● 摘要
现代数控机床的发展日益向着高速切削、高刚性和高性能方向发展，对数控机床的设计分析方法提出了更高的要求。高速主轴单元是数控机床的核心部件，机床结构中结合面的柔度和阻尼占机床结构总柔度和总阻尼的比重约为60%和90%，以上两个方面是影响数控机床动态特性的关键因素。针对以上两个关键因素，本文开展的研究工作如下：1．建立了某型五面体加工中心主轴单元的动力学有限元分析模型，分析了轴承简化和建模形式，计算了角接触球轴承的刚度；利用ANSYS对主轴单元进行结构力学分析、模态分析和谐响应分析，得到了主轴单元的静态变形，固有频率和振型，以及在各向激振力作用下主轴单元的最大动柔度；分析了不同轴承预紧工况对主轴单元固有频率的影响；对约束状态下的主轴单元进行了锤击激振实验，并与分析结果进行了对比；2．提出了主轴单元有限元建模基本参数的概念，建立了合理有效的主轴单元通用有限元分析简化模型，并在此基础上对主轴单元进行了动态优化设计，提高了主轴单元的动态性能。3．基于可视化编程工具Visual Basic和大型通用有限元分析软件ANSYS提供的二次开发工具APDL，建立了数控机床主轴单元动态特性分析系统，避免了大量的重复性分析工作，提高了分析效率。4．搭建了直线滚动导轨静动态特性测试实验台，对某型直线滚动导轨进行了静刚度实验和锤击动态响应实验研究，得到了导轨的法向静刚度和角刚度，辨识出导轨结合面的动态特性参数，为导轨使用和机床整机分析提供了参考。5．建立了直线滚动导轨的接触非线性有限元分析和动力学分析模型，利用ANSYS对某型直线滚动导轨进行了静动态特性仿真分析，得到了导轨静刚度值、导轨主要振型，并与实验结果进行了对比。6．对螺栓结合面的动力学建模方法进行了研究，针对一个实例对螺栓结合面进行了有限元仿真分析，分析了影响螺栓结合面等效动力学参数的因素。本论文采用有限元仿真分析与实验验证相结合的方法，运用ANSYS软件，对数控机床主轴单元及结合面的建模与静动态特性仿真分析进行了深入的研究，并进行了相关的实验。实验结果表明理论分析与实验结果吻合较好，本文的方法是有效可行的。