三轴卧式加工中心主轴静刚度仿真与试验研究
基于ANSYS+Workbench的高速电主轴模态分析及其动特性实验
最高转速不能超过其一阶临界转速的７５％６。本文研究电
主轴最高转速为ｌ
２ ０００
将模型自动划分网格后得到主轴有限元模型，如图４
所示二
ｒ／ｍｉｎ，远小于一阶临界转速，故该
电主轴有效地避免了共振的发生，工作转速安全。
３模态实验
模态试验是为了确定振动系统的模态参数所进行的 振动试验，包括系统固有频率、阻尼比、振型等。模态试验 通过对给定激励的系统进行测量，得到响应信号，再应用 模态参数辨识方法得到系统的模态参数：本次实验是为了
本文所研究的电主轴为２６０ｘＤＪｌ２型车铣复合加Ｔ 中心用电主轴，如图１所示。该电主轴是新一代机、电、液 一体化的加工中心用高速精密主轴，主要由壳体、主轴、
轴承、定子和转子等零件组成，主轴材料为３８ＣｒＭｏＡＩ．标 图２简化主轴转子模型 根据轴承型号口Ｊ．以查出轴承的轴向颁紧力，单个角
接触球轴承预紧后的径向刚度计算公式一为：
平压平模切机肘杆机构特性分析
张天轩，李梦群 （中北大学机械工程及自动化学院，太原０３００５１）
摘要：用机械系统自动分析软件ＡＤＡＭＳ建立模切机肘杆机构的虚拟样机并进行仿真分析，得出动平台的竖直方向 行程、速度、加速度以及水平方向的位移和摆动转角的特性曲线。为模切机的开发研究和设计制造提供有益的参考。 关键词：模切机；肘杆机构；ＡＤＡＭＳ 中图分类号：ＴＨ ６９ 文献标志码：Ａ
adams0引言adams软件使用交互式图形环境和零件库约束库?库创建完全参数化的机械系统几何模型其求解器采用多刚体系统动?学?论中的拉格朗日方程建立系统动?学方程对虚拟机械系统进?静?学运动我国模切机产品的技术和产业化已经达到较高的水平其主要标志体现在
制造业信息化
盔墨墨墨面墨田墨墨墨互置ＳＺ墨仿■，毽疆，ｃＡＤ，ｃＡＭ，ｃＡＥ，ｃＡＰＰ■■■■●■—●■■●■●■■■■■■■■■—————●■■■■■■—一
加工中心论文
课题名称：数控加工中心技术及应用指导老师：________________院系：_________________专业：_______________班级：_________________姓名：___________________二零一四年三月十日机电工程系摘要：我的这篇论文是基于工作岗位的实践，进行的数控车床方面的研究。
数控车床已应用于工厂企业机械加工的各个领域，它的产品多以轴、盘、套筒类零件为主，适用于加工小批量、高效率、程序多变的零件的加工生，并对一轴类零件的图样进行了分析、编程等阐述。
图样由Auto CAD设计软件制作，其中有相应的尺寸标注。
此零件结构虽简单，但它却反映了数控车床产品特征和车削的部分加工范围。
关键词：机械加工，数控车床，车削，轴类零件，加工中心，编程前言随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。
在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。
目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。
在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理。
长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。
加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。
CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。
五轴联动加工中心主轴系统的结构优化
于 ８ ０ ｒｍｉ 削 加工 时振 动剧 烈 ， 重 影响 了机 床 ０ ０／ ｎ切 严 的性 能 ， 要 对 原 结 构 进 行 改 进 ， 高 其 静 力 学 、 需 提 动 力学 性 能 ， 其满 足设 计 的要求 ‘ 使 ¨ 。
２ 主轴 系统 的动 力学 分析
原 主轴 系 统 Ｃ Ｄ模 型 如 图 １示 ， Ａ 主要 由箱 体 、
网格 ， 主轴 系统 的有 限元模 型 如 图 ３所 示 。
态 占机床 总位 移 的 ３ ％ ～ ０ ， ０ ４ ％ 共振 状 态 时 则 高 达
６ ％ 一８ ％ … 。 随 着 现 代 机 床 的 主 轴 转 速 越 来 越 ０ ０
高， 切削 深度 越来 越大 ， 主轴 系 统 的性 能 提 出 更 高 对 的要 求 。本文 研究 的对 象是 我 国 自主开 发 的 桥 式 五 轴联 动加 工 中心 的主轴 系 统 。原 机 床在 主轴 转 速 高
的所有 自由度 约束 。 图 ４ ５６是 主轴 系统 的前 三 阶 、、 振型 ， 其对 应 的频率 如 表 １ 示 。 所
图 １ 主轴 系统 Ｃ Ｄ模 型 Ａ
在建立 有 限元 数 学 模 型 时 ， 原 有 模 型 进 行 一 对
些必要的简化 ， 如省略小 的倒 角、 沟槽等 ， 同时考虑
（ ） ５ １ ｌ ２ ０ ２５ ３０ ０ Ｏ０ ５０ ０ ０ ０
１ 引 言
采用 等 刚度 的弹 簧单 元来 仿 真 轴 承 与主 轴 之 间 的连
接 。整个 系统 采用 ８节点 ３ 自由度 的 １５单元 划 分 ８
主轴 系统 是机 床最 重 要 的部 件 之 一 。在 生 产加
工过 程 中 ， 由主 轴 系 统 振 动 产 生 的位 移 在 非 共 振 状
五轴加工干涉处理技术研究
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2012 年 2月 第 33 卷 第 1 期
