数控机床主轴静动态特性分析与优化设计

基于SAMCEF平台的机床整机动态特性分析机床的动态性能决定了机床的加工能力。

为分析优化机床的动态特性，研发人员在SAMCEF平台下，建立了机床的动力学模型，对该模型进行模态分析，同时采用LMS设备对该机床进行模态测试。

对比发现有限元计算振型与实验基本一致，计算得到的固有频率与实验得到的频率误差在16%之内，验证了该模型的可靠性。

利用该有限元模型，把所有部件作为柔性体建立动力学模型，进行多体动力学分析，研究载荷作用下导向部件及结构部件的动态应力变化情况，分析结果为机床优化设计提供方向。

机床作为生产的重要工具和设备，也被称为工作母机，其动态性能与其加工性能紧密相关，并直接影响所加工零件的精度。

随着现代设计方法的广泛运用，对机床进行动态特性分析，用动态设计取代静态设计已成为机床设计发展的必然趋势。

在设计中，仅对机床部件进行动态分析无法全面反映机床的整体性能。

因此，要对机床性能进行准确的预测，必须对机床整机进行动力学分析。

伴随着计算机计算速度的飞速提升，有限元分析成为分析计算复杂结构的一种极为有效的数值计算方法，为机床整机的振动模态理论分析提供了有力的工具。

本文利用SAMCEF动力学仿真平台和模态实验相结合的方式，对机床进行有限元计算和模态实验分析，为新产品研发设计提供了参考。

一、模态分析的基本理论振动现象是机械结构经常需要面对的问题之一。

由于振动会造成结构的共振或疲劳，从而破坏结构，所以必须通过模态分析了解模型的各阶固有频率和振型，避免在实际工况中因共振因素造成结构的损坏。

模态分析可以用来确定模型或结构的振动特性，对复杂结构进行精确的模态分析，将为评价现有结构的动态特性，诊断及预报结构系统的故障，新产品动态性能的预估及优化设计提供科学的依据。

三、机床模态实验本次试验是与LMS公司中国区技术支持工程师共同合作完成，针对VMC0540d立式加工中心进行模态实验，确定该机床的结构动力学参数，如图4所示。

同时，此次试验采用了LMS提供的测试设备及相应的分析软件：LMS SC310前端、PCB 333B30单向加速度计、激振器及功率放大器（3台）以及LMS Test Lab 9B模态测试分析软件等。

关于数控机床主轴结构的改进设计数控机床主轴是数控机床的关键部件，其性能直接影响机床加工精度和加工效率。

随着数控技术的不断发展，对数控机床主轴结构的要求也越来越高。

为了满足市场对数控机床加工精度的需求，需要对数控机床主轴结构进行改进设计，以提高其性能和可靠性。

一、数控机床主轴结构存在的问题1. 结构复杂：传统的数控机床主轴结构通常采用多个轴承和润滑系统，结构复杂，加工成本高。

2. 刚性不足：部分数控机床主轴刚性不足，加工时容易产生振动和变形，影响加工精度。

3. 温升大：部分数控机床主轴在高速加工时容易产生较大的温升，影响机床稳定性和使用寿命。

4. 维护困难：传统数控机床主轴结构维护和保养较为繁琐，需要定期更换润滑油和轴承。

以上问题严重影响了数控机床的加工精度和稳定性，需要通过改进设计来解决。

二、改进设计方案针对数控机床主轴结构存在的问题，可以采取以下几点改进设计方案：1. 优化结构：采用轴向预紧轴承和径向预紧轴承的组合方式，降低轴承数量，简化结构，减小主轴体积和重量。

