高速高精车铣数控加工中心电主轴动静态特性分析及优化

摘要

随着科学技术的蓬勃发展，机械制造业持续的推陈出新，高速数控加工技术正迎来了改革发展最好的时代。推动高速数控加工技术在制造加工行业的普及性,必须依托于具有高效率、高精密度且综合性能优良的复合数控加工中心。电主轴作为数控加工中心的关键核心零部件之一，其性能的可靠性与稳定性直接影响着机械加工制造企业的加工效率和经济效益。因此，现在对电主轴系统的静、动态性能分析和对其结构的优化设计对高速数控加工技术具有承前启后的作用。 本篇论文将高速数控加工中心的电主轴系统作为研究对象，对电主轴系统中的主要机构（电主轴、轴承）进行了理论说明，在了解电主轴基本结构的基础上对电主轴进行了进一步的理论分析，并对其进行三维软件建模及有限元仿真，再通过仿真数据及有限元分析求解结果，对电主轴的优化设计有针对性的进行了改进，提升了电主轴的相关性能。本文主要完成内容如下： 首先，依据数控加工中心电主轴相关尺寸参数，对电主轴系统进行了的结构分析，对相关配套轴承的安装预紧方式和润滑冷却系统进行了介绍。运用计算机辅助设计软件和ANSYS Workbench软件搭建平台，分别建立电主轴单元的三维实体模型和有限元模型，为后续电主轴的相关分析的顺利开展奠定了基础。 其次，对电主轴单元进行静力计算，得到电主轴所受的主要载荷和相对应的位移，在此基础上，采用有限元分析软件对电主轴进行网格划分，同时施加载荷，接着进行了静力学分析，计算得到电主轴轴端的最大位移量及最大位移量相对应的位移云图。之后，又对电主轴系统进行了无约束自由状态和两种不同约束条件下的模态分析，分别得到了三种不同状态下电主轴的固有频率和相对应的振型云图。并且在电主轴模态分析的基础上，对电主轴前端进行了谐响应分析，进一步了解了电主轴的动态性能，为之后的优化设计铺平道路。 最后，通过软件对电主轴性能进行优化分析，得到数据结果。先建立电主轴系统的参数模型，对其配套轴承在电主轴上的安装位置进行调整优化，再通过优化软件对数据参数进行迭代运算，对其跨距参数进行进一步校核，最终目的是通过优化找出最佳轴承跨距距离，改进电主轴性能参数，使其性能可以满足更高的生产要求。

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附表索引

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 国内外高速电主轴的研究现状

1.3 课题主要研究的内容

1.4 本章小结

第2章 数控加工中心电主轴的基本结构设计

2.1 数控加工中心的基本参数与电主轴结构介绍

2.2 配套支撑轴承的安装与预紧

2.3 电主轴的润滑与冷却系统

2.4 电主轴各部件的基本要求

2.5 电机的设计

2.6 本章小结

第3章 电主轴单元有限元建模及静力分析

3.1 有限元分析软件介绍

3.2 有限元方法的基本原理

3.3 电主轴单元有限元模型建立

3.4 电主轴单元的静态特性分析

3.5 本章小结

第4章 电主轴系统的动态特性有限元分析

4.1 机械动力学分析概述

4.2 电主轴系统的模态分析

4.3 电主轴的谐响应分析

4.4 本章小结

第5章 电主轴结构的优化设计

5.1 参数优化简述

5.2 轴承优化设计理论分析

5.3 电主轴系统跨距优化设计

5.4 本章小结

结论和展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果