图 学 学 报
JOURNAL OF GRAPHICS
February 2012 Vol.33 No.1
复杂曲面五轴加工局部干涉处理技术研究
杜 娟1， 闫献国1ຫໍສະໝຸດ 田锡天2（1. 太原科技大学机电工程学院，山西 太原 030024； 2. 西北工业大学机电工程学院，陕西 西安 710072）
Local interference detection and avoidance in five-axis machining of complex surfaces
Du Juan1, Yan Xianguo1, Tian Xitian2
( 1. School of Electromechanic, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan Shanxi 030024, China; 2. School of Electromechanic, Northwestern Polytechnical University, Xi’an Shaanxi 710072, China )
Abstract: This paper presents a methodologymethod of an automatic detection and elimination of local gouging for five-axis complex surface machining with a fillet-end milling cutter based on the technique of curvature matching and grid points. Firstly, a diameter of milling cutter is chosen by complete curvature matching to ensure un-gouging at any cutter contact point along any direction, and the first inclination angle of cutter can be determined by comparing the minimum principal curvature of cutter with the maximum principal curvature at each cutter contact point. In order to detect if a rear gouging occurs at the adjacent domain of contact point, the grid points is employed to form detection area and candidate detection points. A method to choose valid detection points from candidates and the technology of detection and avoidance of local interference are presented in detail in this paper. Finally, the validity of proposed method and algorithms are testified by an example of non-uniform rational B-spline surface. Key words: five-axis machining; complex surface; local interference; curvature matching; grid points
轴承预紧力的确定
3.1主轴轴承接触载荷分析9
3.1.1静态预紧状态轴承接触角变化以及轴向位移9
3.1.2轴承变形几何相容方程和载荷平衡方程10
3.1.3轴承载荷与位移14
3.2摩擦力矩的计算15
3.2.1轴承摩擦力矩产生机理15
3.2.2轴承摩擦力矩的计算17
3.2.3轴承生热量计算19
3.2.4主轴轴承热传递模型20
本文基于精密电主轴-轴承系统结构动、热态特性分析，通过对影响轴承结合部位刚度、轴系刚度特性因素的研究，根据对轴承径向载荷、摩擦力矩、生热及温度场的变化，得到关于转速、预紧力温升对轴承结合部动刚度和轴系刚度的影响规律。
本文以BT30型电主轴为模型，运用inventor建立其三维分析模型，选定了轴承型号为7212c，分别通过数学计算和仿真对轴承的刚度和生热进行了研究，分析了轴承的摩擦力矩、运动、载荷和刚度，研究了热特性和预紧力对轴承刚度的影响，进行了仿真实验，最终得到轴承的最佳预紧力。
In this paper，based on the precision spindle bearing system structural dynamic，static，thermal analysis，through the influence of bearing stiffness，the binding site of shafting stiffness characteristic factors，through the bearing radial load，friction，heat and temperature field change，be about speed，preload to bearing temperature rise of dynamic stiffness and shafting stiffness effect of law.
