卧式加工中心主轴静刚度特性的试验研究
机床主轴系统静刚度分析及实验研究
机床主轴系统静刚度分析及实验研究寸花英;袁胜万;崔岗卫;李江艳【期刊名称】《机床与液压》【年(卷),期】2015(43)1【摘要】In order to study the characteristics of static stiffness of the machine spindle system, a spindle⁃bearing system model of ahigh⁃performance machining center was established, which including the spindle rotor and the bearing. The components model of spindle system was built by the finite element method ( FEM) , composed with thequasi⁃static model of the ball bearing, the finite ele⁃ment model of the spindle system was obtained, and the static stiffness of the spindle system was obtained through calculating. The test experiment of static stiffness was carried out to verify the correctness of the theoretical calculation results. The results show that the the⁃oretical calculations and the experimental results are corresponding quite well, so the accuracy of the FEM is proved. Besides, due to the damping effect and friction function inside spindle system, the unloading static stiffness is greater than the loading static stiffness. At the same time, certain amount of nonlinearity of axial static stiffness is existed.%为研究机床主轴系统静刚度特性，建立一种高性能加工中心主轴－轴承系统模型，该模型包括主轴转子和轴承。
机床主轴系统综合静刚度测定实验指导书07级
机械设计制造及其自动化专业实验实验指导书机床主轴系统综合静刚度测定实验重庆汽车学院实践教学及技能培训中心二零一零年三月机床主轴系统综合静刚度测定实验一、实验目的1、在卡盘夹持工作的状态下测定加载点处主轴系统（包括主轴部件、卡盘、工件）的综合静刚度，以便和同类车床相应的刚度值作比较。
2、测定主轴系统各组成部分变形在系统综合变形中占的比例，找出影响住轴系统综合刚度的薄弱环节。
3、通过实验，掌握静刚度测定实验数据分析的基本方法。
二、实验原理主轴系统的综合静刚度k可采用下式表达：k=p/（1）或w=1/k=/p （2）式中 w—主轴系统的综合静刚度。
（n/kgf）—工件在加载点的绝对变形（相对于主轴箱体）P—作用在工件上的静载荷（kgf）主轴系统的综合静刚度直接影响加工误差（锥度和复映误差等）。
静刚度过弱也是引起振动的重要原因。
因此对主轴系统进行综合刚度的考核时很有必要的。
但是主轴系统的综合静刚度仅反映主轴系统各组成部分在静载时的综合变形，不能用于分析各部分变形对综合刚度的影响程度。
为此，必须进一步找出主轴系统各部分变形影响到工件加载点处的变形，根据它们各自在综合变形中所占的百分数，便可确定各部分对综合刚度的影响，并找出其中的薄弱环节。
本次实验对象是车床，车削主要是在卡盘夹持的状态下工作。
这时，车床主轴系统由主轴部件（主轴与轴承）、卡盘、工件三部分组成。
由于卡盘和工件自身的刚度很大，在忽略其变形时，受静载p作用，主轴系统的总变形由三部分组成：（1）由于主轴部件（主轴和轴承）变形而影响到工件加载点处的变形z；（2）由于主轴与卡盘联接部的接触变形而影响到工件加载点处的变形k；（3）由于卡盘与工件在夹持部的变形而影响到工件加载点处的变形j。
用式子表示则为：（本实验工件自身的变形可以忽略）=z+k+j （3）这时，（2）式变为：w-/p=z/p+k/p+j/p （4）（4）式右边各项wz=z/p，wk=k/p，wj=j/p分别表示主轴部件，主轴与卡盘联接部分，卡盘与工件夹持部分在加载处的静柔度。
机床主轴动静态性能实验研究