2. 提高刚性：采用高强度材料和优化设计，提高数控机床主轴的刚性，减小振动和变形，提高加工精度。

3. 降低温升：采用先进的冷却系统和材料，减小高速加工时的温升，提高机床稳定性和使用寿命。

4. 简化维护：采用自动润滑系统和可拆卸设计，简化维护和保养，减小维护成本和时间。

上述改进设计方案可以有效解决传统数控机床主轴结构存在的问题，提高数控机床的加工精度和稳定性，提升竞争力。

三、改进设计实施过程改进设计实施过程中，需要参考市场需求和技术发展趋势，充分调研国内外同类产品的主轴结构和性能，进行方案比较和优化设计。

1. 方案比较：对不同的数控机床主轴结构方案进行技术比较和性能测试，寻找最适合产品需求的方案。

2. 优化设计：在方案确定后，对数控机床主轴结构进行进一步的优化设计，满足产品性能指标和质量要求。

3. 样机制造：根据优化设计方案制作数控机床主轴样机，进行性能测试和验证，验证设计方案的可行性和有效性。

机床主轴系统的动态特性研究引言：机床作为制造业中的重要设备，起着关键的作用。

而机床的核心部件之一，主轴系统，直接影响着机床的性能和精度。

因此，研究机床主轴系统的动态特性，对于优化机床设计和提高加工效率具有重要意义。

一、机床主轴系统简介机床主轴系统是机床的核心部件之一，主要由电机、轴承、刚性连接件等组成。

它承载着传递动力和负载的功能，同时具备高速运转和精确控制的要求。

二、机床主轴系统的动态特性1. 动态刚性机床主轴系统的动态刚性是指在外界作用下，主轴系统的变形程度。

它直接影响着机床的切削精度和表面质量。

动态刚性的研究中，需要考虑轴承、刚性连接件的刚性和主轴的轻负载刚度。

2. 动态特征频率机床主轴系统具有多个共振频率，它们对应着系统的固有振动频率。

在机床的实际工作中，共振频率的发生会导致机床的振动加剧，甚至发生共振破坏。

因此，研究机床主轴系统的动态特征频率，是保证机床运行安全和精度的重要手段。

3. 动态不平衡机床主轴系统在高速运转时，常常会出现动态不平衡现象。

不平衡会导致系统振动加剧，降低机床的加工精度和表面质量。

因此，研究机床主轴系统的动态不平衡特性，有助于提高机床的稳定性和加工质量。

三、机床主轴系统动态特性的研究方法1. 实验方法实验方法是研究机床主轴系统动态特性的常用手段。

通过在实验台上设置传感器，测量主轴系统的振动和共振频率。

同时，通过调整传动系统的参数，得到不同工况下的动态特性参数。

2. 数值模拟方法数值模拟方法是基于有限元理论和计算流体力学理论，对机床主轴系统进行模拟和分析。

通过建立数学模型，求解主轴系统的振动方程和流体流动方程，得到系统的动态特性。

3. 优化设计方法优化设计方法是通过改变机床主轴系统的结构参数，以优化系统的动态特性。

通过优化设计，可以提高系统的刚性、降低共振频率、减小不平衡量等，从而提高机床的性能和精度。

四、机床主轴系统动态特性研究的应用和前景1. 应用研究机床主轴系统的动态特性对于优化机床设计、提高加工效率和质量具有重要意义。

关于卧式机床主轴组件的优化与设计摘要数控机床中的关键部件就是主轴部件，主轴部件的动态性能好与坏直接影响着数控机床加工性能的优劣，文章就是针对主轴部件的动态特性展开理论分析和研究。

通过选用弹簧的阻尼单元进行模拟轴承的约束，使用ansys软件对bw60hs系列高速卧式加工中心主轴部件的动态性能展开研究，主要分析了整个主轴部件的谐响应和模态／固有频率等相关动态特性。

结合实际工作中机床动态激振试情况验证了有限元分析的结果。

关键词固有频率；主轴模态；bw60hs中图分类号th18 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2011）45-0141-01在日常生产过程中，为了进一步地提高整个产品设计的有效性，通常都是在产品设计的具体过程中，对所有产品的性能要进行必要的评价，从而更近一步地对其进行一定的设计改进。

虚拟样机的制造技术的大量使用，使得产品在设计阶段就建立了机床的虚拟模型，这样就能对产品每一个部件的具体运动进行必要的干涉和检查，更重要的是还能更加完善和全面地对产品性能进行评价和分析。

数控机床中的关键部件就是主轴部件，主轴部件的动态性能好与坏直接影响着数控机床加工性能的优劣，所以说对主轴部件的动态特性进行一定的理论分析和研究具有着不可低估的现实指导意义。

1 卧式机床的技术分析bw60hs系列高速卧式加工中心的设计、制造技术及应用技术完全来源于德国，机床不的关键零部件（如：电主轴、数控转台、滚珠丝杠、线性导轨、轴承、绝对式光栅尺测量系统、液压系统、润滑系统、气动系统、数控系统及驱动控制系统、刀库等）均采用德国进口知名品牌。

bw60hs系列高速卧式加工中心，具有高精度、高速度、高效率、高可靠性的特点，是目前国际先进的现代化机床，广泛适用于汽车、摩托车、仪表、液压件、模具、航空等行业，是加工箱体、壳体、阀体、连杆类零部件加工以及轴类零件端面加工的理想设备。