数控机床的动态特性概述
数控机床的动态特性概述李凯旋研究机床动态特性的重要性和必要性现代机床正向高速，大功率，高精度的方向发展，除了要求机床重量轻，成本低，使用方便和具有良好的工艺性能外，对机床的加工性能要求也愈来愈高。
机床的加工性能与其动态特性紧密相关。
由于受到理论分析和测试实验手段落后的限制，传统的机床设计的主要依据是静刚度和静强度，对机床的动态特性考虑较少。
结果常常是以较大的安全系数加强机床结构。
导致机床结构尺寸和重量加大。
并不能从根本上改观机床的动态特性。
机床的动态特性的基本概念机床的动态性能是指机床运转之后振动、噪声、热变形与磨损等性能的总称。
但长期以来主要指的是机床的振动性能，即主要指机床抵抗振动的能力。
【1】⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧===振型）振型（一阶振型，二阶变形大小）动态柔度变形的能力。
动刚度：动载荷下抵抗变形的能力。
静刚度：静载荷下抵抗为临界阻尼系数为阻尼系数，阻尼比）（固有角频率固有频率(/1r r ,r/r 2/f f co co n n n n d k ωξπωω机床结构的动态特性参数主要参数包括固有频率，阻尼比，振型，动刚度等。
机床的动态分析主要是研究抵抗振动的能力，包括抗振性和切削稳定性，【2】⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧切削自激振的能力）切削稳定性（机床抵抗主要零件的固有频率阻尼特性机床的结构刚度振动的能力）抗振性（机床抵抗受迫激振力：由回转的不平衡质量作为振动系统的振动源产生的周期性简谐振动。
【1】诸乃雄，机床动态设计原理与应用[M]上海：同济大学出版社，1987:1-3【2】陈雪瑞，金属切削机床设计[ M ] 太原: 山西科学教育出版社, 1988.147-151主要指标外力的激励频率与物体的固有频率相等时，物体的振动形态成为主振型或一阶振型。
外力的激励频率是物体固有频率二倍时，物体的振动形态为二阶振型，以此类推.......机床的动态特性基本概念抗振性的衡量标准一般用产生单位振动量所需要的激振力表示。
数控机床及加工中心的精度评定
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9. 2 数控机床及加工中心精度的主要 检测项目
• 数控机床及加工中心的精度主要从几何精度、定位精度以及工作精度 等方面进行评价。
• 9. 2. 1 几何精度
第9 章 数控机床及加工中心的精度评 定
• 9. 1 数控机床及加工中心精度的基本概念 • 9. 2 数控机床及加工中心精度的主要检测项
目 • 9. 3 数控机床及加工中心的定位精度 • 9. 4 数控机床及加工中心的工作精度
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9. 1 数控机床及加工中心精度的基本 概念
• 数控机床及加工中心不仅应能实现自动控制刀具和工件的相对切削运 动, 进行高效率的自动加工, 同时还应满足工件规定的加工精度。
• 机床的几何精度是指机床的主要运动部件及其运动轨迹的形状精度和 相对位置精度。它对工件的加工精度有直接影响, 因而是衡量机床质 量的基本指标。几何精度通常在运动部件不动或低速运动的条件下检 查, 其中主要包括: .
• (1) 导轨的直线度: 导轨是机床主要运动部件(如刀架、工作台等) 的运 动基准。
• 工件的加工精度是指加工后的几何参数(尺寸、形状和表面相互位置) 与理想几何参数符合的程度。精度的高低用误差的大小来表达。误差 是指实际值与理想值之间的差值, 误差越小, 则精度越高。工件的加工 精度用尺寸精度、形状精度和位置精度三项指标来衡量。