表 ２ 主轴 静 态 变形 测试 数据 表 １主 轴静 态变 形测 试数 据 （ 第一 次 测试 ） （ 第二 次测 试 ） 主轴 作 为 机 床 的 主要 组 成 部分 ， 其 性能 的好 坏 直 接 决 定 了机 床 的性 能 的高 低 。 主轴 单 元 的动 静态 特 性 加载力 刀柄前端位移 刀桶前喘位侈 裁力 刀柄前端位移 刀柄前端位移 加 裁次数 卸裁次数 卸载力 卸貔撇 卸戟力 包 括 主轴 的变 形 、 共振频率 、 临 界转 速 和 动 态 响应 等 ， 加载次数 【 Ⅳ ） （ ｕ ｍ ） （Ｌ Ｌ ｍ ） １ Ｎ ） （ ｍ ） 其对主轴的速度和精度性 能有极大的影 响， 主轴性能 初 始值 ０ ０ 初始值 ０ ＿ ２ ９ 初始值 初始值 ７ 测试实验ｆ 堤 研究主轴动力学特性及工作性 能的重要 １ １ ０７ ２ ８ １ １ ｃ２ ３ １ 儿１ １Ｏ ｌ ０７ 吧 ５ 组成部分 ， 在理论研究的基础上 ， 通 过 实 验 测 试 验 证 ２ ０１ ８ ３ ２ ８ ９ ２ １ —４ ９ ２ ｌ ９８ １． ８ 理论模型的正确性和精确性 ，对于完善理论 模型 ， 进 ３ ０ Ｌ ４ ３ 。 。 ７ １ ａ ０ ３ ｏ ７ １ ３ １ ３ ２ ｃ ２ １ ４ ９ 而使 理论 仿真结果可以直接指导主轴的设计计算 以 ４ ０１ １ ９ １ ４ ∞ ０ ４ ４ ｃ ３ ＆９ ４ ３ ９ ４ ３ 及 推 广 理论 仿 真 的应 用 研究 具 有重 要 意 义 。 ５ 。 ６ 斟 １ ５ 翻 ７ ５ ５０ １ １ ｇ ９ １主轴 静 刚 度测 试 实验 ∞ ｌ 凰 ８ ６ ｓ 循 ｌ ａ ４ Ｓ ５ ９９ ３ 主轴 静 刚度 是 主 轴轴 承 和 主轴 刚度 的综 合 反 映 ， ７ ０５ ３ ５ ７ ３ ８ ５ ７０ ４ ３１ ９ 在 高速 运 转过 程 中 ，机床 主 轴 在 静 刚 度 值 低 的情 况 ８ ｌ ２９ ８ ８ ０２ ８ ８。 ３ ４ｌ ＿ ９ ８ ８ｃ ２ ４ ４ ９ 下， 会 出现挠度 增加 ， 变形加大 ， 影 响加工精 度等 问 ９ ９ ０ ０ ４ ７ ５ ９ 螗 ８ ９ １ ５ ３ ５ ８ ９ ９ ０ ０ 她 Ｉ 题。 掌握准确 的主轴静刚度值是提高机床加工精度的 １Ｏ ｌ０１３ ｌ ０ ｌ ０ １ ２ ４ ｌ １ ９ ９ Ｓ ４ ａ ｌ ５５ ２ １ ０ １ Ｏ１ ３ ５ ５ ２ 前提 条 件 之 一 ， 而 对 主轴 进 行 静 刚度 测 试 是 获 得 静 刚 根 据实 验 步 骤对 主 轴进 行 加 载 条件 下 静 刚度 测 试 实验 ， 按 照上 度最直接 ， 最有效 的方法 。 本文先后进行了主轴静 刚度测试实验、 模 文所述实验步骤重复测量三次 ， 主轴前端在载荷作用下 的静态变形 态测 试 实 验 、 动态 响 应测 试 实 验 、 频 率 响 应 函数 测试 实 验 测试 数 据分 别 如 表 １ 、 表 ２和表 ３ 所示。 Ｉ ． １实 验 内容 和 目的 表 ３主 轴静 态 变形 测 试数 据 （ 第 三 次测 试 ） 主轴静刚度口 是 指 在 切 削 力 的作 用下 主轴 抵 抗 变 形 的能 力 ， 通 加载 次数 加载 力 刀柄 前端位 卸载次 数 卸载 力 刀柄前 端位 常 以 主轴前 端 产 生 单位 位 移 时 ， 在位 移 方 向 上所 施 加 的作 用力 来 表 （ Ｎ ） 移 （ Ｉ Ｉ ） 移 （ ｍ ） 示。现对某机床厂生产的 Ｔ Ｇ Ｋ ４ ６ １ ０ ０高精度数控 卧式坐标镗床主轴 初始 值 ０ — １ ０ 初始值 ０ — ９ ４ 进行 静 刚度 测 试 ， 采 用 加载 装 置 对 主 轴 垂 直方 向进 行 加 载 ， 并 利 用 １ １ ２ ６ — ２ ． ５ ｌ １ ０ ４ — ２． ９ ２ ２ １ ０ １ ． ６ ２ ２ ０ ９ ３ ３ 千分表测量刀杆前端 位移。 根据静刚度定义对测量数 据进行拟合得 ３ ３ ０ ５ ７ ． ４ ３ ２ ９ ５ ８ ． ４ 到加载力与变形拟合 曲线 ， 其斜率 即主轴系统的静刚度。 ４ ４ １ ４ １ ２ ． ４ ４ ３ ９ ３ １ ４ １ 当在机床 主轴与工作 台之 间，沿 与 ｘ轴 、 Ｙ轴 和 ｚ轴夹 角为 ５ ５ １ ６ １ ９ ． ０ ５ ４ ８ ３ １ ９． ４ ３ ０ ０的方向施加静载荷时， 分别测量主轴相对工作 台在 ｘ向、 Ｙ向、 ６ ６ １ １ ２ ３ ， ９ ６ ５ ９ ７ ２ ５． ９ ｚ向 的 位移 ， 以得 到 主 轴 部件 相 对 于 机 床工 作 台 的径 向静 刚度 和 轴 ７ ７ ０ ９ ３ ０ ．１ ７ ７ ０ ０ ３ ２ ． １ 向刚度 。 ８ ８１ ９ ３ ６ ． ０ ８ ７ ９ ３ ３ ７ ０ ９ ． ９１ １ ４ １ ． ８ ９ ９ ０ ８ ４ ４． １ 在 工作 台和 主轴 系统 之 间施 加 作 用力 ， 测量 主轴 系统 相 对 于 工 １ ０ １ ０ ０ ４ ４ ７ １ ｉ ０ １ ００ ４ ４ ７ ． １ 作 台面 的变形 ， 寻找 机 床 的受 力薄 弱 环 节 。 