2 数控车床主轴部件动态性能分析2.1 主轴部件模态分析结合所有能体现整个主轴部件的振动特性每一个阶的模态振型。

数控机床主轴静动态特性分析与优化设计数控机床主轴的静动态特性分析与优化设计在机床设计中扮演着重要的角色。

主轴的质量、刚度和动力性能直接影响着数控机床的加工精度和生产效率。

因此，针对数控机床主轴的静动态特性进行分析和优化设计是非常必要的。

首先，对数控机床主轴的静态特性进行分析是基础。

静态特性主要包括主轴的刚度、负载能力和转速范围。

刚度是指主轴在受力时的变形能力，直接影响着机床的切削精度。

负载能力指主轴能够承受的最大切削力或轴向力，取决于主轴的结构和材料。

转速范围则指主轴的最大和最小可工作转速，根据机床加工要求和主轴的功率决定。

其次，对数控机床主轴的动态特性进行分析是优化设计的重要环节。

动态特性主要包括主轴的运行平稳性、动态刚度和各模态的特性频率。

运行平稳性是指主轴在工作状态下的振动情况，对加工表面质量和刀具寿命有重要影响。

动态刚度是指主轴在受力时的变形能力在一定频率下的响应能力。

各模态的特性频率则表征着主轴在不同振动模态下的响应频率和振动幅度。

针对数控机床主轴的静动态特性，可以采取以下优化设计措施。

首先是通过优选材料和适当加工工艺来提高主轴的刚度和负载能力。

其次是采用适当的轴承和润滑方式，减小主轴的摩擦和磨损，提高运行平稳性。

此外，还可以通过调整主轴的结构和参数来提高动态刚度和各模态的特性频率。

例如，增加主轴的直径、改变轴承支撑形式等。

在数控机床主轴静动态特性优化设计过程中，还需要考虑与其他系统和结构的配合，如主轴驱动装置、刀具系统等。

同时，结合实际工艺要求和机床制造能力，进行多种参数的优化设计，以实现最佳的综合性能。

总之，数控机床主轴的静动态特性分析与优化设计是非常重要的工作，直接关系到数控机床的加工质量和生产效率。

通过对主轴材料、结构和参数的优化设计，可以提高数控机床主轴的静态刚度、负载能力和动态性能，进而提高数控机床的加工精度和生产效率。

关于数控机床主轴结构的改进设计随着制造业的发展和技术的进步，数控机床在工业生产中扮演着越来越重要的角色。

数控机床主轴作为数控机床的核心部件之一，其性能和结构对机床的加工精度和效率具有重要影响。

为了提高数控机床主轴的加工精度和稳定性，需要对其结构进行改进设计。

本文将从数控机床主轴的结构特点、存在问题以及改进设计方面进行探讨，以期为数控机床主轴结构的改进设计提供一些参考意见。

一、数控机床主轴的结构特点数控机床主轴是数控机床的核心部件，其主要功能是带动刀具进行切削加工。

数控机床主轴的结构特点主要包括以下几个方面：1.高速高精度数控机床主轴需要具备高速高精度的特点，以满足不同加工要求的需求。

在高速高精度的要求下，主轴需要具备较强的刚性和稳定性。

2.刚性要求高数控机床主轴在工作时需要承受较大的切削力和转矩，因此需要具备较高的刚性。

良好的刚性能够有效地抵抗切削力和振动，保证加工精度和表面质量。

3.稳定性要求高数控机床主轴在高速旋转时需要保持稳定，避免产生振动和不稳定的现象。

稳定的主轴运转能够保证加工的精度和表面质量。

尽管数控机床主轴具有高速高精度、高刚性高稳定性的特点，但在实际应用中还是存在一些问题：1.噪音大部分数控机床主轴在高速旋转时会产生较大的噪音，给工人的工作环境带来一定的影响。

2.振动大部分数控机床主轴在高速旋转时会产生较大的振动，导致加工精度和表面质量下降。

3.散热不好部分数控机床主轴在长时间高速运转时会产生较大的热量，散热效果不佳，导致主轴温度过高，影响主轴的使用寿命和稳定性。

三、改进设计方案针对数控机床主轴存在的以上问题，可以从以下几个方面进行改进设计：1.采用新材料可以采用新型复合材料或者金属材料来替代传统的主轴材料，以提高主轴的强度和刚性，减少噪音和振动。