• 在机械加工中, 工件和刀具直接或通过夹具安装在机床上, 工件的加工 精度主要取决于工件和刀具在切削成形运动过程中相互位置的正确程 度。通常把由机床、夹具、刀具和工件构成的系统称为工艺系统。
CAE仿真技术在机床产品设计中的应用
CAE仿真技术在机床产品设计中的应用简介✓机床整机的刚强度分析✓机床的主轴、导轨、滚珠丝杠、立柱等结构的刚、强度分析✓主轴系统的热应力分析在机床的结构设计中需要考虑整机及各零部件的应力和变形，以提高机床的强度和精度。
ANSYS软件可以帮助解决在纯粹结构受力及热变形等不同的工况条件下，零部件的强度、刚度及稳定性校核问题。
✓整机的自然频率计算✓主要部件（丝杠、主轴、立柱拉板等）的振动分析✓整机的运动分析ANSYS软件可以通过对整机的实际运动情况，通过输出位移、速度、加速度等运动曲线，了解机构的运动特性；且可以通过计算结构的振动特性，了解整机在运行过程中是否发生共振，以及匹配合适转速的电机。
机床的结构复杂，在研发过程中常涉及到强度、刚度、散热、振动、疲劳、结构优化等多方面的工程问题。
随着现代CAE仿真技术的日趋成熟，企业完全可以将这种先进的研发手段与试验和经验相结合，优势互补，从而提升研发设计能力，有效指导新产品的研发设计，节省产品开发成本，缩短开发周期，从而大幅度提高企业及产品的市场竞争力。
下文是CAE仿真技术在解决机床产品研发过程中部分常见工程问题的简要介绍：✓承受往复运动的主轴、齿轮、轴承的疲劳分析产品的抗疲劳性能和可靠性会直接影响其在市场竞争中的成败。
ANSYS高级疲劳分析和设计软件可以分析机床零部件由于反复运动引起的高、低周疲劳问题。
✓机床主轴结构的优化设计✓车床筋格的布局设计✓床身结构的优化设计✓主轴箱的优化设计传统的机床结构大多是基于经验进行设计的，设计较保守，无法使材料得到合理运用，整体较为笨重。
借助ANSYS的结构力分析和优化设计功能功能，通过合理的优化机床各部件的特征尺寸，可以在保证结构的刚强度及振动性能的情况下仍具有高精度和高可靠性。
几何建模：Ansys DesignModeler、Ansys SCDM结构仿真分析：Ansys Mechanical多体动力学分析：Ansys Rigid Dynamics、Recurdyn疲劳寿命分析：Ansys nCode Designlife、Fe-safe、Ansys Fatigue设计优化分析：Ansys DesignXplorer相关CAE软件模块：机床的优化问题机床的疲劳耐久性问题。
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机床 与液压
ＭＡＣＨＩ ＮＥ ＴＯ０Ｌ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩ ＣＳ
Ａｕ ．２ ２ ｇ ０１ Ｖｏ ． ０ Ｎｏ ５ １ ４ ．１
第４ ０卷 第 １ ５期
ＤＯ ： ０ ３ ６ ／．ｓｎ １ ０ Ｉ １ ．９ ９ ｊ ｉ ． ０ １—３ ８ ． ０ ２ １ ． ０ ｓ ８ １２ １ ．５ ０４
ｎ ｃ ｓ ａｙ ｔ ｎ ａ ｃ ｔｔｃ ｓｉ ｎ ｓ ｆｓ ｉ ｄ ｅｓ ｔｍ ．Ｔｈｅ ｅａ ｅ ｓ ｍｅ ｍｅｈ ｄｓｔ ｎｃｅ ｓ ｔｆｎ ｓ ｆｃ ｔｎｇｓ ｓｅ ｓ ｃ ｓｏ ｔｍｉｉ ｇ ｅ ｅ ｓ ｒ ｏ ｅ ｈ ｎ ｅ ｓａｉ ｔｆ ｅ ｓｏ ｐ ｎ ｌ ｙｓｅ ｆ ｒ ｒ ｏ ｔｏ ｏ ｉ ｒ ａ ｅ ｓｉ ｅ ｓｏ ｕｔｉ ｙ ｔｍ ｕ ｈ ａ ｐ ｉ ｚｎ ｆ ｔ ｔｕ ｔｒ ｆｓ ｎｄｅ ｓ ｓｅ ， ａ ａｉ ｈｅ ｅｏ ｇ ｔｏ ｆｓ ｉ ｄ ｅ ａ ｄ ｉ ｒ ａ ｉ ｇ ｔ ｔｆｎ ｓ ｅ ｓ ｆｔａ ｍｉｓｏ ｉ． ｈｅ ｓｒ ｃｕ ｅ ｏ ｐｉ ｌ ｙ ｔｍ ｂｔ ｎｇ ｔ ｌｎ ａｉ ｎ ｏ ｐ ｎ ｌ ｎ ｎｃｅ ｓｎ ｈｅ ｓｉ ｅ ｓｐ ｒ ｍａ ｓ ｏ ｒ ｎｓ ｓ ｉｎ ｕｎ ｔ ｆ
