.3 机床主轴静、动态研究概况
• 1.3.1 主轴滚动轴承刚度，阻尼研究
• 1.3.2 主轴动静态研究现状
• 1.3.3 非线性因素对主轴动态特性的影响
• 1.4 本文的主要工作及内容安排
• 2 重型精密机床主轴动力学模型及其在典型载荷下的求解
• 2.1 前言
• 2.2 重型精密机床主轴系统模型
• 2.2.1 重型精密主轴物理系统构成
• 2.2.2 主轴系统动力学模型
• 2.3 重型精密机床主轴典型工作载荷解
• 2.3.1 外扰为时间函数的主轴振动模型求解
• 2.4 本章小结
• 3 重型精密机床主轴支撑的滚动轴承的非线性动力学模型
• 3.1 引言
• 3.2 建立滚动轴承恢复力动力模型
• 3.2.1 影响滚动轴承刚度的非线性因素分析
• 3.2.2 滚动轴承刚度的研究
• 3.2.3 滚动轴承运动学分析
• 3.2.4 滚动轴承载荷分析
• 3.3 考虑滚动轴承内外环滚道表面波纹度对非线性恢复力的影响
• 3.3.1 滚动轴承表面波纹度数学模型
• 3.3.2 滚动轴承表面波纹度产生的非线性轴承力
• 3.4 重型精密机床主轴滚动轴承的动力学模型
• 3.5 本章小结
• 4 重型精密机床主轴滚动轴承系统动态仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 重型精密机床主轴轴承系统动态仿真数学模型
• 4.3 初始条件
• 4.4 滚动轴承滚珠个数对系统动态运行性能的影响
• 4.5 滚动轴承内外环滚道对主轴系统振动影响
• 4.6 本章小结
• 5 重型精密机床主轴系统的动态特性仿真
• 5.1 引言
• 5.2 机床主轴有限元模型
• 5.2.1 机床主轴单元简化模型
• 5.2.2 机床主轴静力分析
• 5.2.3 机床主轴单元模态分析
• 5.3 机床主轴单元的谐响应仿真分析
• 5.3.1 机床主轴单元谐响应结果分析
• 5.4 基于 Matlab 的机床主轴外扰仿真分析
• 5.4.1 机床主轴单元外扰函数
• 5.4.2 外扰作用于激振力幅值
• 5.4.3 外扰作用于激振力频率
• 5.5 具有非线性动力效应的精密机床主轴回转精度仿真
• 5.6 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集