高速精密机床主轴静刚度的理论及实验研究（本科毕业论文设计）.doc
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高速精密机床主轴静刚度的理论及实验研究（本科毕业论文设计）,摘要 高速化、高精度已成为当今机床发展的方向，而主轴部件是结构最复杂的部件，其静态特性的好坏对机床的性能有着重要的影响。因此，对主轴部件进行静态特性分析十分必要。本文是针对重庆第二机床厂生产的ck6310型数控机床主轴部件进行静态分析，分别用实验和理论的方法测...
内容介绍
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高速精密机床主轴静刚度的理论及实验研究（本科毕业论文设计）
摘 要
高速化、高精度已成为当今机床发展的方向，而主轴部件是结构最复杂的部件，其静态特性的好坏对机床的性能有着重要的影响。因此，对主轴部件进行静态特性分析十分必要。
本文是针对重庆第二机床厂生产的CK6310型数控机床主轴部件进行静态分析，分别用实验和理论的方法测试其静刚度，并进行对比，在此基础上改进模型，使理论结果与实验结果相符。最后，对现有的结构提出优化方案。
本文的具体研究内容如下：
总结了机床主轴部件静态研究的发展状况，在此基础上，结合当前的技术发展趋势，采用有限元分析方法进行研究。
采用力传感器和应变仪对主轴进行静刚度测试，得到主轴的静刚度值。
采用CATIA建立主轴和主轴箱的有限元模型，并将它们导入Hypermesh中，进行网格划分，采用多点约束法模拟轴承支撑和螺栓，建立主轴部件整体有限元模型；用Nastran对主轴部件进行静力分析，对比静刚度测试结果，并进行模型的改进。
结合上述实验与理论数据，提出结构的优化方案。
关键词：主轴部件，静刚度分析，有限元法，多点约束法
ABSTRACT
High-speed and high-accuracy are the trends in development of machine tool. The spindle-part is the complication part of the tool machine. Its static characteristic is an important influence for the function of the tool machine. So it is necessary to analyses the static characteristic of spindle-part.
This paper analyses CK6310 NC machine tool spindle parts produced in Chongqing NO.2 Machine Tool Works static characteristic. With experimental and theoretical approach test respectively to measure their stiffness and improved model on the basis of compared them, so that experimental results match with theoretical. Finally, optimize the existing structure.
In the paper, the current situation of the rotation speed of tool machine and the development trends of the static research of the spindle-part are summarized. Basis on this, the finite element model are taken to use by tied the current developing trend.
The spindle static stiffness is tested by using the force sensor and strain gauge.
Build the finite element models of the spindle and the headstock by using CATIA. After that, put them into Hypermesh and mesh them. Finally, analyses their properties by force under the conditions of certain force and binding.
The flexibility support of bear of the NC spindle-part is simulated by using the Multi-Point Constraint method to build the finite element model. Based on this model, conduct the static analysis of spindle-part. Then compare to the result of experiment and improve the model.
Combining the experimental and theoretical data, put forward a programme to optimize the structure.
Keywords：Spindle-part, Finite Element Method, Multi-Point Constraint method, Static Rigidity Analysis
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
1 绪 论 1
1.1 课题背景和来源 1
1.2 国内外研究状况 1
1.2.1数控机床主轴研究现状 1
1.2.2 数控机床主轴刚度研究现状 2
1.3 本论文的主要研究内容 3
2 理论基础 4
2.1 有限元方法 4
2.1.1 有限元法的基本概念 4
2.1.2 有限元法的基本原理 5
2.1.3 有限元方程的解法 8
2.2 最小二乘法 8
2.2.1 曲线拟合与最小二乘法基本原理 8
2.2.2 用导数方法理解最小二乘法基本原理 9
2.3 本章小结 10
3 静刚度实验分析研究 11
3.1 引言 11
3.2 试验内容 11
3.3 测试原理 11
3.4 力传感器标定 11
3.5主轴静刚度测试 12
3.6静刚度计算 14
3.7 本章小结 15
4 建立主轴和主轴箱的有限元模型 16
4.1用CATIA对主轴和主轴箱建模 16
4.1.1 建立主轴的三维模型 16
4.1.2 建立主轴箱体的三维模型 16
4.2 用Hypermesh 对主轴和主轴箱划分网格 17
4.2.1 主轴和主轴箱的线框模型 18
