1、 分 类 号 密 级 宁大学 毕业设计 (论文 ) 数控机床主轴的有限元分析 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 年 月 日 诚 信 承 诺 我谨在此承诺：本人所写的毕业 设计（ 论文 ） XXXXXXXX均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月 日 摘 要 数控机床 主轴 静态和动态刚度 是决定加工质量和切削效率的重要因素 ，也很大程度上影响机床的寿命， 因此在主轴的加工设计中 占据重要的地位 。 ANSYS 是一个通用性很强的分析软件，本文利用 ANSYS 有限元分析软件与solidwork
2、s 三维建模软件相结合 ，对主轴进行动态和静态仿真并分析， 基于两种软件各自的有点，首先在 solidworks 软件中建立主轴的三维模型，将三维模型转换成parasolid-x_t 格式，将转换完的模型导 入 ANSYS 软件中 建立有限元模型 ， 通过理论计算确定切削载荷以及约束条件，设置其材料参数，并对网格进行划分，条件设置完成后，进行求解，得出主轴的静态和动态分析结果，并对可视化图形进行分析论证。 数控机床主轴系统的动 态 特性直接影响着机床的加工精度、加工效率。文章在总结前人研究成果的基础上 ， 对数控机床主轴系统动 态 分析方法进行了综述研究。介绍了表征主轴系统动力学特性的参数 ，
3、 主要有静刚度、动刚度、极限切削宽度、固有频率及振型、阻尼特性和动响应。对现有的关于主轴系统动 态 特性分析方法进行了归纳与总结 , 主要包括有限元法、 传递矩阵法、阻抗耦合法、实验法等。指出了主轴系统结合部的动力学建模与参数辨识是研究主轴系统动 态 特性的关键问题。最后 ， 简要论述了主轴系统动力学研究的发展趋势 ， 即未来应从主轴系统的精准建模、动力学综合优化和动态测试及分析等方面进行深入研究。 关键词 : 主轴系统 ; 动力学 ; 分析方法 ; 数控机床 Abstract CNC machine tool spindle static and dynamic stiffness is t
4、o decide the processing quality and cutting efficiency the important factor, that is, to a large extent influence the life of the machine, so the main processing design occupies an important position ANSYS is a general strong analysis software, this paper, by using ANSYS finite element analysis soft
5、ware and solidworks 3 d modeling software, combining to spindle dynamic and static simulation and analysis, based on the two kinds of software their a little, first in solidworks software set up 3 d model of the spindle, the 3 d model into parasolid - x_t format, will transform the model into ANSYS
6、software of finite element model establishment, through the theoretical calculation to determine cutting load and constraint conditions, set its material parameters, and the grid division, conditions, after the completion of setting, it is concluded that the main solving static and dynamic analysis
7、results, and the visual graphics, analyzed. CNC machine tool spindle system dynamic characteristics of the machine tool directly affect the machining precision and machining efficiency. In the paper the previous research results on the basis of numerical control machine tool spindle system dynamic a
8、nalysis method are reviewed research. Introduces the characterization of spindle system dynamics characteristic parameters, basically have static stiffness, dynamic stiffness, limit cutting width, natural frequency and vibration mode and damping characteristics and dynamic response. The existing of
