机床主轴设计及ansys分析毕业论文设计

第一章 绪论

1.1 选题背景

随着市场上产品更新换代的加快和对零件精度提出更高的要求，传统机床已不能满足要求。数控机床由于众多的优点已成为现代机床发展的主流方向。它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，在国内外都受到高度重视。

现代数控机床是信息集成和系统自动化的基础设备，它集高效率、高精度、高柔性于一身，具有加工精度高、生产效率高、自动化程度高、对加工对象的适应强等优点。实现加工机床及生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向。可以说，机械制造竞争的实质就是数控技术的竞争。

1.2 本课题的目的和意义

设计中通过运用所学的基础课、技术基础课和专业课的理论知识，生产实习和实验等实践知识，达到巩固、加深和扩大所学知识的目的。通过设计分析比较机床的某些典型机构，进行选择和改进，学习构造设计，进行设计计算和编写技术文件，达到学习设计步骤和方法的目的。通过设计查阅有关设计手册、设计标准和资料，达到积累设计知识和提高设计能力的目的。通过设计获得设计工作的基本技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造一定的条件。本设计采用solidworks三维建模软件对数控车床主轴关键零部件进行三维建模，使设计立体化，直观化。另外本设计采用有限元分析软件ANSYS对主轴的应力，位移等进行分析，不但大大地减少了设计计算验算的时间，而且使分析数据更加完善更加准确。对比传统的机械设计，本设计综合选用新一代设计软件，利用计算机的强大的运算功能，缩短产品设计的开发周期，提高设计数字的准确性。

1.3 国内外研究状况

1.3.1 数控机床的发展

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[1]。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。1959年，美国克耐杜列克公(Keaney & Trecker)首次成功开发了加工中心(machining 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90年代以来，欧、美、日各国争相开发高速数控机床，加快机床高高速且高加/减速度的进给运动部件(快移速度60m／min-120m／min，切削进给速度高达60m／min)高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平[1]。随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具、大功率高速电主轴、高加／减速度的进给运动部件以及高性能控制系统和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，新一代高速数控机床将应用于机械制造业。从精密加工发展到超精密加工，是世界各工业强国致力发展的方向。超精密加工主要包括超精密切削、超精密磨、研磨、抛光以及超精密特种加工。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求，发展超精密加工机床，是现代科技发展的要求。数控车床主轴是数控车床的关键零件之一，它直接影响数控车床的加工性能，主轴的动态特性的好坏直接影响主轴高速化的实现。因此，研究数控车床主轴的动静态特性对实现高速、高精度车削具有积极的意义。

1.3.2 工程图及CAD的发展

工程图是工程师的语言，绘图是工程设计的一个重要环节，对于机械工程师而言，绘图是把所设计的产品转化为真实有价值的产品的一个必经环节。然而，图纸的绘制是一个极其繁琐的工作，不但要求正确，准确，而且随着环境，需求等外部条件的变化，设计方案也会随之变化。一项工程图的绘制往往是需要数次的修改后才能完成的。

在早期，工程师采用手工绘图。他们用草图表达设计思想，手法不一。后来逐渐形成了一套规范，工程制图标准也随之诞生。但是由于项目的多样性，多变

性，使手工绘图周期长，效率低，从而阻碍了建设的发展。工程师们梦想着何时能甩开图板，实现自动画图，将自己的设计思想用一种简洁美观的标准方式表达出来，便于修改，易于重复利用，提高劳动效率。

随着计算机的迅猛发展，工程界的迫切需要，计算机辅助绘图（Computer Aided Drafting）应运而生。早期的计算机辅助设计系统是在大型机上开发的，需要几百万美元，往往只有规模很大的企业才能应用，小企业则难以望其项背，更别说个人了。进入80年代，微型计算机的迅猛发展，使计算机辅助工程设计逐渐成为现实。小企业乃至个人也能使用上计算机辅助绘图。

计算机绘图是通过编制计算机辅助绘图软件，将图形显示在屏幕上，用户可用光标对图形进行编辑及修改。由微机和输入输出设备以及计算机绘图软件组成了一套计算机辅助绘图系统。

由于微机和各种外部设备的进一步发展，计算机辅助绘图软件的开发也得到长足的发展。工程师所设计的方案很多是需要进行大量的计算，分析和比较，以决定最优方案的。这时，各种设计数字，文字，图形等都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索及调用。利用计算机绘图软件对所设计产品进行修改，放大，缩小，平移和旋转等有关的图形数据加工工作。CAD能够减轻设计人员的计算画图等重复性劳动，使其专著于设计本身，缩短设计周期和提高设计质量。至今，CAD软件已经在各行业工程师中普及。AUTOCAD，PRO/E，SOLIDWORKS，UG等软件已经开发出来了几代产品。CAD的不断发展，使工程师的绘图工作逐渐简化，把更大的精力投入产品的设计本身，这是设计行业发展的一个重要前提。

1.3.3 国内外机床动静态特性研究现状

主轴单元的动静态特性包括主轴的变形、共振频率、临界转速和动态响应等，其对主轴速度和精度性能有极大的影响，早在上世纪20年代就开始了有关研究。上世纪60年代以前，基本上采用经验类比法进行主轴的结构和动态性能设计。六十年代初，开始出现最佳跨距计算，使主轴的结构设计有了很大的改进，由于计算方法和手段的限制，对动力学模型通过简化后，只能图解法或解析法分析，方法繁琐，计算精度低。

近20年来计算机和计算机技术的发展，主轴的动态特性研究进入了新的阶段，各种计算方法相继问世，如古典结构分析法、传递矩阵法、有限差分法、有限元法和结构修正法等。

美国工程师们进行了机床动态设计与控制相结合的研究，Michigan大学T．jiang应用有限元法和动态分析的基础上，用数学模型来模拟机床的连接形式，建立了机床整机的动力学模型，并对机床结合面连接件的位置和数量进行了拓扑优化。

伊朗工程师们用有限元方法分析了在车削过程中车床和工件的稳定性，用ANSYS软件分析了车床整体的动态特性，并对TN40A车床进行了实验模态分析。 兰州理工大学吴晖对Q3808A无心车床的主轴系统及传动系统的动力学特性进行了研究[2]。建立了主轴系统基于Riccati传递矩阵法的质量分布梁动力学模型，获得了机床主轴系统横向振动时其固有频率的有关信息，以及主轴系统主要设计参数对系统动态特性的影响有关信息。建立了机床传动系统基于Riccati传递矩阵法的动力学模型以及与之相应的数学模型，获得了传动系统扭转振动时有关其固有频率方面的信息。

广东工业大学胡爱玲对高速主轴动静态特性的有限元分析进行了研究，该课题主要以高速大功率的镗铣加工中心电主轴为研究目标，以实现电主轴的高速、高加工精度入手，对电主轴的动静态特性进行了研究[3]。

东南大学倪晓宇，基于ANSYS软件针对机床组件进行有限元分析和优化设计的专用软件系统的研究与开发[4]。

综合以上文献资料可以发现，国内国外对机床动静态特性的研究十分活跃，前人在这方面做了大量的工作，数控车床的动静态分析提供了参考。机床动静态分析的原理方法是具有共性的，用动静态分析的原理方法来分析具体的机床是有其特殊性的，所以，在有限元方法在数控车床设计中的应用方面做一些探讨是有意义的。

1.4 课题的研究方法

1．结合数控机床设计手册对数控机床关键零部件进行设计； （1）数控车床的主轴设计； （2）轴承设计； （3）密封设计；

（4）各零件的定位设计； （5）箱体的设计； （6）传动系统的设计；