现在,一个国家的产业水平特别是制造业始终占据着极其重要的部分,同时随着科技水平逐渐提高,制造业的自动化水平越来越高,特别是机床行业的发展,对国家制造行业的发展起到了不可低估的重要作用,随着现代科学技术的不断发展,机床继续朝着高速、高精度方向发展,因此对机床动力学的要求也在逐步提高,机床振动和动力学问题也在日渐突出。主轴系统是机床的重要组成部分,其振动特性直接影响整体性能和机床的加工精度,也是判断机床的安全性和可靠性的重要指标之一。对于具有高精度要求的主轴原则是转速高、回转精度高和振动小等要求。因此在设计主轴时考虑其动力学特性是很有必要的。本文以CJ190Z4型机床主轴系统实验模型为研究对象,从上述问题出发,本文主要进行了以下几个方面的分析:(1)采用Solidworks三维软件建立了机床主轴实验模型的三维仿真模型,把建立好的模型用ANSYS Workbench有限元分析软件的设计范围、参数化建模的方法,经过细节简化、均匀网格、把材料的属性分配给单位等步骤后,建立了机床主轴的简化有限元模型,得到机床主轴的前六阶固有频率及相应的振型分析图、临界转速。(2)本文对主轴系统用有限元分析软件完成了静力分析、模态分析和谐响应分析。通过对机床主轴进行静力学分析获得主轴的静刚度、主轴在一定载荷形式下的动、静态变形以及主轴系统的应力应变曲线。进行了机床主轴的模态分析、谐响应分析和临界转速分析,并由理论公式计算临界转速进行比较,对机床主轴动态分析数据提供支持和参考。(3)根据有限元法建立了二十个自由度机床主轴系统的动力学模型,首次提出考虑偏心轴弹性、轴承弹性和底部弹性,建立了基于拉格朗日方程和弹性理论的机床静态变形和动态平衡的有限元方程,建立了主轴振动系统运动微分方程。经过求解振动微分方程,获得模型的解析解。利用数值分析和计算机分析软件MATLAB计算了动力模型的固有频率和主振型。通过MATLAB软件进行仿真分析,研究分析了不同参数下如系统阻尼、刚度、偏心距和质量对主轴系统的幅频特性曲线,并通过幅频特性曲线分析弹性约束下振动的动力学特性。(4)对某公司机床主轴系统模型进行了单点拾振、多点激励的锤击试验,通过实验测试获得振动测试信号,得到了机床主轴模型的实际固有频率、阻尼比和相应的振动模态,并进行了模态矩阵校验,该实验验证了有限元仿真分析的合理性,经过实验和仿真的双方对比验证了实验模型和仿真结果的正确性。