摘 要

在设备运转时，各种复杂的载荷作用会对主轴产生影响，导致主轴会无可避免地产生振动，主轴的振动状况将直接影响到传动装置系统的运转能力，所以研究主轴的振动特性具有深远的意义。本文针对砂轮机主轴的横向振动特性进行了分析。

本文介绍了横向振动的基本原理；借助ANSYS软件对主轴进行了模态分析。详细介绍了主轴离散化建模的方法；介绍了应用传递矩阵法对主轴横向振动特性分析的基本原理。在MATLAB软件的平台上，针对传递矩阵法编写符合主轴横向振动中固有频率和振型的算法的程序。同时本文还介绍了在NI测试平台上对主轴振动特性测试的试验方法，并且根据仿真的结果和实际测试数据，对主轴提出优化性建议，改良主轴的振动特性。

关键词： 横向振动，ansys分析，ricati传递矩阵法，主轴测试

Abstract

In the operation of the equipment, a variety of complex load effects will have an impact on the spindle, resulting in the spindle will inevitably produce vibration, the spindle vibration will directly affect the operating capacity of the transmission system, so the study of the spindle vibration characteristics of far-reaching The meaning of. In this paper, the dynamic characteristics of the lateral vibration generated during the rotation of the grinding wheel are analyzed.

      In the paper, I introduced the basic principle of lateral vibration; with ANSYS software on the spindle for modal analysis. This paper introduces the method of spindle discretization modeling in detail, and introduces the basic principle of applying the transfer matrix method to the analysis of transverse vibration characteristics of the main shaft. In the MATLAB software platform, for the transfer matrix method written in accordance with the main axis of the lateral vibration of the natural frequency and vibration of the algorithm. At the same time, this paper also introduces the test method of the vibration characteristics of the spindle on the NI test platform, and according to the simulation results and the actual test data, the optimization of the spindle is proposed to improve the vibration characteristics of the spindle.

Keywords: Lateral vibration, ansys analysis, ricati transfer matrix method, spindle test

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章绪论 1

1.1课题研究的意义 1

1.2国内外研究现况 1

1.3论文的主要内容 3

第二章 主轴振动特性的ANSYS仿真分析 4

2.1ANSYS简介 4

2.2主轴的模态分析 4

第三章 机床主轴传递矩阵模型的建立 8

3.1横向振动的简介 8

3.2传递矩阵法 9

3.3模型的建立 10

3.4典型单元的传递矩阵 11

3.5 Riccati传递矩阵固有频率与振型的计算 14

第四章 主轴振动特性的数值分析与实验验证 17

4.1程序设计 17

4.2主轴振动特性数值分析 18

4.3影响主轴振动特性的因素 19

4.4实验验证 23

结论与展望 29

致谢 30

参考文献 31

附录A MATLAB仿真程序 33

附录B LabVIEW软件程序框图 36

第一章绪论

1.1课题研究的意义

制造业发展水平的高低是衡量一个国家的综合实力的主要体现,大部分发达国家都具有非常高水平的制造业。而装备制造业主要的作用是为国家提供制造装备,它体现了各个国家的综合制造水平，而重大装备研发能力表明了国家工业化程度的高低，因而提升我们国家装备制造业的技术水平具有重大意义^[1]。机床作为装备制造业的基础机械设备，它的加工精度以及加工水平是评判一个国家工业化水平的重要根据。主轴作为机床核心部件中最重要的一环，与安装的刀具或者加工工件接触，直接参与切削加工，对机床的加工精度、加工质量产生直接的影响。

主轴的回转性能指机床设备工作时，主轴做回转运动时表现出的特性。主轴在机床运行过程中会受到各种复杂的载荷作用，从而产生相对运动，当这种运动是往复振荡的，称之为振动。振动特性是主轴回转性能的主要表现形式。主轴振动的三种基本形式为纵向振动、扭转振动和横向振动。本次课题主要针对机床主轴的横向振动特性进行分析与研究的，其中着重就主轴的固有频率和振型进行研究分析。总所周知，当主轴转速与主轴固有频率一致时，主轴会发生共振现象。主轴产生共振除了对机床的加工质量和加工效率产生不利的影响，还会产生其他较大的危害，比如：主轴的振动传递给其他传动部件，影响传动效率；产生过量的噪声污染，使操作者的身心健康遭受损害；造成轴承松动以及摩擦过热现象，加剧轴承的磨损；影响加工刀具和夹具的使用寿命，增加生产成本；在大型的机械生产加工中甚至会出现轴断和轴裂等事故，威胁着工作人员的生命安全。对主轴进行振动特性分析的结果可以帮助人们了解机床主轴的回转性能,从而设计出更加优化的设计方案和传动系统，提高机床的加工精度，加工质量和生产率，扩大机床的加工范围，使数控机床加工出高精度，高质量的产品，满足生产和生活的需要，保障工作人员的生命健康^[2]。

1.2国内外研究现况

早在60年代，国内外部分研究机构和单位就开始着手于主轴动态特性的研究了并且取得了一系列的成果。但是由于当时的技术水平不够成熟，一般采用经验模拟法设计，方法繁琐，精度低。到后来由于计算方法以及计算机技术水平的进步，研究的方法也越来越多，精确性也越来越高。

国内虽然在研究起步上稍晚一些，但随着中国生产力水平的提高，越来越多的人开始开展这一领域的研究。近几年我国在主轴动态特性研究上取得了一些成果。伍良生、周亮等人以GDH512主轴为研究对象，采用有限元分析方法，运用ANSYS软件对其进行模态分析，确定了主轴的固有频率和振型，确定了其安全工作频率的范围，确保机床安全工作^[3]。而在铝锭堆垛机翻转装置主轴研究上，罗德春、张玲等人通过传递矩阵法，分析了主轴动态特性，得到主轴前五阶固有频率和一阶临界转速，并提出了增大轴承径向支撑刚度值的优化设计方案，为进一步提高设备可靠性提供了理论依据^[4]。基于传递矩阵法和轴承的分析理论，东南大学的钱木进行了高速磨削电主轴、高速铣削用加工中心电主轴和无心磨主轴三大类高速机床主轴的动态特性的研究，并开发动态设计软件，解决了高速机床主轴的快速设计与动态性能优化问题^[5]。基于ANSYS Workbench软件，赵大兴，王婷等人借助有限元法对磨齿机主轴进行了模态分析，得到了主轴系统的固有频率和最大偏振量^[6]。针对于陶瓷电主轴转子的动态特性研究中，吴玉厚，张郊采用了Prohl传递矩阵法和有限元法，通过理论计算以及软件的仿真验证，确定了两种分析方法的可行性以及有限元分析方法的便捷性，他们在本次研究中得出了以下结论：陶瓷电主轴的固有频率要高于普通钢轴；可以通过提高轴的刚度来增大固有频率^[7]。而就在2017年初，基于子结构响应耦合法(RCSA)，李鑫、唐小卫，吴鹏飞等人建立了机床刀具端动态特性的预测模型,利用有限元分析法和敲击实验相结合的方法获得了主轴处于不同位姿时的频响函数，并切完成了动态特性评价指标的提取。在对WHLG120x35车铣复合加工中心的综合动态特性的研究中，他们同样利用该方法进行了评估与分析,根据分析结果指明了加工过程中的薄弱环节,并利用加工稳定性lobe图进行了验证^[8]。根据查阅的文献来看，传递矩阵法和有限元分析法师我国主要应用两个分析方法，随着工业水平的发展，我国在该领域的研究也会越来越精确^[9]。