基于ANSYS的主轴系统动态特研究设计.docxVIP

第一章引言1.1研究的目的和意义主轴部件是数控机床的重要部件之一，直接参与切削加工，对机床的加工精度，表面质量和生产率影响很大。对于数控机床产品而言，其主轴部件要有较宽的转速范围、高精度、高刚度、振动小、变形小、噪声低，而且要具有良好的抵抗受迫振动和自激振动能力的动态性能。目前，国内的机床设计多半属于经验设计。机床结构的设计计算一直沿用一般的结构计算方法。虽然这些计算公式的导出大多是依据强度方面的理论分析，并辅以试验方法和测试技术的研究，具有一定的科学依据和可靠性。由于机床结构比较复杂，仅凭简单的计算工具，在计算时要对计算模型进行很多简化，致使计算精度较差。由于计算繁冗，时间耗费大，有些项目甚至无法计算。因而长期以来，在许多情况下仍沿用外推或类比的方法进行机床结构的设计。上述比较传统的方法获得的计算结果大多用于不同结构性能的定性分析和比较。而在实际结构设计时，仍取较大的安全系数，结果使结构尺寸和重量加大，不能很好地发挥材料的潜能，机床结构性能难以提高，特别是在加工中心主轴部件设计时，没有有效的计算方法，就无法对结构方案设计提供可靠的依据，只能依靠以往的经验进行局部修正，无法进行优化设计 。 本课题研究的目的是：利用有限元分析方法对机床主轴部件静、模态性能进行分析，找出现有设计的薄弱环节；再利用优化设计方法，对主轴部件结构进行优化设计，提高加工中心产品的性能和设计水平。1.2国内外研究现状1.2.1有限元方法的发展概况及应用有限元方法的发展，其基本思想的提出可以追溯到上世纪40年代初。1943年，数学家R.Courant首次提出离散的概念，他将一个连续的整体离散成有限个分段连续单元的组合，并第一次尝试应用三角形单元的分片连续函数和最小势能原理相组合，来求解St．Venant扭转问题。航空工业的发展大大促进了有限元的进一步发展。1956年，美国波音飞机制造公司M.J.Tuner和R.W.Clouh 等人在分析大型飞机结构时，第一次采用了直接刚度法,给出了用三角形单元求解平面应力问题的正确解答，从而开创了利用电子计算机求解复杂弹性平面问题的新局面。有限元或有限单元（Finet Element）这一术语，是R.W.Clouh于1960年在一篇论文中首次提出的。60年代初，G.N.White和K.O.Friderichs 采用了规则的三角形单元，从变分原理出发来求解微分方程式。1963年到1964年，J.F.Besseling 等人证明了有限元法是基于变分原理的Ritz （里兹）法的另一种形式，此后有限元法开始巩固其地位。1969年，英国O.C.Zienkrewicz教授提出了等参单元的概念，从而使有限元法更加普及和完善，无论是在理论方面，还是在实践方面都得到了飞速的发展。目前，国内外机床厂家已经在机床设计中广泛地应用有限元分析方法，并在机床基础件（如床身、立柱、框架等）和主轴部件等的静、动态特性分析计算中取得成就。例如Velagala R.Reddy 等人利用有限元法对车床主轴建模，并以轴承间隙，轴承刚度以及工件直径大小为设计参数，对其进行静、动态分析。A.M.Sharan 对实际车床的主轴进行动态分析。K.W.Wang 和C.H.Chen 对高速主轴一轴承系统的动力学特性进行了详细研究，指出在高速条件下滚动轴承的刚度随转速的升高而降低，导致主轴系统的固有频率随之下降。 1.2.2数控车床的发展数控机床（numerical control machine tool）是采用了数字控制技术（numerical control 简称NC）的机械设备，就是通过数字化的信息对机床的运动及其加工过程进行控制，实现要求的机械动作，自动完成加工任务。数控机床是典型的技术密集且自动化程度很高的机电一体化加工设备。第一台数控机床是由美国Parsons 公司与美国麻省大理工学院（MIT）于1952年合作研制成功的，当时是为了加工直升飞机螺旋桨叶片轮廓的检查样板。此后，其他一些国家（如德国、英国、日本、前苏联等）都开展了数控机床的控制开发和生产。1959年，美国克耐杜列克公（Keaney＆Trecker）首次成功开发了加工中心（machine center，简称MC），这是一种有自动换刀装置和回转工作台的数控机床，可以在一次装夹中对工件的多个平面进行多工序的加工（包括钻孔、锪孔、攻丝、镗削、平面铣削、轮廓铣削等。）20世纪60年代末，出现了直接数控系统DNC（direct NC），即由一台计算机直接管理和控制一群数控机床。１９６７年，英国出现了由多台数控机床连接而成的柔性加工系统，这便是最初的柔性制造系统（flexible manufacturing system简称FMS）。20世纪80年代初，出现了加工中心或车削中心为主体，配备工件自动装卸和监控检验装