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虚拟仿真实训
辽宁工程技术大学
《计算机仿真实训》报告
班级：
机自13-2
姓名：
刘松
指导教师：
徐平
完成日期：
2017-01-10
任务书
一题目、主要内容和基本要求
（1）题目：
车床主轴的建模与仿真
（2）内容和基本要求
1．设计一个车床主轴组件，该主轴组件为具有如下性能参数的机床主轴，
参数
可加工最大工件直径
转速公比
φ
最高转速nmax（（rpm）
最低转速nmin（rpm）
驱动电机功率（kw）
（转速级数）
数值
360
1.41
1440
31.5
5.5
12
分析其功能要求，确定主要结构。
2.绘制主轴组件的装配图。
要求能够清楚表达出主轴组件主要结构，并结合图对其工作过程进行说明。
3.画出主轴零件的三维实体模型，并简要写出建模过程。
4.完成下列任务之一：
（1）画出主轴组件三维装配图及爆炸图；
（2）对主轴进行静态特性（应力、应变）（3）动态特性（前三阶模态）分析。
二、上交材料
1.课程设计说明书1份，8000字（正文10页）左右。
三、成绩评定
A
B
C
D
E
满分
得分
平时表现
勤奋好学，善于思考
勤奋积极，态度认真
比较勤奋
不够勤奋
不勤奋，态度不端正
20
建模质量，描述规范性
优秀
良好
中等
及格
不及格
30
说明书质量
内容全面，准确
内容全面，基本准确
内容一般，准确性一般
内容基本全面，有小错误
内容不全，错误较多
20
答辩
回答问题准确流利
回答问题比较准确
回答问题基本准确
回答问题欠准确
回答错误
30
总分
100
综合评定成绩：
□合格（总分≥60分）□不合格（总分＜60分）
指导教师：
日期：
摘要
车床主轴指的是机床上带动工件或刀具旋转的轴。
通常由主轴、轴承和传动件（齿轮或带轮）等组成主轴部件。
在机器中主要用来支撑传动零件如齿轮、带轮，传递运动及扭矩，如机床主轴；有的用来装夹工件，如心轴。
除了刨床、拉床等主运动为直线运动的机床外，大多数机床都有主轴部件。
主轴部件的运动精度和结构刚度是决定加工质量和切削效率的重要因素。
衡量主轴部件性能的指标主要是旋转精度、刚度和速度适应性。
①旋转精度：
主轴旋转时在影响加工精度的方向上出现的径向和轴向跳动（见形位公差），主要决定于主轴和轴承的制造和装配质量。
②动、静刚度：
主要决定于主轴的弯曲刚度、轴承的刚度和阻尼。
③速度适应性：
允许的最高转速和转速范围，主要决定于轴承的结构和润滑，以及散热条件。
本文从主轴的设计，三维建模，组件装配，有限元分析入手，分析和优化主轴设计。
关键词：
车床主轴，三维建模，有限元分析
Abstract
Lathespindlereferstomachinedrivestheworkpieceortoolrotatingshaft.Usuallybythespindle,bearingsandtransmissionparts（gearorbeltwheel）composedofspindleparts.Themachineismainlyusedtosupporttransmissionpartssuchasgears,pulleys,transmissionofmotionandtorque,suchasmachinetoolspindle;someusedforclampingtheworkpiece,suchasinadditiontospindleplaner,broachingmachineandothermainmovementintolinearmovementofthemachinetool,machinetoolspindle.Mosthavemotionaccuracyandstiffnessofthespindlestructureisanimportantfactorindeterminingtheprocessingqualityandcuttingefficiency.Tomeasurethespindleperformanceindicatorsaremainlyrotationaccuracy,stiffnessandspeedofrotationaccuracy:
adaptability.SpindlerotationWhenthedirectionaffectstheprocessingprecisionofradialandaxialrunout（seetolerances）,mainlydependsonthespindleandbearingmanufacturingandassemblyquality.Thedynamic,staticstiffness,bendingmainlydependsonthespindlestiffness,bearingstiffnessanddamping.Theallowablemaximumspeed:
adaptabilityspeedandspeedrange,mainlydependsonthebearingstructureandlubrication,andcoolingcondition.Thispaperfromthemaindesign,3Dmodeling,assembly,finiteelementanalysis,analysisandoptimizationofspindledesign.