试 验结 果 分 析 ： 机床在承受切削力作用下抵抗变形 的能力 ， 直接影响到机床的 对于以上测试数据进行拟合 ， 得到静刚度表达式和拟合 曲线， 加工效 率 ， 间接反 映了机床抵抗切削颤振能力 ， 同时也反映了机床 所示 。 结 构设 计 ， 机 床 各 主要 部 件 的刚 度 强 弱 和 刚 度分 配 是 否 合 理 ， 材 料 拟合曲线斜率即静刚度值。如图 ２ 的选用是否达到最佳 等。 １ ． ２试 验条 件 实验仪器包括 ： 力加载装置 ， 用于径向力加载 ； 力传感器 ， 型号 Ｅ 为中国航天科技集团公司 Ｙ Ｆ Ｆ 一 ６ — １ ０ ８ ， 通过数显装置即可读取力的 蹬 大小 ； 千分表 ， 精度 为 ０ ． Ｏ ０ １ ｒ ｎ ｍ， 用 于测 量 主 轴 在 力 负 载 下 的 变 形 遒
机床静刚度实验报告
机床静刚度实验报告机床静刚度实验报告引言：机床静刚度是指机床在静止状态下对外力的抵抗能力，是机床性能的重要指标之一。
静刚度实验是评价机床性能的一种重要手段。
本实验旨在通过测量机床在不同工况下的变形情况，分析机床的静刚度性能。
实验目的：1. 测量机床在不同工况下的变形情况，获得机床的刚度曲线。
2. 分析机床的静刚度性能，评价其稳定性和刚性。
实验装置：1. 机床：实验采用一台X型龙门铣床作为实验机床。
2. 传感器：采用应变片传感器和位移传感器对机床进行测量。
3. 数据采集系统：使用压力传感器和位移传感器，将测得的数据传输至计算机。
实验过程：1. 实验前准备：检查机床的各项参数，确保机床处于正常工作状态。
2. 安装传感器：将应变片传感器和位移传感器分别安装在机床的关键部位，如主轴箱、工作台等。
3. 实验步骤：根据实验要求，逐步改变机床的工况，如改变进给速度、切削深度等，同时记录传感器所测得的数据。
4. 数据采集与分析：将传感器所测得的数据通过数据采集系统传输至计算机，进行数据分析和处理。
5. 结果展示：根据分析结果，绘制机床的刚度曲线和变形图。
实验结果与分析：根据实验数据，我们绘制了机床的刚度曲线和变形图。
从刚度曲线可以看出，机床的刚度在不同工况下存在差异。
在切削深度较小、进给速度较慢的情况下，机床的刚度较高，能够有效抵抗外力的作用。
而在切削深度较大、进给速度较快的情况下，机床的刚度较低，容易发生变形。
通过变形图可以观察到机床在不同工况下的变形情况。
在切削深度较小、进给速度较慢的情况下，机床的变形较小，表现出较好的稳定性和刚性。
而在切削深度较大、进给速度较快的情况下，机床的变形明显增加，表现出较差的稳定性和刚性。
实验结论：通过本次机床静刚度实验，我们得出以下结论：1. 机床的静刚度与工况有关，切削深度和进给速度的增加会导致机床的刚度降低。
2. 机床的静刚度与稳定性和刚性密切相关，刚度越高，机床的稳定性和刚性越好。
数控机床主轴静动态特性分析与优化设计
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。
【最新版】机床主轴系统综合静刚度测定实验报告书
机械设计制造及其自动化
专业实验
实验报告书
实验项目名称: 机床主轴系统综合静刚度测定
学年：学期：
入学班级：
专业班级：
学号：
姓名：
联系电话：
指导老师：
一、实验目的：
二、实验原理：
三、实验装置及实验方法：
五、实验数据整理分析及变形计算简图：
六、思考题
1、主轴系统变形图中的加载、卸载曲线并不重合，说明什么问题？
2、根据各部分的变形比例，说明主轴部件那些部分是刚度的薄弱环节？可以通过那些措施来提高刚度？
3、当加载力由240kgf减为120kgf时，按重新得到的数据就算W的结果是否与240kgf加载的结果一致？试说明其理由。
实验一 机床静刚度实验
实验一机床静刚度实验一、实验目的：通过实验，使学生进一步了解由机床（包括夹具）一工件一刀具所组成的工艺系统是一弹性系统，在此系统中因切削力、零件自重及惯性力等的作用，工艺系统各组成环节会产生弹性变形及系统中各元件之间若有接触间隙，在外力的作用下会产生位移，并且熟悉机床静刚度的测量方法和计算方法，从而更深的理解机械制造工艺中的工艺设备及其对零件加工质量的影响，提高学生分析和处理问题的能力。
二、实验装置机床一台静刚度测定装置一套图1 机床静刚度测定装置图三、实验方法与步骤1、如上图所示，在机床的两顶尖间装夹一根刚度很大的光轴1 (光轴受力后变形可忽略不计)。
2、将加力器5固定在刀架上，在加力器与光轴间装一测力环4。
3、在测力环内孔中固定安装一个千分表，当对如图1所示安装的测力环施加外力时，其中的千分表指针就会变动，其变动量与外载荷之间对应关系可在材料试验机上预先测出，千分表2、3、6的指针也会因与之接触部位的位移而变动。
4、实验时用扳手扭转带有方头的螺杆7，以施加外载荷（Fy）。
然后读出靠近在车头，尾座和刀架安放的千分表（2）、（3）、（6）的读数，并记录下来填入表1中。
根据以上数据，计算出床头、刀架和尾座的受力F 头、F 刀和F 尾。
为了说明尾座套筒伸出长度对刚度的影响，实验时可将套筒分别伸出5mm 和105mm 。
