高速、高精度数控铣床电主轴结构优化设计及其性能研究

发布时间：2017-08-29 11:35

  本文关键词：高速、高精度数控铣床电主轴结构优化设计及其性能研究

  更多相关文章： 结构设计 静态特性 动态特性 热态特性 ANSYS workbench

【摘要】：主轴系统等高端装备所需的关键零部件是我国制造装备技术发展过程中急需解决的瓶颈问题。论文以海天精工VMC系列立式铣床主轴为研究对象,进行具体的结构参数设计,并对主轴系统静动态特性及其热态特性开展研究工作,为主轴系统产业化打下基础。论文取得了以下研究成果：(1)完成了电主轴结构的初步设计,如设计主轴的整体布局、选择主轴结构参数、选择主轴电机和轴承等。并利用三维实体建模软件SolidWorks完成高速电主轴建模工作。(2)利用大型有限元分析软件ANSYS Workbench对电主轴系统进行结构静力学学分析,得到其静刚度,验证了本论文所设计电主轴满足静刚度要求。(3)为提高主轴静刚度、减小主轴质量,论文采用Ansys Workbench的优化模块Ansys DesignXplorer为优化工具,对电主轴系统前端悬伸量(a)和前后支撑跨距(L)进行优化设计,得到主轴系统a和L的最优解。(4)利用有限元分析软件Ansys Workbench对优化后的电主轴的动态性能进行分析,得到电主轴的低阶固有频率和振型,验证电主轴系统的一阶临界转速是否符合要求；然后对电主轴进行谐响应分析,得到电主轴系统在正弦周期激励下的固有频率,经过分析计算得到电主轴设计转速可有效避开共振区间的结论。(5)对电主轴内部热源及热生成率进行分析研究,模拟研究优化后的电主轴结构的热态性能,创造性的分析了电主轴恒功率变速范围内不同转速时的热态性能,分别得到了热态分析图。通过分析电主轴的温升情况,有针对性的提出改进措施。
【关键词】：结构设计 静态特性 动态特性 热态特性 ANSYS workbench
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG547
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题研究的背景及意义10-11
• 1.2 高速电主轴的国内外发展及现状11-13
• 1.2.1 高速电主轴的国外发展及现状11-12
• 1.2.2 高速电主轴的国内发展及现状12-13
• 1.3 高速电主轴性能研究现状13-14
• 1.3.1 高速电主轴静动态性能的研究现状13-14
• 1.3.2 高速电主轴热态性能的研究现状14
• 1.4 论文研究的主要内容14-16
• 第2章 高速电主轴结构的设计及三维模型的建立16-26
• 2.1 高速电主轴的基本结构16
• 2.2 高速电主轴的结构设计16-22
• 2.2.1 电主轴总体结构设计16-17
• 2.2.2 主轴电机的选择17-19
• 2.2.3 主轴轴承的选择19-21
• 2.2.4 主轴单元主要结构参数的确定21-22
• 2.3 高速电主轴三维实体模型的建立22-25
• 2.3.1 高速电主轴主要零部件三维模型的建立22-23
• 2.3.2 高速电主轴装配体的建立23-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 高速、高精度电主轴静态性能的分析及其结构优化设计26-39
• 3.1 高速、高精度电主轴的静态性能理论分析26-27
• 3.2 高速、高精度主轴系统静态特性的有限元分析27-34
• 3.2.1 高速、高精度主轴系统静力分析的模型简化及建模27-29
• 3.2.2 高速、高精度电主轴静态载荷的计算29-31
• 3.2.3 高速、高精度电主轴静力分析的加载、约束及求解31-34
• 3.3 基于ANSYS Workbench的电主轴结构优化设计34-38
• 3.3.1 结构优化的具体内容和优化设计34
• 3.3.2 ANSYS Workbench优化设计的基本概念34-35
• 3.3.3 高速、高精度电主轴结构优化设计的具体步骤35-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第4章 高速、高精度电主轴动力学性能分析概述39-47
• 4.1 模态分析简介39
• 4.2 模态分析矩阵的描述39-41
• 4.3 模态分析的建模、加载以及求解41-44
• 4.4 谐波响应分析44-46
• 4.5 本章小结46-47
• 第5章 高速、高精度电主轴热态性能的分析47-64
• 5.1 高速、高精度电主轴的热源分析和计算47-51
• 5.1.1 高速、高精度电主轴电机的发热分析与计算47-49
• 5.1.2 高速电主轴轴承的发热分析与计算49-50
• 5.1.3 高速电主轴的热载荷热生成率的计算50-51
• 5.2 高速电主轴热边界条件的确定51-56
• 5.2.1 电机定子与定子冷却液之间的对流换热52
• 5.2.2 电机转子端部与空气间的传热52-53
• 5.2.3 高速电主轴系统外壳面与外界空气的对流换热53
• 5.2.4 高速电主轴系统运动外表面与外界空气的对流换热53-54
• 5.2.5 高速电主轴内部与空气的对流换热54
• 5.2.6 轴承与油-气润滑系统的对流换热54-55
• 5.2.7 定转子气隙间的对流换热系数55-56
• 5.3 高速、高精度电主轴的稳态热分析56-62
• 5.3.1 高速、高精度电主轴热分析模型的简化及有限元建模56-58
• 5.3.2 施加高速电主轴热分析的热载荷及边界条件58-59
• 5.3.3 求解并分析高速、高精度电主轴稳态热分析的后处理结果59-61
• 5.3.4 稳态温度结果的分析61-62
• 5.4 改善高速、高精度电主轴热态性能的主要措施62-63
• 5.5 本章小结63-64
• 第6章 总结与展望64-66
• 6.1 总结64
• 6.2 展望64-66
• 参考文献66-70
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果70

