高速电主轴动静态特性的有限元分析

广东工业大学硕士学位论文高速电主轴动静态特性的有限元分析姓名：胡爱玲申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：马平20040518摘要高速加工能显著地提高生产率和降低生产成本，是一项非常有前景的先进制造技术。实现高速加工的首要条件是高质量的高速机床，而高速电主轴是高速数控技术和加工中心的关键部件。与传统的传动方式相比，高速电主轴使用内装式电机，取消了诸如齿轮、皮带等中间传动环节，实现了机床的“零传动”。电主轴的结构设计、动静态特性在很大程度上决定了高速数控机床的加工质量和切削能力，也是影响其加工精度的重要因素。主轴结构的研究和动静态特性的优化，对于进一步提高高速机床的工作性能有十分重要的意义。本文采用有限元分析方法，运用ＡＮＳＹＳ软件，对电主轴的结构和动静态特性进行了深入的研究，具体包括：１．分析了高速电主轴的结构特点及其对动静态特性的影响，并从满足其动静态特性的角度，对本课题电主轴的结构进行了设计。２．通过对角接触球轴承进行结构建模和力学特性分析，获得了轴承静刚度的简易计算方法，对本电主轴轴承的静刚度进行了计算；研究了预紧力对轴承静刚度的影响；通过对高速角接触球轴承进行动力学特性分析，总结出一种较为简易、精确的轴承动刚度的计算公式。３．对电主轴进行二维静态有限元建模，经ＡＮＳＹＳ计算，得出了电主轴的静刚度，并分析了轴承预紧力对主轴静刚度的影响。４．对电主轴进行了较精确的三维动态有限元建模，经ＡＮＳＹＳ计算分析，获得了电主轴的模态和谐响应特性；研究了电主轴魄固有频率、振型和临界转速，分析了轴承预紧力对主轴一阶固有频率的影响；并对高转速条件下，主轴在前端、转子和传感器三个位置所发生的最大动态位移进行了分析计算，验证了主轴结构设计的合理性。５．建立了电主轴的动态测试系统，采用冲击法对电主轴的动态响应特性进行实验研究，将理论仿真结果和实验结果进行了对比分析，结果表明，所建立的仿真模型是合理有效的，并提出了改进高速电主轴动态特性的主要措施。关键词：高速电主轴；动静态特性；有限元法；ＡＮＳＹＳ』二查三些奎兰三兰堡圭耋堡丝苎ＡＢＳＴＲＡＣＴＨｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｍａｃｈｉｎｉｎｇｉｓａｐｒｏｍｉｓｉｎｇａｄｖａｎｃｅｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｒｅｄｕｃｉｎｇｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃｏｓｔｓｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｈｉｇｈ。ｓｐｅｅｄｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｉｓｔｈｅｐｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｆｏｒｒｅａｌｉｚｉｎｇｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｍａｃｈｉｎｉｎｇ．Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｍｏｔｏｒｉｚｅｄｓｐｉｎｄｌｅｉｓａｃｒｉｔｉｃａｌｕｎｉｔｏｆｔｈｅｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄＮＣｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌａｎｄｔｈｅｍａｃｈｉｎｉｎｇｃｅｎｔｅｒ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｓｐｉｎｄｌｅ，ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｍｏｔｏｒｉｚｅｄｓｐｉｎｄｌｅｉｓｅｑｕｉｐｐｅｄｗｉｔｈａｂｕｉｌｔ—ｉｎｍｏｔｏｒ，ＳＯｔｈａｔｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅｓｓｕｃｈａｓｇｅａｒｓａｎｄｂｅｌｔｓａｒｅｅｌｉｍｉｎａｔｅｄａｎｄ“ｚｅｒｏｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”ｉｓｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｏａｇｒｅａｔｅｘｔｅｎｔ，ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｉｚｅｄｓｐｉｎｄｌｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｍａｃｈｉｎｉｎｇｑｕａｌｉｔｉｅｓａｎｄｃｕｔｔｉｎｇｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ，ａｎｄａｒｅｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｆａｃｔｏｒｓｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄＮＣｍａｃｈｉｎｅｔ００１．Ｉｔｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｐｉｎｄｌｅｏｎｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｍａｃｈｉｎｅｔ００１．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｉｚｅｄｓｐｉｎｄｌｅａｒｅｓｔｕｄｉｅｄｔｈｏｒｏｕｇｈｌｙｕｓｉｎｇＡＮＳＹＳｓｏｆｔｗａｒｅｂｙＦＥＭ．Ｄｅｔａｉｌｓｏｆｓｔｕｄｉｅｓａｒｅａｓｆｏｌｌｏｗｓ，１．Ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｍｏｔｏｒｉｚｅｄｓｐｉｎｄｌｅａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｎｔｈｅｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆｓｐｉｎｄｌｅａｒｅｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｉｚｅｄｓｐｉｎｄｌｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｓａｒｉｓｆｙｉｎｇｔｈｅｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ．２．ＢｙｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｆｏｒｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｆｏｒＡｎｇｕｌａｒＣｏｎｔａｃｔＢａｌｌＢｅａｒｉｎｇ，ｔｈｅｓｔａｔｉｃｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｂｅａｒｉｎｇｆｏｒｔｈｅｍｏｔｏｒｉｚｅｄｓｐｉｎｄｌｅｉｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｕｓｉｎｇｓｉｍｐｌｅｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｐｒｅｌｏａｄｏｎｓｔａｔｉｃｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｂｅａｒｉｎｇｉｓｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄａｓｅｔｏｆａｃｃｕｒａｔｅｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｆｏｒｍｕｌａｓｏｎｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｂｅａｒｉｎｇａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｂｙｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｆｏｒｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄＡｎｇｕｌａｒＣｏｎｔａｃｔＢａｌｌＢｅａｒｉｎｇ．３．Ａｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＦＥＭｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｉｚｅｄｓｐｉｎｄｌｅｉｓｂｕｉｌｔｕｐｗｉｔｈＩＩＡＮＳＹＳ，ｔｈｅｓｔａｔｉｃｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｓｐｉｎｄｌｅｉｓｓｔｕｄｉｅｄａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｐｒｅｌｏａｄａｌｓｏａｎａｌｙｚｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．ｏｎｉｔｉｓ４．Ａｍｏｒｅａｃｃｕｒａｔｅｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＦＥＭｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｉｚｅｄｓｐｉｎｄｌｅｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｏｄｅｌ．ｔｈｅｍｏｄａｌａｎｄｒｅｓｐｏｎｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｉｚｅｄｓｐｉｎｄｌｅａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅａｎｄｌｉｍｉｔｅｄｓｐｅｅｄａｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｐｒｅｌｏａｄｏｎｆｉｒｓｔｓｅｔｏｆｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｓｐｉｎｄｌｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｄｙｎａｍｉｃｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｆｒｏｎｔｅｎｄ，ｒｏｔｏｒａｎｄｓｅｎｓｏｒｏｎｓｐｉｎｄｌｅａｒｅｓｔｕｄｉｅｄ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｐｉｎｄｌｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｗｉｌｌｂｅｖａｌｉｄａｔｅｄ．５，Ａｔｔｈｅｅｎｄｏｆｐａｐｅｒ，ｔｈｅｍｏｔｏｒｉｚｅｄｓｐｉｎｄｌｅｈａｓｂｅｅｎｔａｋｅｎａｓａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｏｂｊｅｃｔ，ａｓｅｔｏｆｄｙｎａｍｉｃｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｅｎｂｕｉｌｔｕｐ，ａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｗｉｔｈｉｍｐｕｌｓｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙａｎｄｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌａｒｅｖａｌｉｄａｔｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｓｏｍｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｓｈａｖｅｂｅｅｎｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｍｏｔｏｒｉｚｅｄｓｐｉｎｄｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｍｏｔｏｒｉｚｅｄｓｐｉｎｄｌｅ．Ｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ：ＡＮＳＹＳＩＩＩＦｉｎｉｔｅ第一章绪论第一章绪论１．１高速加工与电主轴技术１．１．１高速加工概述用提高加工速度的方法来提高生产率一直是制造技术领域十分关注并为之不懈奋斗的重要目标。高速加工就是近年来发展起来的一种集高效、优质和低耗于一身的先进制造工艺技术。高速加工技术是指采用超硬材料刀具磨具和能可靠的实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以大幅度地提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工技术。它是提高切削效率、加工质量、加工精度和降低加工成本的重要手段。其显著标志是使被加工塑性金属材料在切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一域限值，开始趋向最佳切除条件，使得被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面温度、刀具磨具磨损、加工表面质量等明显优于传统切削速度下的指标，而加工效率则大大高于传统切削速度下的加工效率。实现高速加工技术的核心关键技术主要有：高速切削机理，高速机床技术，高速加工用刀具技术，高速加工工艺技术，以及高速加工测试技术等。其中高速机床则是实现高速加工的前提和基本条件。一个国家高速加工的技术水平，在很大程度上反映在高速机床的设计制造技术上。在现代制造技术中，机床的高速化已成为一个不可阻挡的发展潮流…。现在，世界各工业发达国家都把生产高速机床作为其重要的发展目标，高速机床的生产能力和技术水平已经成为衡量一个国家制造技术水平的重要标志。高速机床技术主要包括高速单元技术和机床整机技术。单元技术包括高速主轴、高速进给系统、高速ＣＮＣ控制系统等。机床整机技术包括机床床身、冷却系统、安全设施、加工环境等。１．１．２高速电主轴１．１．２．１电主轴概述高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，是高速机床的核心部件。这四个部分构成一个动力学性能及稳定性良好的系感谢您试用AnyBizSoftPDF转换器.试用版本只能转换每个文件的前5页.您购买后可转换全部页码内容: