基于ANSYS的数控机床主轴的有限元分析-开题报告

毕业设计(论文)开题报告设计(论文) 题目： 基于 ANSYS 的数控机床主轴的有限元分析 学院： 机械工程学院 专业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机械卓越 141 班 学 生 姓 名 : 指 导 教 师 ： 系 主 任 : 年 3 月 30 日毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000 字左右的文献综述：文 献 综 述1.1 课题研究背景及意义装备制造业发展水平是一个国家综合国力的重要体现，国家重大装备制造更是事关国家经济安全、国防安全的战略性产业。西方国家甚至用装备制造业技术水平的高低来衡量一个国家在该领域的地位，中国是工程机械设备的制造大国。但是，中国工程机械行业在许多关键零部件的制造上一直受制于西方发达国家，其主要原因是缺少高精度的数控机床。随着现在经济的飞速发展和生产水平的不断提高，数控机床在我国国民经济现代化的建设中成为不可或缺的一部分。主轴部件作为数控机床最关键部件之一，同时主轴部件的设计是实现数控车床高速、高精和高效加工的最关键技术之一。因此,主轴部件的静态特性和动态特性与结构对数控机床的加工质量和切削能力起决定性作用。由此可见，分析数控机床主轴部件的静动态特性,对提升数控机床的工作性能尤为重要，对改善我国装备制造业总体比较落后的技术水平，具有重大的理论和现实意义。目前，国内机床设计的主流的是经验设计，机床结构中所涉及的设计计算一直沿用普通的结构计算方法。虽然这些计算公式大多是依据强度方面的理论而导出，并且通过一定的试验和测试的验证，具有一定的科学依据和可靠性。但由于现代数控机床的结构相比普通机床较为复杂，仅凭简单的计算理论，在计算时要对数学模型进行大量的简化，致使计算精度很差。有些项目更是因为计算繁琐，时间耗费大，最终无法计算出结果。因而在实际生产与设计中，设计工作者仍然使用外推或类比的方法对机床结构进行设计。而这种相对传统的方法，仅仅适用于数控机床中不同结构性能的定性分析和比较上。在进行实际结构设计时，仍取较大的安全系数，结果使机床中的某些结构尺寸和重量偏大，不但不能很好的利用材料，而且机床结构性能难以提高。特别对于机床主轴这种影响机床加工精度的重要部件，只能依靠以往的经验进行局部修正，无法进行优化设计。1.2 机床主轴特性分析在国内外的发展现状1.2.1 机床主轴特性分析在国外的研究现状国外学者对主轴结构的静动态特性研究开展较早，最早对主轴特性分析的可追隧到 20 世纪 60 年代的 Bollinger 将轴承模拟为一个简单的阻尼器和径向弹簧，分析了车床主轴的动静态特性，2007 年，Y Cao 等建立了主轴-轴承系统，研究了轴承预紧力对主轴系统动态刚度的影响，进而提高系统的固有频率，增加了系统的稳定性1。2009 年，D. Li Y. Guan ，G. Xu 使用 PRO/E 软件的有限元模块对机床的床身进行了有限元模态分析，找出机床的薄弱环节，改进了床身的设计 2。2010 年，ABELE E, ALTINTAS Y 等研究了机床主轴单元系统，较系统的从主轴静动态特性和主轴的热特性进行了分析 3。2011 年，KL Cavalca 等建立了转子-轴承-基础有限元模型，研究了基础质量对固有频率的影响 4。同年，P Kolar 等通过建立主轴-刀具耦合系统数学模型，并做了动力学分析 5。2015 年，J Hong 等等建立了转子-轴承的基础有限元模型，研究了基础结构对系统动态特性的影响，发现基础质量的增加会导致系统的临界转速的降低 6。1.2.2 机床主轴特性分析在国内的研究现状国内对主轴系统的静动态特性研究要比国外晚一些，在国外研究的基础上，我国对机床主轴研究也取得了很大的进展，2007 年，内蒙古工业大学的孟凡富、杨涛等采用 ANSYS 对 CHK1450 电主轴进行有限元分析，得出缩短主轴的前悬伸量、合理地选择轴承的配置方式和主轴的跨距可以提高主轴的刚度与固有频率，以改善主轴系统的动力特性 7。2009 年，张耀满、王伟采用有限元法分析了机床主轴部件横向振动的固有特性，并研究了采用弹簧阻尼单元模拟轴承支承的方法 8。2012 年，广西大学的许枭对 XH2320/4 铣床主轴进行有限元分析，并提出优化设计方案 9。在这一年，梁双翼、陈晨等对电主轴进行了模态分析，并证明了电主轴最高转速是设计合理的 10。2014 年，马岩，岳彩裙等对暗直榫欧式木窗专用数控机床主轴的尺寸结构进行分析，并验证其设计的合理性 11。同年，华东交通大学的胡维东对GSLM3308 机床主轴箱静动态分析，并分析了主轴箱的热特性及拓扑优化 12。赵大兴，王婷等对磨齿机主轴系统进行了模态分析，得出主轴前后支撑间距对砂轮主轴组件系统的模态频率和最大变形量有较大影响 13。2015 年，东北大学的汪博、孙伟、闻邦椿建立了考虑转速的主轴-轴承的通用有限元模型，分析了离心力、陀螺效应、轴承径向刚度以及上述因素耦合对高速主轴动力学特性的影响 14。2016 年，刘世豪、张云顺等对数控机床主轴优化设计专家系统进行研究，构造了主轴传动方式优选法，并验证了机床主轴优化设计专家系统的可行性 15。2017 年，兰州理工大学的陈建文、胡世军等对高速电主轴进行了静动态分析，证明了两种约束均适用于高速电主轴的模态分析 16。2018 年，沈阳建筑大学的王正浩，张杜鹃使用 Ansys Workbench 通过对 CJ190Z4 机床的主轴进行了动力学分析，得出主轴的固有频率随温度的升高而降低 17。近年，广东工业大学、湖南工业大学、大连理工大学、哈尔滨工业大学、东北大学等高校在此基础上，相继对高速电主轴单元的动静态特性进行了一定的研究，并就与其相配套的轴承分析理论进行了总结，完善了主轴系统的分析理论。针对高速与精密机床主轴的特性研究已经逐渐成为主流，在接下来的一段时间内必将成为研究热点。