机床主轴的振动的有限元模态分析

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G Analysis of the Static and Dynamic Behavior of Lathe Spindles[J]，J.Mach. Tool Ues.Res,Vo1.3,1994,193-209 [5]Reddy, V .R. and Sharan. A.M. The finite-Element Modeled design of Lathe Spindle: The static and Dynamic Analysis[J]. ASMI: Journal of Vibrations, Acoustics, Stress and Reliability in design; Vol. 109. 1987 [6]Sadeghipour, K. and Cowlcy.A. The Receptance Sensitivity and the Effect of Concentrated Mass Inserts on the Model Balance of Spindle-Bearing System. J.Mach.Tool Des.Vol26; NoA, 1988, 415-429 [7] Spur G等.主轴一轴承系统的计算:利用结构修正法确定静态和动态性能.国外轴承，1991，(4) [8]Bert R Jorgensen, Yung C Shin. Dynamics of Spindle-Bearing Systems at High Speeds Including Cutting Load Effects. Transactions of the ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, 1998, 120: 387-399 [9]G D. Hagiu et aLDynamic Characteristics of High Speed Angular Contact Ball Bearings .Wear, 1997,211(1):22-29 [10]付华.主轴部件的动态特性及动力修改[D]，江苏工学院，1992 [11]肖曙红.前支承为三联角接触球轴承的主轴组件的性能分析和简化计算[D]大连理工大学，1994 [12]费仁元、黄旭东、杨家华、宋国荣、殷德义、邢巨恒.主轴部件动态参数确立的实验方法研究[J]，北京工业大学学报，1999,(0):33-38 [13]史安娜、王浩.主轴部件三维实体模型的有限元分析法阴，机械设计与制造，2000,2: 18-20 [14]刘素华.加工中心用电主轴的研究与设计[D]，北京理工大学，2000 目录 摘要 I IIAbstract 1第一章 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 1 1.2 数控机床主轴研究现状 2 1.3 主轴性能研究概况 3 1.4 本课题的研究内容 4 第二章 理论基础 6 2.1 模态分析理论 6 2.2 本章小节 10 第三章 机床主轴的有限元分析 11 3.1 有限元简介及ANSYS软件应用 11 3.1.2 ANSYS软件应用 12 3.1.2.1 ANSYS的线性静力分析 12 3.1.2.2 分析步骤 12 12 3.2 机床主轴有限元分析模型 3.2.1 构建几何模型 12 3.2.2 有限元模型建立 13 3.2.3 单元类型选择和网格划分 14 16 3.3 机床主轴振动模态分析 16 3.3.1 ANSYS动力分析 17 3.3.2 模态分析 3.4 本章小结 21 结论 22 参考文献 23 24 致谢 附录一 英文文献翻译 附录二 英文文献原件 机床主轴振动的有限元模态分析 摘 要：机床发展日益朝向高速度和高精度的方向发展，这对机床的设计提出了更高的要求，需要采用更加先进和合理的设计方法来完成机床设计。作为一种先进的设计手段，动态设计方法已经成为企业提高竞争力的重要方面。要进行动态设计，前提是对机床的动态性能作出正确的分析。主轴是数控机床的重要组成部分，其动态特性的好坏对机床的性能有着重要的影响。因此，对主轴部件进行动态特性分析十分必要。为了提高机床的设计水平，将现代化的设计方法应用于机床的设计，主要是对现有数控机床CKS6125主轴振动进行模态分析，为进一步进行动态设计打基础。 本文态参数,识别原理； (1) 简要论述了有限元方法和动力学分析的基本求解过程，建立机床主轴有限元模型，合理的确定了载荷、轴承支承刚度和约束条件，选定了单元类型。采用Lanczos法对其进行自由模的具体研究内容； (2)总结了机床、动态设计方法研究和机床主轴动静态研究的发展状况和发展趋势，在总结前人研究成果的基础上，结合当前的技术发展趋势，采用有限元方法来进行开展研究； (3) 简要论述了模态分析，得到主轴的固有频率和振型，找出工作时容易发生共振的频率域,为进一步提高精度和转速提供理论依据。 