9、spindle system dynamic characteristics analysis method have been summed up and summarized, including the finite element method, the transfer matrix method, the impedance coupling method, experimental method, etc. Points out that the spindle system of farming dynamics modeling and parameter identific
10、ation is the study of dynamic characteristics of the main shaft system key problems. Finally, this paper briefly discusses on the spindle system dynamics research, the development trend of the future of main shaft system should be accurate modeling, dynamic comprehensive optimization and dynamic tes
11、t and analysis, and further research. Key Words: Spindle system; Dynamics; Analysis method; CNC machine tool 目录 摘 要 . III Abstract . IV 第 1 章 绪论 . 6 1.1 有限元在机床主轴领域的应用 . 6 1.2 机床主轴的发展方向 . 7 1.3 机床主轴的动静态分析 . 10 1.4 课题的研究意义 .错误 !未定义书签。 第 2 章 轴的设计计算 . 12 2.1 电机的选择 . 12 2.2 传动系统的设计 .错误 !未定义书签。 2.3 齿根弯曲强度
12、设计 .错误 !未定义书签。 2.4 轴的刚度计算 . 20 2.5 本章小结 .错误 !未定义书签。 第 3 章 数控机床主轴三维设计 . 20 3.1 主轴系统组成 . 20 3.2 主轴材料及热处理 . 22 3.3 三维软件介绍 . 22 3.4 主轴的三维建模 .错误 !未定义书签。 3.5 本章小结 . 24 第 4 章 数控机床主轴的有限元分析 . 25 4.1 主轴分析存在的问题 . 25 4.2 有限元前处理 . 41 4.3 ANSYS 分析的后处理 . 47 4.4 本章小结 . 54 结论 . 55 致谢 . 56 参考文献 . 57 第 1 章 绪论 1.1 课题研究
13、的目的和意义 主轴是机床的重要组成之一 ， 机床在加工过程中 ， 主轴对于加工精度的 影响很大 ，长期以来 ， 人们对主轴进行了广泛的研究 ， 它的性能对整机性能 有 很大的影响。主轴直接承受切削力，转速范围又很大，所以对主轴组件的主要性能特提出如下要求： (1)回转精度主轴组件的回转精度，是指主轴的回转精度。当主轴做回转运动时，线速度为零的点的连线称为主轴的回转中心线。回转中心线的空间位置，在理想的情况下应是固定不变。实际上，由于主轴组件中各种因素的影响，回转中心线的空间位置每一瞬间都是变化的，这些瞬时回转中心线的平均空间位置成为理想回转中心线。瞬时回转中心线相对于理想回转中心线在空间的位置
14、距离，就是主轴 的回转误差，而回转误差的范围，就是主轴的回转精度。纯径向误差、角度误差和轴向误差，它们很少单独存在。当径向误差和角度误差同时存在时，构成径向跳动，而轴向误差和角度误差同时存在构成端面跳动。由于主轴的回转误差一般都是一个空间旋转矢量，它并不是所有的情况下都表示为被加工工件所得到的加工形状。 (2)刚度主轴部件的刚度是指受外力作用时，主轴组件抵抗变形的能力。通常以主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所施加的作用力大小来表示。主轴组件的刚度越大，主轴受力变形就越小。主轴组件的刚度不足，在切削力及其它力的作用下，主轴 将产生较大的弹性变形，不仅影响工件的加工质量，还会破坏齿轮、轴承的正
15、常工作条件，使其加快磨损，降低精度。主轴部件的刚度与主轴结构尺寸、支承跨距、轴承类型及配置型式、轴承间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有关。 (3)抗振性主轴组件的抗振兴是指切削加工时，主轴保持平稳地运行而不发生振动的能力。主轴组件抗振兴差，工作时容易产生，不仅降低加工质量，而且限制了机床生产率的提高，使刀具耐用度下降。提高主轴抗振兴必须提高主轴组件的静刚度，采用较大阻尼比的前轴承，以及在必要时安装阻尼器。另外，使主轴的固有频率远远大于激振力 的频率。 机床产品不断的向高速、高精等领域发展 ，振动和噪声日益严重，零件的加工精度与主轴的 动态性能、静态性能息息相关， 因此主轴的结构化分析以及动静