2.结构优化可以对数控机床主轴的结构进行优化设计，增加降噪材料和减振装置，以减少噪音和振动；采用新的轴承结构和支撑方式，提高主轴的稳定性和寿命。

数控机床的动态特性概述李凯旋研究机床动态特性的重要性和必要性现代机床正向高速，大功率，高精度的方向发展，除了要求机床重量轻，成本低，使用方便和具有良好的工艺性能外，对机床的加工性能要求也愈来愈高。

机床的加工性能与其动态特性紧密相关。

由于受到理论分析和测试实验手段落后的限制，传统的机床设计的主要依据是静刚度和静强度，对机床的动态特性考虑较少。

结果常常是以较大的安全系数加强机床结构。

导致机床结构尺寸和重量加大。

并不能从根本上改观机床的动态特性。

机床的动态特性的基本概念机床的动态性能是指机床运转之后振动、噪声、热变形与磨损等性能的总称。

但长期以来主要指的是机床的振动性能，即主要指机床抵抗振动的能力。

【1】⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧===振型）振型（一阶振型，二阶变形大小）动态柔度变形的能力。

动刚度：动载荷下抵抗变形的能力。

静刚度：静载荷下抵抗为临界阻尼系数为阻尼系数，阻尼比）（固有角频率固有频率(/1r r ,r/r 2/f f co co n n n n d k ωξπωω机床结构的动态特性参数主要参数包括固有频率，阻尼比，振型，动刚度等。

机床的动态分析主要是研究抵抗振动的能力，包括抗振性和切削稳定性，【2】⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧切削自激振的能力）切削稳定性（机床抵抗主要零件的固有频率阻尼特性机床的结构刚度振动的能力）抗振性（机床抵抗受迫激振力：由回转的不平衡质量作为振动系统的振动源产生的周期性简谐振动。

【1】诸乃雄，机床动态设计原理与应用[M]上海：同济大学出版社，1987:1-3【2】陈雪瑞，金属切削机床设计[ M ] 太原: 山西科学教育出版社, 1988.147-151主要指标外力的激励频率与物体的固有频率相等时，物体的振动形态成为主振型或一阶振型。

外力的激励频率是物体固有频率二倍时，物体的振动形态为二阶振型，以此类推.......机床的动态特性基本概念抗振性的衡量标准一般用产生单位振动量所需要的激振力表示。

数控机床加工精度与稳定性的研究与分析数控机床是机械制造中的重要设备，通过计算机控制和操作可以实现各种工件的复杂加工，逐渐取代人工加工成为现代制造业中不可或缺的设备。

数控机床加工精度与稳定性是数控机床的重要参数，关系到产品质量和生产效率。

本文将围绕数控机床加工精度与稳定性进行研究与分析。

一、数控机床加工精度的研究与分析数控机床加工精度是指工件加工后的尺寸偏差和形位偏差的统计指标。

在实际应用中，加工精度是数控机床的重要性能参数，它直接关系到加工成品的质量和精度。

因此，提高数控机床的加工精度是机械制造企业持续发展的迫切需要。

1.1 加工过程中误差的来源数控机床的加工精度与加工误差有着密切的关系，在加工过程中，加工误差的来源主要包括以下方面：(1)加工人员的技术水平和操作能力。

(2)机床结构的材料、加工工艺和精度。

(3)刀具的质量、刃口尺寸、材料和磨削方式。

(4)工件的材料、形状、尺寸和定位精度。

(5)切削液的性能和质量。

(6)环境因素如温度、湿度、振动等。

1.2 加工精度评价指标的研究数控机床加工精度是一种复杂的技术问题，通常采用绝对误差、相对误差、偏差、圆度、平面度、垂直度、同轴度、圆柱度等指标来评价。

这些指标有各自的装置和方法，需要在加工过程中进行严格的测量和记录。

1.3 加工精度提高的方法提高加工精度是数控机床加工质量的关键，可以采取下列方法：（1）加强操作人员的培训，提高技术水平和职业素质，减少人为误差。

（2）改进机床结构，增强机床的稳定性和刚性，减小加工误差。

（3）采用高品质的刀具，保证切削质量和切削稳定性，提高加工精度。

（4）优化工件的设计，改进制造工艺，提高加工精度和工件的定位精度。

（5）采用优质的切削液，降低温度和振动，保持加工环境的稳定性。

（6）加强加工质量的跟踪和记录，及时发现和排除各种误差。

二、数控机床加工稳定性的研究与分析数控机床加工稳定性是指机床在加工过程中的稳定性能，主要包括动态特性、静态特性和热特性三个方面。

数控机床的主轴加工过程中的动态特性调节方法数控机床是现代制造业中非常重要的设备之一，它具有高精度、高效率和多功能等优点，在工业生产中得到广泛应用。

而数控机床的主轴作为一种重要的加工工具，其动态特性对加工质量和生产效率有着重要影响。

因此，如何调节数控机床的主轴动态特性成为提高加工质量和效率的关键。

在数控机床的主轴加工过程中，为了保持其稳定性和减少振动，可以采取以下动态特性调节方法：1. 振动分析和监测：通过使用振动传感器、加速度计等设备对数控机床主轴进行振动分析和监测。