并分别测出千分表读数和计算出刚度的数值，填入表2中。
三、静刚度的计算为了计算方便，实验时可将测力环抵在刚性轴的中点处。
故机床、床头、刀架它们之间的刚度关系可以用下式表示：22)LX (j 1)L X -L (j 1j 11尾头刀机++=j实验时将测力环对准光轴中间，即X=L/2时，则上式简化为)j 1j 1(41j 11尾头刀机++=j 式中：头头头Y F j =；刀刀刀Y F j =;尾尾尾Y F j = 四、画出尾座套筒分别伸出为5mm 、105mm 时尾座的刚度曲线图。
其中横座标为尾座位移量Y 尾，纵座标为F 尾值。
机床静刚度测定实验报告
机床静刚度测定实验报告一、实验目的。
本实验旨在通过测定机床的静刚度，了解机床在不同工况下的刚度特性，为机床的使用和维护提供依据。
二、实验原理。
机床的静刚度是指机床在受力作用下的变形能力，通常用刚度系数K表示。
在实验中，我们通过在机床上施加一定的力，测定机床的变形量，从而计算出机床的静刚度。
三、实验仪器与设备。
1. 拉压力传感器。
2. 变形测量仪。
3. 机床。
四、实验步骤。
1. 将拉压力传感器安装在机床上，并连接至变形测量仪。
2. 在机床上施加一定的力，记录下拉压力传感器的输出值。
3. 根据拉压力传感器的输出值，计算出机床的变形量。
4. 根据机床的变形量和施加的力，计算出机床的静刚度。
五、实验结果与分析。
经过实验测定和计算，得到了机床在不同力作用下的静刚度系数K。
通过对实验结果的分析，我们发现机床的静刚度与施加力的大小成正比，这表明机床在受力作用下的变形能力与施加的力呈线性关系。
同时，我们还发现在不同位置施加力对机床的静刚度也有一定影响，这提示我们在使用机床时需要注意力的施加位置。
六、实验结论。
通过本次实验，我们成功测定出了机床的静刚度，并对其进行了分析。
实验结果表明机床的静刚度与施加力的大小成正比，同时受力位置也会对静刚度产生影响。
这些结果为机床的使用和维护提供了重要的参考依据。
七、实验总结。
本次实验通过测定机床的静刚度，使我们更加深入地了解了机床在受力作用下的特性。
同时，实验过程中我们也发现了一些问题和不足之处，这为今后的实验和研究提供了一定的启示。
八、参考文献。
[1] 张三, 李四. 机床静刚度测定方法及实验研究[J]. 机械工程学报, 2010, 32(4): 123-128.[2] 王五, 赵六. 机床静刚度测定技术及应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2015.以上就是本次机床静刚度测定实验的报告内容，谢谢阅读。
MGK7350数控高精度卧轴圆台平面磨床静刚度分析的开题报告
MGK7350数控高精度卧轴圆台平面磨床静刚度分析的开题报告开题报告论文题目: MGK7350数控高精度卧轴圆台平面磨床静刚度分析一、问题具体阐述MGK7350数控高精度卧轴圆台平面磨床是一种精度较高的加工设备，其主要用于对圆台平面进行高精度的加工。
然而，在进行加工的过程中，若床身静刚度不足，则会对加工精度和工件表面质量造成影响，甚至导致整个加工过程无法顺利进行。
因此，对MGK7350数控高精度卧轴圆台平面磨床的静刚度进行分析具有重要的理论研究与实际应用价值。
二、问题分析与研究目标2.1 问题分析MGK7350数控高精度卧轴圆台平面磨床的床身静刚度主要包括机床基础、机床的支撑结构以及轴承等因素。
因此，需要对MGK7350数控高精度卧轴圆台平面磨床的结构进行深入分析，以找到可能存在的静刚度薄弱环节，同时找到提高静刚度的措施和方法。
2.2 研究目标和意义本文旨在研究MGK7350数控高精度卧轴圆台平面磨床的床身静刚度问题，并针对其存在的问题，提出相应的解决方法。
该研究对于提高MGK7350数控高精度卧轴圆台平面磨床的加工精度和工件表面质量有着重要的意义。
三、研究方法和步骤3.1 研究方法本文采用了理论分析与数值分析相结合的方法，分别从床身结构和支撑结构两个方面对MGK7350数控高精度卧轴圆台平面磨床的静刚度进行分析，并对其进行了仿真计算以验证理论分析的有效性。
3.2 研究步骤本研究主要分为以下几个步骤：（1）对MGK7350数控高精度卧轴圆台平面磨床的床身结构进行静刚度理论分析，找出可能存在的静刚度薄弱点，提出针对性的优化方案。
（2）对MGK7350数控高精度卧轴圆台平面磨床的支撑结构进行理论分析，并进行静刚度仿真计算，根据仿真结果找出可能存在的问题，并提出针对性的优化方案。
（3）依据优化方案进行仿真计算，并与原设计方案进行比较，验证优化方案的有效性。
（4）对比实验验证仿真计算所得结果，确定MGK7350数控高精度卧轴圆台平面磨床的静刚度优化方案。
机床静刚度测定实验报告
机床静刚度测定实验报告1.了解机床静刚度的概念和特征。
2.学习测定机床静刚度的方法。
3.运用实验数据对机床静刚度进行分析和评估。
仪器设备1.回路式测量仪。
2.单柱式万能试验机。
3.直线轴承和滑动轴承。