1.3 机床主轴特性分析的概述机床主轴单元的动静态特性主要包括主轴固有频率、受力变形、临界转速和动态响应。在过去很长一段时间里，其研究方法主要为解析法、近似理论解法、图解法和数值解法，其中数值解法的应用最为广泛。随着近几年来计算机技术的飞速发展,机床主轴单元的特性研究也进入了新的研究阶段。古典结构分析法、传递矩阵法、有限差分法、有限单元法和结构修正法等计算机分析方法相继问世。这其中，有限元法是较为常用的数值解法，它的核心思想是将问题的定义域分解为有限个子空间，将所需求解的函数在有限个点上进行近似插值；根据相关的数学物理分析，获得每个子空间上有限个插值点的外界条件与待求函数值之间所满足的方程组；通过直接法、加权余量法或变分法对该问题进行近似求解。1.4 总结 本课题依据成熟的建模和分析软件，利用虚拟仿真技术得到机床产品主轴部件的性能数据,利用优化设计方法根据设计要求对原有设计进行必要的修改,可以实现产品的动态设计。不仅可以弥补原有设计方法的不足，而且还能降低产品的设计成本，能够得到较为可靠的设计方案。参考文献1 Y Cao,Y Altintas.Modeling of spindle-bearing and machine tool systems for virtual simulation of milling operationsJ.International Journal of MachineTools & Manufacture,2007,47(9):1342-1350. 2 D. Li Y. Guan,G. Xu, W. Mao.Optimization Design of Lather-beds Based on FEAJ.International Conference on Information and Automation,Zhuhai/Macau,China,2009:865-869.3 ABELE E,ALTINTAS Y,BRECHER C.Machine tool spindle unitsJ.Manufacturing technology,2010,59(2):781-802.4 KL Cavalca,EP Okabe.On the Analysis of Rotor-Bearing-Foundation SystemsJ.Springer Netherlands,2011,1011(5):89-101. 5 P Kolar,M Sulitka,M Janota.Simulation of dynamic properties of a spindle and tool system coupled with a machine tool frameJ. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2011,54(1):11-20. 6 J Hong,K Shaposhnikov,D Zhang,etal.Theoretical Modeling for a Rotor-Bearing-Foundation、System and Its Dynamic Characteristics AnalysisJ.Mechanisms and Machine Science,2015,21(5):2199-2214. 7 孟凡富,杨涛,刘桂芝,等.基 ANSYS 的 CKH1450 电主轴动态分析J.机电工程,2007,24(3):25-27.8 张耀满,王伟.数控车床主轴部件有限元分析及其验证D.沈阳:东北大学硕士学位论文,2009.9 许枭.机床主轴静动态性能研究及优化设计D.南宁: 广西大学硕士学位论文,2012.10 梁双翼,陈晨,尹辉俊.基于有限元方法的电主轴模态分析 J.制造业自动化,2012,34(1):57- 60.11 马岩,岳彩裙,郝思明.暗直榫欧式木窗专用数控机床主轴的有限元分析J.西北林学院学报,2014,29(1):185-187+252.12 胡维东.GSLM3308 机床主轴箱静/ 动/热特性分析及拓扑优化D.南昌: 华东交通大学硕士学位论文,2014.13 赵大兴 ,王婷,赵迪.基于 Workbench 的磨齿机主轴系统动态特性研究J.机床与液压,2014,42 (19):159-162.14 汪博,孙伟,闻邦椿.高转速对电主轴系统动力学特性的影响分析 J.工程力学,2015,32(6): 231-237.15 刘世豪,张云顺,王宏睿.数控机床主轴优化设计专家系统研究 J.农业机械学报,2016,47(4):372-381.16 陈建文,胡世军,陈伟.高速电主轴有限元建模及静动态特性分析 J.机械电子,2017,35(7):27-35.17 王正浩,张杜鹃.基于 Ansys Workbench 的 CJ190Z4 机床主轴实验模型的动力学分析J.沈阳建筑大学学报,2018,34(1):141-149.毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的方法（途径）：基于 ANSYS 的数控机床主轴的有限元分析所要研究的问题针对在机床主轴的特性分析中，绝大多数参数都是由经验公式确定的，为了得到确定的比较精确的参数，需要经过大量的反复求解、验算，这会在机床的设计中出现耗时长、效率低、成本高等问题。本课题拟采用计算机辅助设计与分析的方法来进行主轴部件的特性分析，可减少设计周期，提高设计效率。拟采用方法及思路根据所要研究的机床主轴的型号，通过查阅资料确定主轴的基本参数，利用ANSYS 软件进行三维建模，并对其进行网格划分，通过施加边界载荷条件对主轴进行静态分析和动态分析，并对其进行优化设计。思路如下：主轴有限元分析主轴 3D 建模选单元类型，定材料参数网格划分，生成有限元模型求解施加载荷、约束、边界条件查看结果 绘制曲线或云图修改主轴尺寸找出主轴结构薄弱环节主轴设计是否合理得出结论YN