零传动滚齿机滚刀主轴系统动静态特性分析及试验研究

论文摘要

“零传动”即直接驱动,将机床的主传动链的长度缩短为零,减少了高精密齿轮等关键零件,消除了齿轮的传动误差。零传动技术不仅可以大幅度提高机床的加工精度和加工速度,完全解决机械传动链中存在的磨损问题,长期保持机床的精度,还可以极大地简化机床的机械结构,提高机床的动静刚度,有利于实现可重构机床的设计和制造。零传动滚齿机的工件主轴采用直接驱动力矩电机,滚刀主轴采用电主轴结构,工件主轴和滚刀主轴的转速比是由控制系统中的电子齿轮箱控制,极大地提高了滚齿机床的加工精度和加工效率。本文是在研究零传动滚齿机结构的基础上,对零传动滚齿机的滚刀主轴即电主轴的静态特性和动态特性进行了系统的研究。全文主要内容可概括如下:①介绍了零传动滚齿机的研究进展,综述了国内外主轴系统动静态特性的研究现状,研究了在主轴动静态特性的理论研究领域中运用的各种方法,为研究主轴系统动静态特性要求提供了研究依据,并阐述了课题的研究意义及本文的主要研究内容。②论述了主轴动静态特性分析的主要内容,并针对零传动滚齿机主轴结构特点提出了分析主轴动静态特性的要求。③简述了有限元理论及其代表软件PATAN/NAsTRAN的基本思想,运用PATRAN/NASTRAN从设计角度对滚刀主轴的动静态特性进行研究,可以看出滚刀主轴的动静态特性与设计中参数是密切相关的。④从试验的角度对滚刀主轴的静态特性和动态特性进行了研究,静刚度主要反映在主轴单位切削力下的变形,这直接影响机床的加工精度;动态特性则主要反映在主轴振动的变化量和主轴的固有频率。⑤对零传动滚齿机主轴系统的综合动静态特性进行了研究,表明加工过程的动静态特性是受到工件主轴和滚刀主轴同时影响,并提出了提高加工系统动静态特性的方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 滚齿机的发展
• 1.1.1 全数控化
• 1.1.2 零传动技术的应用
• 1.1.3 高速、高精度
• 1.1.4 环保复合化
• 1.1.5 网络智能化
• 1.2 零传动滚齿机的研究进展
• 1.3 主轴系统动静态特性国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 课题的来源及研究意义
• 1.4.1 课题的来源及背景
• 1.4.2 课题的研究意义
• 1.5 课题研究内容
• 2 零传动滚齿机结构及主轴系统动静态特性
• 2.1 零传动滚齿机概述
• 2.1.1 机床概述
• 2.1.2 机床的传动系统
• 2.1.3 各轴的传动
• 2.1.4 床身及排屑系统
• 2.2 零传动滚齿机的主轴结构
• 2.2.1 工件主轴结构
• 2.2.2 滚刀主轴结构
• 2.3 主轴系统的静态特性
• 2.4 主轴系统的动态特性
• 2.5 动态特性的评价指标
• 2.6 主轴结构设计对主轴系统动静态特性的影响
• 2.7 本章小结
• 3 零传动滚齿机滚刀主轴系统的有限元分析
• 3.1 有限元分析的方法
• 3.1.1 有限元法的基本思路
• 3.1.2 有限元法的优势
• 3.1.3 PATRAN/NASTRAN软件基本概况
• 3.2 滚刀主轴的静态特性有限元分析
• 3.2.1 构建几何模型
• 3.2.2 滚刀主轴有限元模型
• 3.2.3 滚刀主轴的静态变形
• 3.2.4 轴承刚度对滚刀主轴静刚度的影响
• 3.3 滚刀主轴的动态特性有限元分析
• 3.3.1 主轴系统动态特性的有限元研究方法
• 3.3.2 滚刀主轴的有限元模态分析
• 3.3.3 主轴系统的临界转速
• 3.3.4 轴承刚度及跨距对滚刀主轴固有频率的影响
• 3.4 滚刀主轴对切削力响应的分析
• 3.5 提高滚刀主轴系统动静态性能的措施
• 3.6 本章小结
• 4 零传动滚齿机主轴系统动静态特性的试验研究
• 4.1 机床动静态特性试验研究方法
• 4.1.1 机床静态特性试验方法
• 4.1.2 机床动态特性试验方法
• 4.2 滚刀主轴的静态特性试验
• 4.2.1 滚刀主轴径向静刚度试验
• 4.2.2 滚刀主轴轴向静刚度试验
• 4.3 滚刀主轴的动态特性试验
• 4.3.1 滚刀主轴空转振动试验
• 4.3.2 滚刀主轴的激振试验
• 4.4 本章小结
• 5 零传动滚齿机主轴系统综合动静态特性建模及试验研究
• 5.1 加工系统动力学建模
• 5.2 加工系统刚度数学模型
• 5.3 零传动滚齿机加工系统动态试验
• 5.4 提高零传动滚齿机加工系统动静态特性的措施
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A:作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B: 作者在攻读学位期间参与课题
• C: 试验原始数据