关键词:有限元分析；模态分析；机床主轴；振动 Spindle vibration modal analysis by finite element method ABSTRACT High-speed and high-accuracy are the trends in development of machine tool, we need to use advanced and appropriate method to design machine tool. As a way to improve enterprise's competitive power, the dynamic design method has been played an important role. The analysis of dynamic performance is the premise of dynamic design. Spindle is a key part of CNC machine; its performance will affect the machine's performance and quality of work piece mostly. Its dynamic characteristic is an important influence for the function of the tool machine. To improve design level and use advanced design chose Machine Tools CKS6125 to do study on dynamic performance and application. The paper is based on the study and the mainly work is study on dynamic performance of Machine Tool's Spindle which can provide a foundation for dynamic design. The contents are: (1) In the paper, the development trends of machine tool and dynamic design are summarized. And the FEA methods are taken to use. (2)The basic resolving processes about the modal parameters identifier theory. (3) The basic resolving processes about static analysis and kinetic analysis. The solid model of spindle is established. During the building of the model, the load on the spindle, the supporting stiffness of bearing, the boundary and elements are analyzed correctly. The modal frequency and modal shape characteristics are obtained by FEM modal analysis with the Lanczos method. And the frequency region of the resonance in work is obtained. It provides theoretical basis for promoting the precision and rotational speed of the spindle parts. Key words: Finite Element Method; Modal Analysis; Spindle; vibration 第一章 绪论 1.1课题研究的背景及意义 制造业是体现一个国家综合实力的重要方面，是国家财富的主要创造者世界上凡是发达国家都拥有高水平的制造业。而装备制造业作为整个国家工业部门的装备提供者，其水平的高低决定了我国制造业的国际竞争力，特别是我国加入到WTO以后，行业竞争更加激烈，已经关系到我们国家现代化的进程和民族的复兴，因此提高我国装备制造业的整体技术水平具有重大的理论和现实意义。在当前的振兴过程中，我们应该清醒的认识到我国装备制造业和发达国家的差距，不能只看到眼前的一时繁荣。特别是机床行业，在设计水平上与发达国家有着比较大的差距，缺少创新和突破，掌握核心技术较少，特别在高端的产品领域，竞争力还不够强大。同时由于工业、农业、国防与科学技术的发展，对机械设备提出了越来越高的要求，同时现代产品的更新速度比较快，为了提高产品的市场竞争力，就要缩短产品生产设计周期，提高产品设计的水平。为了实现这个要求，要求产品设计人员在产品物理样机设 计完成后，在产品的物理样机制造出来之前，能够对产品的各项性能进行评价，了解和掌握产品的静动态性能，从而可以在产品投产之前对设计进行修改和结构优化，提高设计的成功率和产品质量。 动态设计就是机械结构和机器系统的动态性能在图纸设计阶段就得到预测和优化，整个设计过程实质上是运用动态分析技术，借助计算机辅助设计和计算机辅助分析的方法来实现的。长期以来，国内的机床设计多为经验模拟设计，结构设计计算沿用传统的计算方法，如材料力学、结构力学以及弹性力学的一些公式进行计算。这些公式的推导多以强度方面的理论为主，辅以实验和测试方法得出，具有一定的可靠性。但由于机床结构的复杂，计算过程中的数学模型对结构进行了许多简化，导致了计算的精度差异较大。同时凭借简单的计算工具，计算繁冗，时间很长，有些项目无法计算。因此，利用传统的模拟设计方法进行机床设计虽然可以对机床或某些组成的零部件进行综合或者部分的技术性能实验，但是受实验手段和方法的限制，还不能够进行深入的研究，从而根本上也谈不上优化设计以及动态设计，多为“设计——制造——修改设计——制造”周期循环，有些甚至经过几代才可能形成比较好的产品，费时费力，效率低下。