16、态分析在主轴的研究中越来越重要。 有限元技术的应用使得复杂的零件的刚度和强度计算能够实现，分析数据能够满足硕士 毕业设计 主轴加工精度的需要，提高了产品的研发质量，缩短了设计周期，推动了工业的发展，本课题的研究思想就是通过有限元软件实现主轴的静态和动态分析研究 ，提高产品的设计水平。 数控机床主轴系统的 力学特性直接影响着机床的加工精度、加工效率。文章在总结前人研究成果的基础上 , 对数 控机床主轴系统 力学分析方法进行了综述研究。介绍了表征主轴系统动力学特性的参数 , 主要有静刚度、动刚度、极限切削宽度、固有频率及振型、阻尼特性和动响应。对现有的关于主轴系统动力学特性分析方法进行了归纳与总结
17、 , 主要包括有限元法、传递矩阵法、阻抗耦合法、实验法等 。指出了主轴系统结合部的动力学建模与参数辨识是研究主轴系统动力学特性的关键问题及未来的研究趋势。 1.2 国内外的发展现状 1.2.1 有限元的发展现状 及应用 近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的 重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途 径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器，国防军工，船舶， 铁道，石化，能源，科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下
18、几个方面： 增加产品和工程的可靠性； 在产品的设计阶段发现潜在的问题经过分析计算， 采用优化设计方案，降低原材料成本缩短产品投向市场的时间模拟试验方案， 减少试验次数，从而减少试验经费 国际上早在 60 年 代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序，但真正的 CAE 软件是诞生于 70 年代初期，而近 15 年则是 CAE 软件商品化的发展阶 段， CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，在大力推销其软件产品的同时，对软件的功能、性能，用户界面和前、后处理能力，都进 行了大幅度的改进与扩充。这就使得目前市场上知名的 CAE 软件，在功能、性能、易用性、可靠性以及对
19、运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求， 从而帮助用户解决了成千上万个工程实际问题，同时也为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的 贡献。目前流行的 CAE 分析软件主要有 NASTRAN、 ADINA 、 ANSYS、 ABAQUS、 MARC、MAGSOFT、 COSMOS 等。 MSC-NASTRAN 软件因为和 NASA 的特殊关系，在航空航天领域有着很高 的地位，它以最早期的主要用于航空航天方面的线性有限元分析系统为基础，兼并了 PDA 公司的 PATRAN，又在以冲击、接触为特长的 DYNA3D 的基础上 组织开发了 DYTRAN。近来又兼并了非线性分析软件 MARC,
20、成为目前世界上规模最大的有限元分析系统。 ANSYS 软件致力于耦合场的分析计算，能够进 行结构、 流体、热、电磁四种场的计算，已博得了世界上数千家用户的钟爱。 ADINA 非线性有限元分析软件由著名的有限元专家、麻省理工学院的 K.J.Bathe 教授领导开发，其单一系统即可进行结构、流体、热的耦合计算。并同时具有隐式和显式两种时间积分算法。由于其在非线性求解、流固耦合分 析等方面的强大功能，迅速成为有限元分析软件的后起之秀，现已成为非线性分析计算的首选软件。纵观当今国际上 CAE 软件的发展情况，可以看出有限元分析方法的一些发展趋势： 1、与 CAD 软件的无缝集成当今有限元分析软件的一个
21、发展趋势是与通用 CAD 软件 的集成使用，即在用 CAD 软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE 软件中进行有限 元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。为了满足工程师快捷地解 决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD 软件（例如 Pro/ENGINEER、 Unigraphics、 SolidEdge、 SolidWorks、 IDEAS、 Bentley和 AutoCAD 等）的接口。有些 CAE 软件为了实现和 CAD 软件的无缝集成 而采 用了CAD 的建模
22、技术，如 ADINA 软件由于采用了基于 Parasolid 内核的实体建模技术，能和以 Parasolid 为核心的 CAD 软件（如 Unigraphics、 SolidEdge、 SolidWorks）实现真正无缝的双向数据交换。 2、更为强大的网格处理能力 有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的 正确性与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了 很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实 体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结
