摘 要
高速主轴系统作为现代数控机床的核心部件，其动力学稳定性直接影响加工精度与效率，随着主轴转速的不断提升，振动问题日益突出，成为制约高性能加工的关键因素为此，本文针对高速主轴系统的动力学稳定性展开深入研究，旨在揭示主轴系统在高转速工况下的振动特性及其影响机制，并提出有效的稳定性优化方法研究中采用理论建模、数值仿真与实验验证相结合的方式，首先基于有限元法建立了包含轴承-转子-支承结构耦合效应的动力学模型，考虑了陀螺效应对系统动态响应的影响，同时引入时变刚度和阻尼参数以更准确地描述实际运行条件其次，通过频域分析与特征值求解，确定了主轴系统的临界转速及不稳定区域，并结合模态分析探讨了不同结构参数对系统稳定性的作用规律此外，为提升主轴系统的抗振性能，设计了一种主动控制策略，利用压电执行器实现对关键部位振动的有效抑制最终，通过搭建实验平台对理论预测结果进行验证，实测数据表明所提出的模型与方法能够显著提高主轴系统的动力学稳定性本研究的创新点在于综合考虑了多场耦合效应与非线性动力学特性，提出了适用于高速主轴系统的稳定性评估与优化框架，为相关工程应用提供了理论依据和技术支持研究成果不仅有助于改善现有主轴系统的性能，还为未来更高转速条件下的设计优化奠定了基础关键词：高速主轴系统；动力学稳定性；振动特性；有限元建模；主动控制策略
Abstract
The high-speed spindle system, as a core component of modern CNC machines, plays a critical role in determining machining accuracy and efficiency. With the continuous increase in spindle rotational speed, vibration issues have become increasingly prominent, becoming a key factor that constrains high-performance machining. To address this challenge, this study conducts an in-depth investigation into the dynamic stability of high-speed spindle systems, aiming to reveal the vibration characteristics and influencing mechanisms under high-speed operating conditions and to propose effective stability optimization methods. A combined approach of theoretical modeling, numerical simulation, and experimental validation is adopted. First, a dynamic model incorporating the coupling effects of bearings, rotors, and supporting structures is established using the finite element method, considering the influence of gyroscopic effects on system dynamic responses. Time-varying stiffness and damping parameters are also introduced to more accurately describe actual operating conditions. Second, through frequency-domain analysis and eigenvalue solutions, the critical speeds and unstable regions of the spindle system are determined, and the modal analysis is employed to explore the influence laws of different structural parameters on system stability. Furthermore, to enhance the anti-vibration performance of the spindle system, an active control strategy is designed, utilizing piezoelectric actuators to effectively suppress vibrations at critical locations. Finally, an experimental platform is constructed to validate the theoretical predictions, and the measured data demonstrate that the proposed model and methods can significantly improve the dynamic stability of the spindle system. The innovation of this study lies in comprehensively considering multi-field coupling effects and nonlinear dynamic characteristics, proposing a stability evaluation and optimization fr amework applicable to high-speed spindle systems, thus providing theoretical support and technical guidance for relevant engineering applications. The research findings not only contribute to enhancing the performance of existing spindle systems but also lay a foundation for future design optimizations under even higher rotational speed conditions..
Key Words：High-Speed Spindle System；Dynamic Stability；Vibration Characteristics；Finite Element Modeling；Active Control Strategy
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 2
1.1 高速主轴系统动力学稳定性分析的研究背景 2
1.2 高速主轴系统动力学稳定性分析的研究意义 2
1.3 国内外高速主轴系统动力学稳定性研究现状 3
1.4 本文研究高速主轴系统动力学稳定性的方法 3
第2章 高速主轴系统的动力学建模与理论基础 5
2.1 高速主轴系统的动力学特性概述 5
2.2 动力学建模的基本原理与方法 5
2.3 主轴系统关键参数的数学描述 6
2.4 理论模型在稳定性分析中的应用 7
第3章 高速主轴系统的振动特性分析 8
3.1 振动特性的基本概念与分类 8
3.1.1 振动源的识别与特征提取 8
3.1.2 不同工况下的振动响应分析 8
3.1.3 模态分析在振动特性中的作用 9
3.1.4 振动信号处理技术的应用 9
3.2 主轴系统振动的非线性效应研究 9
3.2.1 非线性振动的产生机制 10
3.2.2 非线性振动对稳定性的影响 10
3.2.3 数值仿真在非线性分析中的应用 10
3.2.4 实验验证与结果对比 11
3.3 振动控制策略的设计与优化 11
3.3.1 主动控制技术的实现路径 11
3.3.2 被动控制方法的适用性分析 12
3.3.3 控制策略对系统性能的提升效果 12
3.3.4 控制参数的优化设计 13
第4章 高速主轴系统动力学稳定性评估与改进 14
4.1 稳定性评估的关键指标体系 14
4.1.1 系统刚度与阻尼的量化分析 14
4.1.2 转速对稳定性的影响规律 14
4.1.3 温度场对稳定性的作用机制 15
4.1.4 外部载荷对系统稳定性的影响 15
4.2 稳定性改进的技术手段研究 15
4.2.1 结构优化设计的理论基础 16
4.2.2 材料选择对稳定性的影响分析 16
4.2.3 润滑方式对摩擦力的调控作用 16
4.2.4 改进措施的综合评价方法 17
4.3 实验验证与案例分析 17
4.3.1 实验平台的设计与搭建 17
4.3.2 数据采集与处理方法 18
4.3.3 实验结果的分析与讨论 18
4.3.4 案例研究的实际应用价值 19
结 论 19
参考文献 20
致 谢 21