4.2.2 网格划分 19
4.3本章小结 20
5 主轴部件有限元模型的静力分析 21
5.1 主轴部件有限元模型 21
5.2 螺栓的简化模拟 23
5.3 MSC.NASTRAN的静力分析 23
5.4 本章小结 25
6 主轴箱结构的优化 26
6.1 结构的优化 26
7 全文总结 28
致 谢 29
参 考 文 献 30
摘 要
高速化、高精度已成为当今机床发展的方向，而主轴部件是结构最复杂的部件，其静态特性的好坏对机床的性能有着重要的影响。因此，对主轴部件进行静态特性分析十分必要。
本文是针对重庆第二机床厂生产的CK6310型数控机床主轴部件进行静态分析，分别用实验和理论的方法测试其静刚度，并进行对比，在此基础上改进模型，使理论结果与实验结果相符。最后，对现有的结构提出优化方案。
本文的具体研究内容如下：
总结了机床主轴部件静态研究的发展状况，在此基础上，结合当前的技术发展趋势，采用有限元分析方法进行研究。
采用力传感器和应变仪对主轴进行静刚度测试，得到主轴的静刚度值。
采用CATIA建立主轴和主轴箱的有限元模型，并将它们导入Hypermesh中，进行网格划分，采用多点约束法模拟轴承支撑和螺栓，建立主轴部件整体有限元模型；用Nastran对主轴部件进行静力分析，对比静刚度测试结果，并进行模型的改进。
结合上述实验与理论数据，提出结构的优化方案。
关键词：主轴部件，静刚度分析，有限元法，多点约束法
ABSTRACT
High-speed and high-accuracy are the trends in development of machine tool. The spindle-part is the complication part of the tool machine. Its static characteristic is an important influence for the function of the tool machine. So it is necessary to analyses the static characteristic of spindle-part.
This paper analyses CK6310 NC machine tool spindle parts produced in Chongqing NO.2 Machine Tool Works static characteristic. With experimental and theoretical approach test respectively to measure their stiffness and improved model on the basis of compared them, so that experimental results match with theoretical. Finally, optimize the existing structure.
In the paper, the current situation of the rotation speed of tool machine and the development trends of the static research of the spindle-part are summarized. Basis on this, the finite element model are taken to use by tied the current developing trend.
The spindle static stiffness is tested by using the force sensor and strain gauge.
Build the finite element models of the spindle and the headstock by using CATIA. After that, put them into Hypermesh and mesh them. Finally, analyses their properties by force under the conditions of certain force and binding.
The flexibility support of bear of the NC spindle-part is simulated by using the Multi-Point Constraint method to build the finite element model. Based on this model, conduct the static analysis of spindle-part. Then compare to the result of experiment and improve the model.
Combining the experimental and theoretical data, put forward a programme to optimize the structure.
Keywords：Spindle-part, Finite Element Method, Multi-Point Constraint method, Static Rigidity Analysis
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
1 绪 论 1
1.1 课题背景和来源 1
1.2 国内外研究状况 1
1.2.1数控机床主轴研究现状 1
1.2.2 数控机床主轴刚度研究现状 2
1.3 本论文的主要研究内容 3
2 理论基础 4
2.1 有限元方法 4
2.1.1 有限元法的基本概念 4
2.1.2 有限元法的基本原理 5
2.1.3 有限元方程的解法 8
2.2 最小二乘法 8
2.2.1 曲线拟合与最小二乘法基本原理 8
2.2.2 用导数方法理解最小二乘法基本原理 9
2.3 本章小结 10
3 静刚度实验分析研究 11
3.1 引言 11
3.2 试验内容 11
3.3 测试原理 11
3.4 力传感器标定 11
3.5主轴静刚度测试 12
3.6静刚度计算 14
3.7 本章小结 15
4 建立主轴和主轴箱的有限元模型 16
4.1用CATIA对主轴和主轴箱建模 16
4.1.1 建立主轴的三维模型 16
4.1.2 建立主轴箱体的三维模型 16
4.2 用Hypermesh 对主轴和主轴箱划分网格 17
4.2.1 主轴和主轴箱的线框模型 18
4.2.2 网格划分 19
4.3本章小结 20
5 主轴部件有限元模型的静力分析 21
5.1 主轴部件有限元模型 21
5.2 螺栓的简化模拟 23
5.3 MSC.NASTRAN的静力分析 23
5.4 本章小结 25
6 主轴箱结构的优化 26
6.1 结构的优化 26
7 全文总结 28
致 谢 29
参 考 文 献 30