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关 键 词 ：静 刚度 ； 主轴 系统 ；卧 式 加 工 中 心 中 图 分 类 号 ： Ｇ ３ ；Ｔ １４ Ｔ ５ ６ Ｈ １ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ： １０ — ８ １ （０ ２ １ ０ ４— ０ １ ３ ８ ２ １ ） ５— １ ４
Ｓ ｍｕｌ ｔｖ ｎｄ Ｅｘ ｒｍ ｅ ａ ｕｄ ｎ Ｓｐ ｎｄ ｅ Ｓｔ ｔｃ Ｓ ｉ ｎｅ ｓｏ ｉ ｉ ａ ｉ ｅ ａ ｐｅ ｉ ｎｔ ｌＳｔ ｙ ｏ ｉ ｌ ａ ｉ ｔｆ ｓ ｆ３ Ａｘ ｓ
三轴 卧 式加 工 中心 主轴 静刚 度 仿真 与试 验 研究
仇 健 ，刘志强 ，刘启伟 ，马晓波 ，林剑锋
（ 阳机床 （ 团）有 限 责任公 司设计研 究 院 ，辽 宁沈 阳 １０４ ） 沈 集 １１２
摘要 ：对 卧式￣ Ｙ 中心 主轴 系统静刚度进行 了仿真和试验研究 。研究发现 ：经有 限元方法 汁算 获得 的结果 与试验有较 Ｊ － ｕ 好的对应性 ；主轴静刚度在卸载时要大于加载时 ，卸载时主轴系统弹性恢复迟 滞 ，并且加载 曲线与卸载 曲线 不封 闭，卸 载 时主轴变形恢 复不 到起点 ，进而影响加工精度 。因此 ，提高系统刚度十分必要 ，可通过合理设计 机床主轴结 构 、减小 主轴 悬伸量 、提高传动部件单位 质量 刚度 等方法提高切 削系统刚度 。
ｉ ｆｕ ｄ ｓａｉ ｔ ｆ ｅ ｓｃ ｌｕ ａｅ ｙ Ｆ Ｍ ｓ ｉ ｅ ｔ ａ ｉ ｘ ｅ ｍｅ ｔｌｄ ｔ ． Ｓ ｉ ｄ ｅ ｓ ｔ ｔ ｆ ｅ ｓ ｕ ｌａ ｉ ｇ ｉ ｍｏｅ ｔ ａ ｈ ｔ ｏ ｓ ｏ ｎ ｔｔ ｓｉ ｎ ｓ ａｃ ｌ ｔｄ ｂ Ｅ ｉ ｄ ｎｉ ｌｗ ｔ ｅ ｐ ｒ ｎ ａ ａ ａ ｐ ｎ ｌ ｔ ｉ ｓｉ ｎ ｓ ｎ ｏ ｄ ｎ ｓ ｃ ｆ ｃ ｈ ｉ ａｃ ｆ ｒ ｈ ｎ ｔ ａ ｆ ｌａ ｉｇ ｈ ｌｓｉ ｅ ｏｍａｉｎ ｏ ｉ ｄｅ ｓ ｓｅ ｒ ｓ ｍｅ ｔｇ ａ ｔ ｈ ｎ ｕ ｌａ ｉ ｇ ｏｔ ｅ ｌａ ｉ ｇ ｃ ｒ ｅａ ｄ ｕ ｌ ａ ｉ ｇｃ ｒ ｅ ａ ｅｎ ｔ ｏ ｄ ｎ ．Ｔ ｅｅａ ｔ ｄ ｆｒ ｔ ｆ ｐ ｎ ｌ ｙ ｔ ｍ ｅ ｕ ｓｓ ｎ ｎ ｌ ｗ ｅ ｎ ｏ ｄ ｎ ．Ｓ ｈ ｄ ｎ ｕ ｖ ｎ ｎ ｏ ｄ ｎ ｕ ｖ ｒ ｏ ｃ ｏ ｓ ａ ｙ ｏ ｃｏ ｅ ．Ｔ ｅ ｅａ ｔ ｅｏ ｍａｉｎ ｏ ｐｎ ｌ ｙ ｔｍ ａ ’ ｒ ｃ ｖ ｒｔ ｒ ｉ ｈ ｃ ａ ａ ｆ ｃ ｎ ｍａ ｈｎ ｎ ｃ ｕ ａ ｙ ｌ ｓ ｄ ｈ ｌｓｉ ｄ ｆｒ ｔ ｆ ｉ ｄｅ ｓ ｓｅ ｃ ｎｔ ｅ ｏ ｅ ｏ ｏ ｇ ｎ ｗ ｉｈ ｈ ｓ ｂ ｄ ｅｆ ｔｏ ｃ ｉ ｉｇ ａ ｃ ｒ ｃ ．Ｔ ｅ ｅ ｏｅ ｔｉ ｃ ｏ ｓ ｉ ｅ ｈ ｒ ｆｒ ，ｉ ｓ
Ｋｅ ｗｏ ｄ ：Ｓ ａｉｉ ｉ ｇ ｃ ｎｅ ｙ ｒ ｓ ｔ ｔ ｓ ｆ ｓ ；Ｓ ｉ ｄｅ ｓ ｓ ｃ ｉｎ ｅ ｉ ｒ ｏ ｔｌｍａ ｈ ｎｎ ｅ ｔｒ
机床静刚度是 指 “ 削力 ” 与 由该力 所 引起 的 切 刀具和工件之间相对 位移 的比值 。由于机床是 由许多