这可以帮助我们了解主轴的振动频率、幅度以及工作过程中可能出现的问题。

通过准确分析振动数据，可以找到主轴振动的根本原因，并采取相应的措施来降低振动。

2. 动态平衡技术：主轴的不平衡是导致振动的主要原因之一。

为了解决这个问题，可以采取动态平衡技术。

动态平衡是通过在主轴上安装质量均匀的配重块，使主轴在工作时达到平衡状态。

这样可以减少振动产生的力矩，提高主轴的工作效率和加工质量。

3. 模态分析和优化设计：通过模态测试和分析，可以了解主轴在不同工作状态下的固有频率和模态形态。

基于模态分析的结果，可以通过对主轴结构进行优化设计，改善其刚度和降低共振频率。

这样可以减少主轴在工作过程中的振动和共振现象，提高加工质量和稳定性。

4. 主轴轴向力和轴向刚度控制：主轴轴向力和轴向刚度对于主轴动态特性的调节非常重要。

通过调整轴向力和刚度，可以使得主轴在不同工况下保持稳定的切削过程。

在实际应用中，可以采用电磁轴承等装置控制主轴的轴向力和轴向刚度，以实现主轴动态特性的调节。

5. 控制系统优化：数控机床的控制系统对于调节主轴动态特性也起着重要作用。

通过优化控制系统的算法和参数设置，可以在加工过程中动态调整主轴的速度、加速度和切削力等参数，以实现更高的加工质量和效率。

同时，控制系统还应具备实时监控和自适应调节的能力，以适应不同工况和加工要求。

总之，数控机床的主轴动态特性调节是保证加工质量和提高生产效率的关键。

数控机床动态特性优化发布日期：2014-04-29 来源：《金属加工世界》浏览次数：66摘要：考虑了滚动结合面和主要固定结合面的影响，对机床进行模态分析和谐响应分析，找出了其薄弱模态；通过分析可知改变各结合面刚度对整机动态特性的影响，识别出对整机动态特性影响较大的结合面，并对这些结合面刚度值进行优化，提高了整机的动态特性。

随着数控机床向高速、精密及复合化方向的发展，要求机床具有较好的抵抗切削颤振的性能，因此，对机床的动态性能提出了越来越高的要求。

建立机床结构准确的动力学模型，研究其动态特性，对于了解机床的薄弱环节、进行结构优化、提高机床的加工精度和稳定性具有重要意义。

机床是由多个零部件组成的复杂组合结构，各零部件之间结合部对动态性能的影响很大。

许多研究表明，机床上出现的振动问题有60%以上是源自结合面，机床的静刚度中30%～50%决定于结合面的刚度特性，其阻尼值的90%以上来源于结合面的阻尼。

因此建立考虑结合面的机床动力学模型，对于准确预测机床的动态性能具有重要意义。

机床整机特性预测的分析方法主要有3种：集中参数法、均质梁法、有限元法。

其中前两种方法在建模时机床结构过于简化，计算精度低；有限元法计算量大，但计算结果精确，目前已成为主要分析方法。

在考虑结合面参数的机床整机建模中，日本学者吉村允孝建立了双柱立式车床的分布质量梁动力学模型，识别了20个结合面，其中2个为导轨结合面，其余为固定结合面。

由于考虑了结合面特性，因而计算所得结果比较接近实验值。

国内西安理工大学的黄玉美、张广鹏等比较系统地研究了考虑结合面特性的机床动力学建模方法，他们基于结合面基础特性参数，研究了机床导轨结合部特性的建模方法，并将其用于机床整机特性分析的有限元模型中，由于同时考虑了固定结合面和导轨结合面的影响，分析结果与实验值较接近。

中国石油大学的赵宏林等从理论上推导出各种结合部的建模融入方法，并应用在XK712B立式镗铣床的建模计算中，得到了比较准确的计算结果。