高速主轴系统动力学建模及影响因素分析

论文摘要

近年来随着数控机床向着高速、高精度和高效率方向的发展,对其动态特性的要求越来越高,具有优良性能的电主轴高速系统得到了日益广泛的应用。机床结构动态分析和动态设计的基础是建立准确的主轴系统动力学模型,系统地考察引起主轴系统动力学特性变化的参数类型,进而分析各参数对主轴系统动力学特性的影响。本文以沈阳机床厂已经批量生产的某数控机床的高速主轴系统为研究对象,使用Ansys有限元分析平台,对高速主轴系统进行简化,建模。基于模态分析和谐响应分析,考虑主轴设计参数、结合面参数、高转速对主轴系统动力学特性的影响分析,并使用三维实体单元采用旋转截面法,对主轴系统实现了三维实体建模,最后基于接触单元模拟主轴—轴承结合面提出了今后对于高速主轴系统分析方法的展望。总结本文的研究工作主要包含以下几个方面：(1)总结了机床主轴系统结合面的研究方法和研究现状,以及机床主轴系统动态分析与动态设计的研究目的、意义与现状；提出了理论研究和有限元分析相结合的结合面研究方法。(2)介绍了高速主轴系统设计参数对主轴系统动力学特性的影响分析,通过对比分析轴承刚度、主轴支承类型、轴承跨距、轴承预紧力、主轴内径的变化,在Ansys环境中建立相应的Beam单元有限元模型,基于模态分析和谐响应分析,得出以上五种设计参数对于主轴系统的动力学特性均有影响。因此在设计主轴系统的过程中,对于设计参数对于主轴系统用动力学特性的影响,相关结论可作为主轴系统动态设计的参考。(3)介绍了结合面参数对主轴系统的动力学特性的影响分析,基于考虑与否主轴—刀柄,刀柄—刀具结合面；考虑结合面接触刚度变化两个方面通过模态分析和谐响应分析,对比固有频率和刀尖点幅频响应,得出相应结论。(4)着重介绍了由于高速转动而引起的主轴系统动力学特性的变化。从陀螺力矩和高速回转所引起的支承刚度的变化两个方面进行分析,通过观察主轴系统的模态结果,Campbell图,临界转速等因素,得出这两个因素对主轴系统动力学特性的影响结果。(5)最后,采用三维实体单元对高速主轴系统进行了建模,进行静、动力学分析。提出了一种用接触单元模拟结合面的建模方法,使用接触单元能够更加贴近现实,得到更加真实的结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 数控机床主轴系统概述
• 1.2.1 主轴系统的分类
• 1.2.2 主轴系统的重要性
• 1.3 主轴系统动力学分析方法
• 1.4 动力学参数的影响
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第2章 高速主轴系统设计参数对主轴动力学特性的影响分析
• 2.1 高速主轴系统的基本结构
• 2.2 主轴设计参数简述
• 2.3 基于梁单元的有限元建模方法
• 2.4 主轴系统设计参数对主轴系统动力学特性的影响分析
• 2.4.1 轴承刚度对主轴系统动力学特性的影响
• 2.4.2 主轴支承类型对主轴系统动力学特性的影响
• 2.4.3 轴承跨距对主轴系统动力学特性的影响分析
• 2.4.4 轴承预紧力对主轴系统动力学特性的影响分析
• 2.4.5 主轴内径变化对主轴系统动力学的影响分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 高速主轴系统结合面参数对主轴动力学特性的影响分析.
• 3.1 主轴系统结合面概述
• 3.2 主轴结合面的建模方法
• 3.2.1 主轴接触面的建模方法
• 3.2.2 结合面的接触理论
• 3.3 考虑结合面参数影响主轴系统有限元建模
• 3.4 结合面的特性参数对高速主轴系统动力学特性的影响分析
• 3.4.1 有无结合面对高速主轴系统动力学特性的影响分析
• 3.4.2 结合面接触刚度的变化对高速主轴系统动力学特性的影响分
• 3.5 本章小结
• 第4章 高转速对高速主轴系统动力学特性的影响分析
• 4.1 高转速所诱发主轴系统动力学特性的影响分析
• 4.2 考虑转速的主轴系统有限元建模
• 4.3 高转速对主轴系统动力学特性的影响分析
• 4.3.1 陀螺力矩对主轴系统动力学特性的影响
• 4.3.2 转速引起的刚度变化对主轴动力学特性的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于三维实体单元建模的主轴系统静动力学特性分析
• 5.1 三维实体单元的有限元模型建模方法
• 5.1.1 实体单元简述
• 5.1.2 三维实体有限元模型建模方法
• 5.1.3 结合面处理方法
• 5.2 静刚度分析
• 5.3 模态分析及临界转速分析
• 5.3.1 模态分析
• 5.3.2 临界转速分析
• 5.4 基于接触单元模拟主轴—轴承结合面
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果