实验原理机床静刚度是指机床在静力作用下，从位置改变所需的力量和形变的量的比值。
机床静刚度包括了机床的刚性、变形和振动特性。
虽然静刚度的定义是一个比值，但为方便起见，通常使用力学刚度和形变刚度来表述。
力学刚度是机床在单位力作用下，床身产生的刚度变化量。
形变刚度是机床在单位刚度变化下的力量变化量。
测量机床静刚度的方法主要有自激振动法、悬臂梁法、回路法等。
其中回路法是目前最常用的一种测量机床静刚度的方法。
回路法是将测力仪和测压仪组成一个回路，以测量机床的变形量。
该方法适用于测量处于静止状态的机床并精度比较高。
实验步骤1.安装直线轴承和滑动轴承，分别测量机床的力学刚度和形变刚度。
2.根据机床的变形规律和受力情况，选择合适的位置安装测量器。
3.拧紧测量仪和测量器，调整它们的相对位置，并进行初步调整。
4.开始测量，记录数据并分析。
实验结果通过对机床静刚度的测量，得出了机床的力学刚度和形变刚度，数据如下：力学刚度：1000 N/m形变刚度：0.1 mm/N然后，根据实验数据计算出机床的回路法静刚度为1300 N/m。
这表明机床处于静态稳态，并具有良好的刚度、变形和振动特性。
结论1.机床静刚度是机床在静止状态下，从位置改变所需的力量和形变量的比值。
2.回路法是测量机床静刚度的一种常用方法。
3.机床静刚度包括了机床的刚性、变形和振动特性。
4.实验结果表明机床具有较高的静刚度，能够满足使用要求。
机床主轴动静态性能实验研究
机床主轴动静态性能实验研究主轴刚度是机床主轴系统重要性能指标，它反映了主轴单元抵抗静态外载荷的能力，与负荷能力及抗振性密切相关。
现对某型高精度数控卧式坐标镗床主轴刚度进行试验测试，验证理论模型的正确性，为进一步的理论分析及仿真提供可靠性依据。
标签：主轴刚度；坐标镗床；试验分析引言主轴作为机床的主要组成部分，其性能的好坏直接决定了机床的性能的高低。
主轴单元的动静态特性包括主轴的变形、共振频率、临界转速和动态响应等，其对主轴的速度和精度性能有极大的影响，主轴性能测试实验[1]是研究主轴动力学特性及工作性能的重要组成部分，在理论研究的基础上，通过实验测试验证理论模型的正确性和精确性，对于完善理论模型，进而使理论仿真结果可以直接指导主轴的设计计算以及推广理论仿真的应用研究具有重要意义。
1 主轴静刚度测试实驗主轴静刚度是主轴轴承和主轴刚度的综合反映，在高速运转过程中，机床主轴在静刚度值低的情况下，会出现挠度增加，变形加大，影响加工精度等问题。
掌握准确的主轴静刚度值是提高机床加工精度的前提条件之一，而对主轴进行静刚度测试是获得静刚度最直接，最有效的方法。
本文先后进行了主轴静刚度测试实验、模态测试实验、动态响应测试实验、频率响应函数测试实验1.1 实验内容和目的主轴静刚度[2]是指在切削力的作用下主轴抵抗变形的能力，通常以主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所施加的作用力来表示。
现对某机床厂生产的TGK46100高精度数控卧式坐标镗床主轴进行静刚度测试，采用加载装置对主轴垂直方向进行加载，并利用千分表测量刀杆前端位移。
根据静刚度定义对测量数据进行拟合得到加载力与变形拟合曲线，其斜率即主轴系统的静刚度。
当在机床主轴与工作台之间，沿与X轴、Y轴和Z轴夹角为300的方向施加静载荷时，分别测量主轴相对工作台在X向、Y向、Z向的位移，以得到主轴部件相对于机床工作台的径向静刚度和轴向刚度。
在工作台和主轴系统之间施加作用力，测量主轴系统相对于工作台面的变形，寻找机床的受力薄弱环节。
三轴卧式加工中心主轴静刚度仿真与试验研究
机床 与液压
ＭＡＣＨＩ ＮＥ ＴＯ０Ｌ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩ ＣＳ
Ａｕ ．２ ２ ｇ ０１ Ｖｏ ． ０ Ｎｏ ５ １ ４ ．１
第４ ０卷 第 １ ５期
ＤＯ ： ０ ３ ６ ／．ｓｎ １ ０ Ｉ １ ．９ ９ ｊ ｉ ． ０ １—３ ８ ． ０ ２ １ ． ０ ｓ ８ １２ １ ．５ ０４
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基于ANSYS的卧式加工中心静刚度分析
基于ANSYS的卧式加工中心静刚度分析作者：暂无来源：《智能制造》 2017年第8期机床整体静刚度是机床抵御恒定载荷的能力，是机床的重要性能指标之一。
本文利用ANSYS 有限元软件，分析研究HMC50e 卧式加工中心整机刚度，寻找机床的薄弱环节，并对整机的结构改进提供理论基础。
一、引言为了满足我国汽车、模具、航空航天及国防军工等行业的装备需要，我厂自主研发出一款卧式加工中心HMC50e。
此款机床具有高效率、高精度和高刚性的特点，静刚度是金属切削机床重要的性能指标之一，所以提升机床的静刚度更有利于提高机床的效率、加工精度和表面加工质量。
本文通过ANSYS 有限元分析软件对HMC50e 卧式加工中心进行静刚度分析，并寻找机床的薄弱环节。
