[毕业论文] 主轴刀柄结合面静态特性建模与实验研究 [复制链接]

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毕业论文-主轴刀柄结合面静态特性建模与实验研究，共98页，23819字

中文摘要

机床结合面广泛地存在于数控机床上的各零部件之间，它对机床的静、动、

热态性能有着显著的影响。然而，由于影响结合面特性的因素比较复杂，现有的

有限元分析软件很难精确仿真结合面的特性，致使在分析含有结合面的结构时误

差较大。为了提高机床整机有限元模型的仿真精度，本文从理论建模、实验研究

和仿真分析三个方面对主轴刀柄结合面进行了研究。

首先，本文提出了一种主轴—刀柄（包括 BT 型刀柄和 HSK 型刀柄）锥度结

合面静态特性的建模方法。由于结合面本质上是一种弹性连接，本文根据刀柄的

受力情况，在结合面处适当建立若干个等效弹簧单元，从而建立起结合面的等效

静力学模型。其次，基于刀柄的刚体假设，通过测量与刀柄固连的点的位移，利

用旋转矩阵推知整个刀柄的位移情况，进而建立刀柄的平衡关系式，将结合面的

静力学模型转化为数学模型。本文根据上述参数识别方法，设计了相应的实验测

试方法，并以 BT50 刀柄为例，采用分辨率为 1nm 的激光干涉仪测量位移。另外，

实验还测量了在不同拉刀力下主轴刀柄系统的轴向刚度和径向刚度，研究了刚度

与拉刀力之间的关系。最后，根据实验数据识别了 BT50 刀柄结合面特性参数，

并将其应用到有限元模型当中进行分析。通过与不考虑结合面刚度模型的仿真结

果相比较，证明了这种结合面等效弹簧模型使仿真精度大幅度提高，仿真与实验

的相对误差小于 15%。

关键词：锥度结合面；静刚度；有限元方法；参数识别

ABSTRACT

The mechanical joints widely exist among various parts of the NC machine tool,

exerting remarkable influence on the static, dynamic and thermal performance of the

entire structures. However, the factors influencing the characteristics of joints are quite

complex, and it is difficult to simulate the characteristics precisely in current FEM

softwares without joints parameters, which causes serious errors when the joints are

considered to be bonded. In order to improve the simulation precision of the entire

machine tool, this article carried out a research on the tool holder-spindle joints in

three aspects: theoretical modeling, experimental study and simulation.

First, this article proposed a modeling method of static characteristic of tool

holder-spindle (including BT holder and HSK holder) taper joints. As the joint is

essentially an elastic connection, this article established equivalent spring units

between the contact surfaces to model the static characteristic of taper joints. Then,

based on the assumption that the holder is a rigid body, the equations are established

using the measurable displacement of certain points on the holder and rotation matrix

is applied to deduce the displacement of other points. According to the parameters

identification methods mentioned above, this article took the BT50 holder as an

example and designed an experiment and test method using the laser interferometer of

which the resolution is the 1nm to measure the displacements. Moreover, the

experiment also measured the axial and radial stiffness of the spindle-holder system

under the different axial forces. Finally this paper applied the parameters of the joints

acquired from the experiment, to the FEM to carry on the analysis. The results, which

the relative error are less than 15%, proved that the equivalent spring model promoted

the precision obviously compared with the bonded modeling method.

Keywords: taper joints; static stiffness; FEM; parameter identification

目 录

第 1 章 绪论 .........1

课题背景及意义 ...........1

国内外研究现状 ...........3

研究目标 ...........5

研究方法 ...........5

主要研究内容及论文内容介绍 ...........5

第 2 章 主轴刀柄结合面静力学建模与参数识别方法 .7

主轴刀柄结合面的力学分析 ...7

结合面刚度的微观解释 .......7

BT 刀柄 .........8

HSK 刀柄 ......8

主轴刀柄结合面静力学模型的建立 ...9

结合面模型建立的一般原则 ...........9

模型假设 .....10

BT 刀柄结合面静刚度模型 ...........10

HSK 刀柄结合面静刚度模型 ........10

主轴刀柄结合面参数识别方法 .........11

径向刚度参数识别 .11

轴向刚度参数识别 .14

本章小结 .........15

第 3 章 主轴刀柄结合面静态特性实验 ...........16

实验原理 .........16

实验装置 .........18

实验对象 .........21

实验步骤 .........21

径向刚度实验 .21

实验结果 .....21

径向静刚度与轴向拉刀力的关系 .22

轴向刚度实验 .23

实验结果 .....23

轴向静刚度与轴向拉刀力的关系 .23

本章小结 .........24

第 4 章 主轴刀柄结合面静态特性仿真分析 ...26

三维模型的建立 .........26

不考虑结合面时主轴刀柄系统静特性仿真 .27

边界条件的设定 .....27

有限元仿真 .28

考虑结合面时主轴刀柄系统静刚度仿真 .....28

结合面参数识别 .....28

结合面等效弹簧模型的建立 .........29

结合面等效弹簧模型的仿真结果及修正 .30

本章小结 .........33

第 5 章 总结与展望 .......34

结论 .....34

展望 .....34

插图索引 .36

表格索引 .38

参考文献 .39

致 谢 .......40

声 明 .......41

附录 A 外文资料的书面翻译 ....41

附录 B 基于千分表测量手段的主轴刀柄静刚度实验 59

附录 C 径向刚度实验曲线 ........63

附录 D 轴向刚度实验曲线 ........76

附录 E BT 刀柄结合面静刚度模型等效弹簧参数识别程序 ...88

在学期间参加课题的研究成果 .92

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