Keywords:
lathespindle,3Dmodeling,finiteelementanalysis
目录
1主轴与各项分析作用的确定2
1.1机床主轴的作用和功能2
1.2机床主轴的发展方向和历史变革2
1.3计算机仿真和有限元分析对主轴设计的影响2
1.4有限元分析的作用3
1.5仿真设计和有限元分析的软件3
2主轴5
2.1主轴建模过程：
5
3、齿轮7
4、装配过程34
4.1打开主轴，定义为缺省34
4.2节选齿轮装配34
4.3最终结果图34
5爆炸图：
36
参考文献37
参考文献.................................................................................................11
1主轴与各项分析作用的确定
1.1机床主轴的作用和功能
机床主轴指的是机床上带动工件或刀具旋转的轴。
通常由主轴、轴承和传动件（齿轮或带轮）等组成主轴部件。
在机器中主要用来支撑传动零件如齿轮、带轮，传递运动及扭矩，如机床主轴；而有的主轴则是用来装夹工件，例如心轴。
大多数机床都有主轴部件。
主轴部件的运动精度和结构刚度是决定加工质量和切削效率的重要因素。
衡量主轴部件性能的指标主要是旋转精度、刚度和速度适应性。
①旋转精度：
主轴旋转时在影响加工精度的方向上出现的径向和轴向跳动（见形位公差），主要决定于主轴和轴承的制造和装配质量。
②动、静刚度：
主要决定于主轴的弯曲刚度、轴承的刚度和阻尼。
③速度适应性：
允许的最高转速和转速范围，主要决定于轴承的结构和润滑，以及散热条件。
1.2机床主轴的发展方向和历史变革
20世纪30年代以前，大多数机床的主轴采用单油楔的滑动轴承。
随着滚动轴承制造技术的提高，后来出现了多种主轴用的高精度、高刚度滚动轴承。
这种轴承供应方便，价格较低，摩擦系数小，润滑方便，并能适应转速和载荷变动幅度较大的工作条件，因而得到广泛的应用。
但是滑动轴承具有工作平稳和抗振性好的优点,特别是各种多油楔的动压轴承，在一些精加工机床如磨床上用得很多。
50年代以后出现的液体静压轴承，精度高，刚度高，摩擦系数小，又有良好的抗振性和平稳性，但需要一套复杂的供油设备，所以只用在高精度机床和重型机床上。
气体轴承高速性能好,但由于承载能力小,而且供气设备也复杂，主要用于高速内圆磨床和少数超精密加工机床上。
70年代初出现的电磁轴承，兼有高速性能好和承载能力较大的优点，并能在切削过程中通过调整磁场使主轴作微量位移，以提高加工的尺寸精度，但成本较高，可用于超精密加工机床。
电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。
电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：
电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置。
1.3计算机仿真和有限元分析对主轴设计的影响
计算机仿真是一种描述性技术，是一种定量分析方法。
通过建立某一过程或某一系统的模式，来描述该过程或该系统，然后用一系列有目的、有条件的计算机仿真实验来刻画系统的特征，从而得出数量指标，为决策者提供关于这一过程或系统的定量分析结果，作为决策的理论依据。
计算机仿真是一种描述性技术，是一种定量分析方法。
通过建立某一过程或某一系统的模式，来描述该过程或该系统，然后用一系列有目的、有条件的计算机仿真实验来刻画系统的特征，从而得出数量指标，为决策者提供关于这一过程或系统的定量分析结果，作为决策的理论依据。
1.4有限元分析的作用
有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。
还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。
有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。
这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。
由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。
有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是不久的事。
有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。
经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。
1.5仿真设计和有限元分析的软件
Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。
Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。
Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。
Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。
另外，它采用模块化方式，用户可以
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