二、建立有限元模型有限元分析方法是简单有效的刚度分析方法，其基本思想是将结构进行有限元离散化，各个单元之间通过有限元节点连接，根据有限元基本理论建立有限元总体平衡方程，最后求解分析。
HMC50e 的有限元模型依据其三维SolidWorks 模型建模，包括主要的基础大件和传动部件。
首先对模型进行简化，去掉机床外围件，如水箱排屑器、气动液压润滑件；忽略机床内外防护件，刀库本体（因刀库本体有地脚支撑）；保留床身、立柱、主轴箱、转台及交换台站等；保留传动部组件。
如图1 和图2 所示为简化前后机床结构对比图。
然后将简化好的三维模型传送到ANSYS 中，开始进行单元的选择、实常数的确定、材料特性的确定、网格划分。
最后划分的模型由240596 个单元，522713 个节点组成，如图3 所示。
三、整机分析过程及结果在做HMC50e 卧式加工中心整机的刚度分析时，需要确定主轴工作时刀具端在各个自由度方向的变形，同时还要确定工件端各个自由度方向的变形，从而确定整个机床的刚度。
首先进行只受重力状态下的整机变形情况，然后分别在刀具端和工件端的对应面上施加X、Y、Z 三个方向的模拟切削力观察机床整机的变形情况。
机床主轴部件静刚度研究与试验
机床主轴部件静刚度研究与试验机床主轴是机床的核心部件之一，是完成加工任务的关键部件。
因此，主轴的性能直接影响加工精度，主轴部件静刚度研究是机床研发中不可缺少的工作。
本文将从静刚度研究的必要性、静刚度的定义、影响因素、测试方法和多轴动态力试验台的应用等方面介绍机床主轴部件静刚度研究与试验。
一、静刚度研究的必要性机床主轴部件静刚度研究是机床研发中非常必要的一项工作。
一方面，如果主轴部件的静刚度较差，加工时会产生振动和位移，导致加工精度下降，降低了机床的生产效率和加工质量。
同时，主轴部件的静刚度还与加工质量、精度、效率和寿命等因素直接相关，对于提高生产效率、降低加工成本等方面都有重要的作用。
二、静刚度的定义静刚度是指结构在无外力作用下抵抗变形的能力，它是描述结构抵抗变形和保持初始形状的重要参数。
机床主轴部件静刚度是指主轴部件在负载情况下的刚度，它直接影响主轴的运行状态和机床的加工精度等参数。
三、影响静刚度的因素影响机床主轴部件静刚度的因素非常多，下面列举几个主要的因素：1、支撑结构的刚度支撑结构的刚度是影响机床主轴部件静刚度的关键因素之一。
支撑结构的刚度越大，就越能抵抗主轴部件的变形和振动，从而提高主轴部件的静刚度。
2、轴承的刚度机床主轴部件的轴承也是影响静刚度的因素之一。
轴承的刚度越大，就越能抵抗主轴部件的变形和振动，从而提高主轴部件的静刚度。
3、工件质量工件的质量也会对机床主轴部件的静刚度产生影响。
工件的质量越高，工件所产生的负载就越小，从而减小了主轴部件发生变形的可能性。
四、测试方法测量机床主轴部件静刚度的方法有很多，其中包括静载荷试验法、双向钻孔法、旋转转子-静态负载法、多点位移法等。
选择相应的测试方法需要根据具体的条件来确定，并且要注意测试仪器的稳定性和准确性。
五、多轴动态力试验台的应用多轴动态力试验台是一种能够模拟实际工况下机床轴承负载情况的试验设备，能够对各种机床部件进行静、动刚度等各种性能测试。
加工中心静刚度特性分析及实验研究[1]
![加工中心静刚度特性分析及实验研究[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/4c8af276a26925c52cc5bf45.png)
Sta tic R ig id ity Character istic Ana lysis and Exper im en ta l Research of M ach in ing Cen ter X IN Zh i2jie, ZHA I N ing
( College of M echan ica l Eng ineer ing and Automa tion, North Un iversity of Ch ina, Ta iyuan 030051, Ch ina ) Abstract: The influence to sta tic r ig id ity of mach in ing cen ter includ ing sta tic r ig id ity of ba ll screw、servo system、pr inc ipa l ax is and tools system、roll gu ide and so on is ana lyzed w ith theoretic ana lysis m ethod. Tak ing stand type mach in ing cen ter V ICTO R a s an exam ple, using num ber con trol and screw structure add ing force the sta tic r ig id ity of Z and X d irection between end surface of pr inc ipa l ax is and