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 积水;汉川公司电主轴研发取得新突破[J];制造技术与机床;2003年12期

2 周延yP,李中行;电主轴技术讲座 第六讲 电主轴的选用[J];制造技术与机床;2003年12期

3 虞付进;电主轴技术的应用及发展趋势[J];机电工程;2003年06期

4 闫红卫 ,徐同申;国内电主轴的起源与发展[J];机械工人.冷加工;2005年11期

5 张兴军;杨淑启;韩龙义;;高速精密电主轴的研制[J];机电工程技术;2006年06期

6 董海平;杨明平;朱火美;李伟光;;电主轴产业化探讨[J];中国制造业信息化;2009年11期

7 刘永坤;史康云;;电主轴的应用现状与发展方向探析[J];机电信息;2011年30期

8 秦少军;基于多影响因子的电主轴可靠性分析[J];组合机床与自动化加工技术;2001年06期

9 黄红武,熊万里,陆名彰,盛晓敏,吴耀,宓海青;高速大功率精密电主轴中的关键技术[J];湖南大学学报(自然科学版);2002年05期

10 升恒;;风洞冷却的电主轴[J];装备机械;2003年01期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 张珂;吴玉厚;张丽秀;潘振宁;;陶瓷电主轴单元的振动特性研究[A];第八届全国振动理论及应用学术会议论文集摘要[C];2003年

2 熊万里;;高速精密永磁同步电主轴的研究进展及发展趋势[A];科技、工程与经济社会协调发展——中国科协第五届青年学术年会论文集[C];2004年

3 孙智慧;肖乃宽;;高速加工之我见[A];陕西省机械工程学会九届二次理事扩大会议论文集[C];2010年

4 蒋书运;;高速机床电主轴摩擦学问题的研究[A];第八届全国摩擦学大会论文集[C];2007年

5 袁剑雄;王知行;李建生;徐秀敏;;并联机床电主轴干涉计算[A];第十二届全国机构学学术研讨会论文集[C];2000年

6 陈世钰;;高速加工的利器—高刚性大功率气静压电主轴[A];广州市老工程师协会论文集（第四辑）[C];2008年

7 陈润霖;许吉敏;奚延辉;袁小阳;;高速超精密电主轴系统可靠性及精度稳定性研究[A];第11届全国转子动力学学术讨论会（ROTDYN2014）论文集（下册）[C];2014年

8 吴国庆;张钢;张建生;王春兰;吴名贵;汪希平;;磁悬浮铣削电主轴控制系统研究[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集（下）[C];2005年

9 孙智慧;肖乃宽;;高速加工之我见[A];陕西第二届数控机床及自动化技术专家论坛论文集[C];2011年

10 杨新洲;张钢;吴剑锋;汪希平;;磁悬浮支承铣削电主轴的动力学性能仿真分析[A];2003大型发电机组振动和转子动力学学术会议论文集[C];2003年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 叶军;国产化率低 电主轴成为数控机床发展之痛[N];中国工业报;2007年

2 本报记者 叶军;电主轴：制约我国数控机床发展的软肋[N];中国工业报;2006年

3 见习记者 严曼青;电主轴国产化低 数控机床的发展之痛[N];机电商报;2005年

4 本报记者 徐雯雯;金雷：创新铸就的硬品牌[N];莱芜日报;2011年

5 记者 张睿　通讯员 崔珠峰;“通裕”攻克5个世界性难题[N];德州日报;2010年

6 本报记者 司涛　赵彬彬;通裕重工今招股 创新成就风电装备龙头[N];证券日报;2011年

7 协会;国内数控机床用电主轴市场扩容[N];中国电力报;2004年

8 郭宝泉;让科研成果产生巨大经济效益[N];沈阳日报;2006年

9 叶军;投资4000万 洛阳轴研为机床造“心脏”[N];中国工业报;2003年

10 证券时报记者 卢青　贾小兵;通裕重工今日申购 适时实施股权激励[N];证券时报;2011年

中国博士学位论文全文数据库 前4条

1 张丽秀;电主轴单元电磁特性及控制策略改善研究[D];大连理工大学;2012年

2 李颂华;高速陶瓷电主轴的设计与制造关键技术研究[D];大连理工大学;2012年

3 刘继行;小型车床内装式电主轴间歇动态热特性研究[D];沈阳工业大学;2015年

4 马丙辉;基于热管传热的液体静压电主轴热态性能及相关技术研究[D];哈尔滨工业大学;2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 王丽艳;陶瓷电主轴电磁力及损耗分析[D];沈阳建筑大学;2012年

2 马帅;基于Fluent的电主轴热态分析及结构优化[D];昆明理工大学;2015年

3 时玉冰;内置式电主轴动态及热—结构耦合特性的研究[D];河北工程大学;2015年

4 张政;高速电主轴热特性分析及试验研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

5 阎铭;电主轴电磁振动与损耗关系实验与仿真分析[D];沈阳建筑大学;2014年

6 张郊;轴承预紧力对电主轴特性的影响研究[D];沈阳建筑大学;2015年

7 夏万磊;电主轴温升智能预测与实验研究[D];沈阳建筑大学;2015年

8 陈慧;DZM140电主轴结构设计及性能研究[D];武汉轻工大学;2015年

9 朴陶然;永磁同步电主轴电磁力产生机理及振动特性研究[D];沈阳工业大学;2016年

10 王玮琦;永磁同步电主轴机电耦联动力特性研究[D];沈阳工业大学;2016年

，

本文编号：753088