23、果对模型进行自适应网格划分，除了个别商业软件做得较好外，大多数分析软件仍然没有此功能。自动六面体网格划分 是指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网格单元，现在大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元，但这些功能都只能对简单规则模型适 用，对于复杂的三维模硕士 毕业设计 型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元。对于四面体单元，如果不使用中间节点，在很多问题中将会产生不正确的结果，如果 使用中间节点将会引 起求解时间、收敛速度等方面的一系列问题，因此人们迫切的希望自动六面体网格功能的出现。自适应性网格划分是指在现有网格基础上，根据 有限元计算结果估计计算误差、重新划分网
24、格和再计算的一个循环过程。对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单 元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要 条件。 在国内，西安交通大学在有限元分析环境中建立了 数控机床的动力学模型， 对主轴进行了优化设 计并对动态和静态进行分析，确定了机床主轴的刚度薄弱是引起主轴震动的主要原因， 简化了有限元模型，确定优化目标，到达预期的动态特性。东南大学汤文成对加工中心的床身进行了分析，通过对主轴不同的布局方案对机床刚度的影响进行探究 ，对机械大件结构的合力设计
25、与性能分析进行了有益尝试。西安理工大学大学的王世军基于结合面的基础特性，研究了机床导轨结合部的有限元建模方法 ，为机床整机特性分析中结合部特征参数的确定提出了一定的方案。 1.2.2 主轴静动态分析研究现状 主轴单元的动静态特性包括 主轴的变形、共振频率、 临界转速和动态响 应等 ， 其对主 轴速度 和精度性能有极大的影响 ， 早在上世 纪 20 年代就开始了有关研究。上世纪60 年代以前，基本上采用经验类比法进主轴的结构和动态性能设计。六十年代初 ， 开始出现最佳跨距计算，使主轴的结构设计有了很大的 改进， 由于计算方法和 手段的限制 ，对动力学模型通过简化后，只能图解法或解析法分析 ， 方
26、法繁琐 ， 计算精度低。 近 20 年来计算机和计算机技术的发展，主轴的动态特性研究进入了新的阶段，各种计算方法相继问世 ， 如古典结构分析法、传递矩阵法 、 有限差分法、有限元法和结构修正法等。 如果能够很好的控制单元类型和有限元模 型 ， 以及边界条件 ， 可以得到更加准确的分析结果。学模型来模拟机床的连接形式，建立了机床整机的动力学模型 ， 并对机床结合面连接件的位置和数量进行了拓扑优化 。 用有限元方法分析了在车削过程中车床和工件的稳定性，用 ansys 软件分析了车床整体的动态特性并对 TN40 车床进行了实验模态分析 。 英国等对 主轴 家设计 系统 行了研究 。 该系统利用模糊设
27、计准则 ， 对主轴的驱动配置进行交互式的自动设计 ， 主轴的结构动态特性通过沿着主轴分配轴承自动地优化 。 该主轴专家设计系统用并开发了综合求解高速主轴 轴承系统的计算机程序 ， 用以求解轴承的刚度 、 接触载荷， 温度和主轴的动态特性和响应、温度分布和热膨胀等。波兰对静压轴承的机床主轴系统的计算机辅助优化进行了研究 ， 建立了静压轴承的主轴系统的一般模型 ， 开发了磨床和车床的计算机优化设计软件包 。 印度的等对钻床的模态测试模态辨识进行了研究 ， 建立了钻床的有限元模型 。 兰州理工大学吴晖对无心车床的主轴系统及传动系统的动力学特性进行了研究。建立了主轴系统基于 riccati 传递矩阵法
28、的质量分布梁动力学模型，获得了机床主轴系统横向振动时其固有频率的有关信息 ， 以及主轴系统主要设计参数对系统动态特性的影响有关信息建立了机床传动 系统基于传递阵法的动力学模型以及与之相应的数学模型 ， 获得了传动 系统扭转振动时有关其固有频率方面的信息。昆明理工大学梁祖峰对加工中心主轴系统 进行了实验模态分析，从理论上对模态分析 、 参数识别、相关的信号分析以及实验方法进行了讨论。广东工业大学胡爱玲对高速主轴动静态特性的有限元分析进行了研究，该课题主要以高速大功率的镗 、 铣加工中心电主轴为研究目标 ， 以实现电主轴的高速、高加工精度入手 ， 对电主轴的动静态特性进行了研究 。 东南大学倪晓宇
29、 ， 基于ansys 软件针对机床组件进行有限元分析和优化设计的专用软件系统的研究与开发 。 常州工学院张宇应用有限元法建立了一个机床主轴部件的数学模型 ， 用来计算主轴部件及各类轴类部件的动态特性 。 沈阳工业学院史安娜等对卧式加工中心主轴部件的动静态特性 进行 分析 ， 主要讨论了轴承预紧力和前后 支 刚度对主轴固有频率的影响 。 宁夏大学刘晶对某型数控机床 ， 建立了它的主轴组件的有限元动力学模型 ， 并对主轴单元的动态特性进行了计算分析。福州大学施孟贵应用传递矩阵法原理编制程序 ， 对车床的主轴部件动态特性参数进行分析计算。 1.3 本 论 文的研究内容 论文重点研究主轴的三维建模、建构特点以及动态和静态分析，主要内容有以下几个方 面。 1、主轴动静态数学模型的建立 ，介绍弹性力学的基本方程，对静力学有限元法进行分析，对动态有限元法进行分析，本文主要介绍模态分析的有限元法。