worktable is m ea sured. The result of m ea sure show tha t sta tic r ig id ity of mach in ing cen ter is not h igh in ev idence than comm on mach ine tool. Th is g ives an use for reference to design of mach in ing cen ter structure and system and cho ice of plann ing param eter etc. Key words: mach in ing cen ter; sta tic r ig id ity; factor of influence; exper im en ta l m ea surem en t
实验二-机床静刚度的测试北华航天工业学院
JC
FC YC
六、实验结果讨论及实验需要改进之处
北华航天工业学院实验报告
实验评分标准
过程控制 90 分以上
80-90 分
70-80 分
60-70 分
60 分以下
按时参加实验，
原始数据记录 实验表现 完整，自觉遵守 （权重 0.2） 实验室规则。
按时参加实验，原 按时参加实验，原始按时参加实验，原 实验迟到，原始
造数据及处理
过程。
实验报告评语：
成绩： 指导教师：
2022 年 11 月 4
完成基本操作，能 能完成基本操作，能完 成 基 本 实 验 操 导 下 完 成 基 本
与同组成员配合。 与同组成员配合。
作，基本能与同组 成员配合。
实验操作，被动 参与实验。
报告书写规范、
整洁，原理表述
清楚，实验内容 实验报告 及 步 骤 与 实 际
（权重 0.6） 相符，数据处理 过程完整，结果
表示正确。
报告书写规范、整 报告书写整齐，原理报告书写潦草，但 报告书写潦草，
洁，原理及实验内 及实验内容表述基本原理及实验内容表 原 理 与 实 验 内
容表述基本清楚， 清楚，数据处理不够述清楚，数据处理 容不相符，数据
数据处理过程基本 完整或结果有效数字过程有错误。 完整，结果表示基 不正确。 本正确。
处理过程有较 严重错误或编
始数据记录基本完 数据基本完整，基本始数据有部分记录 数 据 记 录 不 完
整，遵守实验室规 则。
能 够 遵 守 实 验 室 规不完整，基本遵守
则。
实验室规则。
整，有违反实验 室规则现象。
实验过程熟练， 操作规范，动手 实验操作 能力强，能协同 （权重 0.2） 同组成员。
机床静刚度测定实验报告
机床静刚度测定实验报告机床静刚度测定实验报告引言：机床静刚度是衡量机床刚性和稳定性的重要指标，对于机床的精度和工作效率具有重要影响。
本实验旨在通过测定机床静刚度来评估机床的性能，并对实验结果进行分析和讨论。
一、实验目的本实验的主要目的是测定机床的静刚度，具体包括刚度系数和刚度矩阵的测定。
通过实验结果，评估机床的刚性和稳定性，并为机床的使用和维护提供参考依据。
二、实验原理机床静刚度是指机床在受力作用下产生的变形与受力之间的关系。
在实验中，我们使用加载法来测定机床的静刚度。
具体原理如下：1. 刚度系数测定刚度系数是指机床在受力作用下产生的变形与受力之间的比值。
在实验中，我们通过在机床上施加不同大小的力，测量机床的变形量，然后计算刚度系数。
通常，刚度系数可分为纵向刚度系数和横向刚度系数，分别对应机床在纵向和横向受力时的刚度。
2. 刚度矩阵测定刚度矩阵是描述机床刚度特性的矩阵，可以用来分析机床在不同方向受力时的刚度变化。
在实验中，我们通过在机床上施加力矩，测量机床的转动角度，然后计算刚度矩阵。
刚度矩阵可以用来评估机床在不同方向受力时的刚度响应。
三、实验步骤1. 准备工作：确保机床处于稳定的状态，并进行必要的调整和校准。
2. 刚度系数测定：在机床上施加不同大小的力，测量机床的变形量，并记录数据。
3. 刚度矩阵测定：在机床上施加力矩，测量机床的转动角度，并记录数据。
4. 数据处理：根据实验数据计算刚度系数和刚度矩阵，并进行分析和讨论。
四、实验结果与分析根据实验数据计算得到的刚度系数和刚度矩阵如下所示：纵向刚度系数：X = 1.5 N/mm横向刚度系数：Y = 2.0 N/mm刚度矩阵：K11 = 1.6 N/mm K12 = 0.8 N/mmK21 = 0.8 N/mm K22 = 1.2 N/mm从实验结果可以看出，机床在纵向和横向受力时的刚度系数略有差异，说明机床的刚度在不同方向上存在一定的差异。
刚度矩阵的结果显示，机床在不同方向上的刚度响应也存在差异，这对于机床的使用和维护提出了一定的要求。
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分表 ， 度 ００ １ ｎ 用 于 测量 主轴 在力 负载 下 的 精 ． ， ０ ｍｌ
变 形 量 ；标准 检棒 ，承 受 已知 载荷 。 测试 如 图 １所示 ， 以 向静 刚度 测试 为例 ，将 千分表 置 于主 轴端 部 ，并 使干 分表 的表 针 与支 架侧
Ｙ向￣］ ｍｍ Ｂ／
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ｚ向变／／ ｎ ｇｍ］
Ｘ
８ｅ ０ ｙ
＝ ． ７６１９４ ８３ ３７ ６ ． ０ ＋ ２
＝ ． ７ 氏－９ ６ ３９ １． ５ ４３ ６
（ ５ｈ机床三方 向静 刚度 曲线 ｅ ０ ）
＝３７ ９ ６ １６ ８ ９ ３ Ｆｕ ．６ ６ － １２ ９ ０ ． ２ ｇ＋ ． １ ＝３９ ４ ６ ｕ２ ． ５
机床 ，尺寸大 的机床 主轴 静刚度要高于尺寸小的机床 ；采用 电主轴结构 的机床主轴静刚度要高于 同类型采用机械
式主轴 结构 的机床 。研 究结果可 以对 国产卧式加工 中心改善主轴部件静 刚度设计提供参考 。 关键词 卧式数控加 工中心 主轴 静刚度 预加载荷
数 控机 床主 轴 是整 个机 床 的核心 部件 ，对于 卧 式加 工 中心 ，它 带动 刀具 实现 切 削运动 ，因此主 轴
变 形量 。
承型 号 、数量 和配 置 形式 ，前 后支 承距 离 ，主轴悬 伸长 度 以及传 动 形式 等 。本 文针 对 多种形 式 主轴 的
一
系 列 卧式数 控 加工 中心 开展 静 刚度特 性研 究 ，找
出最 佳 的主轴 刚 度配 置 。
１ 静刚度测试 试验 仪 器包 括 ：永正 称重 传感 器 １ １ Ｈ，精度 ０Ｂ
精密 制造 与 自动化
２ １ 年第 ３ ０１ 期
卧式加工 中心主轴静 刚度特性 的试验研 究术
仇健 李 晓飞 刘志强 马晓波
（．沈 阳机床 （ 团） 限责任 公 司 沈 阳 １０ ４ ； １ 集 有 １ １ ２ ２ ．沈 阳北方 交通 重 工集 团
摘 要
沈 阳 ｌ０ ０ ） ０ １ １
图 １ 主 轴静刚度 测试仪器布
２ 计算 分 析
主 轴静 刚度 函数 为
向孔 轴线 位 于 同一水平 面 ，调 整 ｙ坐标 ， 同时
观察千分表读数，使主轴轴线与千分表表针位于同 水 平面 ；在检 棒端 部加 力 ，读 取 向变形 量 ，每
一
＿Ｆａｌ 』 ｌｌ ． ＝ｄ — ｂ
【 ＝ ｕ ｄ－ ｂ
隔 ５ ０Ｎ 加 载一 次 ，直到 负载 达到 ３０ ０Ｎ 开始卸 ０ ０ 载 ，同样每 隔 ５ ０Ｎ 卸载 一次 直至 全部 卸载 ，分别 ０ 记 录不 同负载 下 的加卸载 主 轴变 形量 ； 同理 可得 ’ ，
部件 的精 度 、静 刚度 、抗振 和热 变形 能 力对 加工质 量有 直 接影 响 。主 轴静 刚度 是数 控机 床 最基 本 的性 能 ，而 主轴 的抗 振 性和 热变 形与 动 刚度和 热 刚度 有 关 。数 控 机床 既要 完 成粗 加工 又要 完成 精加 工 ，因
９
精 密制 造与 自动 化
２ １ 年第 ３ ０１ 期
刚度采 样 点 ，拟 合得 静 刚度表达 式 （ 见表 １ ）和 拟
合 曲线 ，如 图 ２所示 。可 以看 出各组测 试 获得 的静 刚度 曲线都 为 直线 ，并且 拟合精 度 很 高。
表 １ 各种 卧式加工 中心主轴静刚度
型号 方向
图 ２ 各种 卧式加工 中心主轴静 刚度 曲线
Ｚ
Ｘ ６ｅ ３ ｙ
介 绍 了卧式数 控加 工 中心主轴 的静 刚度 特性所 开展 的试 验研 究 。根 据预加 载荷 测得 的静 刚度 试验数
据 ，应 用最 小二乘法拟合得到主轴在加载和卸载 时的静刚度 曲线 。研究后发现 ，主轴 卸载 刚度 大于 加载 刚度 ；相
同结构 尺寸机 床 ，主轴 最高 转速低 的机 床主 轴静 刚度要 高于 主轴最 高转 速高 的机床 ；相 同最 高转速和 结构 的
刚 度和 拟合 曲线 截距 。
（ １ ）
式 （ ）中，ａ、ａ、ｂ、ｂ 别为 加载 和卸 载 时的 １ ｌ ｌ 分 对 机床 各 方 向进 行测 量 ，获得 机床 ３方 向的静
木“ 高档数控机床与基础制造装备 ”科技重大专项课题
（ 号 ：０ ０ Ｘ ４ １ — １ ） 编 ２ １Ｚ ０ ０ ６ ０ １
此 ，对 主 轴逐 渐 刚度要 求 较高 ，研 究其静 刚 度特 性 对 于 提 高整机 性 能影 响很 大 。 数 控 机 床 主 轴 刚 度 主 要 反 映 主 轴 抵 抗 外 载 荷 的 能力 。其影 响 因素众 多 ，包括 主轴 尺 寸形 状 ，轴
向变 形量 ；ｚ 向测试 已知 力在检 棒轴 线 处加 力 ，读 取 ｚ向变 形 量 ，并且令 千 分表表 针 与支架 顶部 孔轴 线 组成 的平 面 与 Ｘ Ｙ平面 垂 直 ，记录 不 同载荷 下 的 －
卸载静刚度
－３ ５ １４ ｕ １ ． １ － ．０ ６ 一 ８ ８ ５ ５ ＝３４ ５Ｏ 一 ０ ２ ３ １ ．２ １ ．４
Ｘ 向变形， ｌ ｍｉ ｌ
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一
加载静 刚度
＝３２ ８５ ￣２ ４ ７ ５ ． ７ ｆ＋ ． ６ ｉ ＝ ．４ ６＋１８ ３ ３ ４ ８ １ ．７１９