机床核心部件的精度在很大程度上决定了机床整体的加工精度,而主轴系统是机床主要的核心部件之一。在精密切削加工中,机床主轴回转误差对加工精度的影响大约占30%-70%,对于加工精度越高的机床,则影响越大。针对主轴系统回转精度控制的相关研究现状及存在的问题,本文提出了“面向加工精度的机床主轴回转精度建模与分析技术”研究课题。研究目标为:通过建模仿真的方法,分析机床主轴各个回转误差源对加工精度的影响规律,为机床误差防止和误差补偿提供技术支持。首先通过机床主轴系统结构、特征、技术参数、回转误差源、加工精度影响因素等的定性分析,建立了系统化、通用性机床主轴回转误差数学模型。然后以虚拟加工技术为依托,通过所建模型将机床主轴回转误差映射到虚拟工件上,定量分析主轴回转误差源、其它加工精度影响因素对回转中心以及工件加工精度的影响规律(包括单一误差源、单一支承、多误差叠加综合作用效果)。最后通过简化处理的计算过程、更加精确的取样数据、计算程序的集成化处理、仿真界面的整合等,来实现本文的主轴回转误差对加工精度影响的定量分析与可视化仿真,并完成了研究内容的应用分析。本文主要研究工作如下:1.在系统分析了解机床主轴回转误差相关研究现状的基础上,针对当前研究中还存在的问题,提出了本研究课题,并确定了研究目标,即采用建模与仿真相结合的方法分析机床主轴回转误差源对加工精度的影响规律。最后简要介绍了本文的主要研究内容及其总体框架。2.简要介绍了典型机床主轴系统的结构、组成以及轴承的选型;重点分析了主轴回转误差的特点及其主要的影响因素,包括主轴本身、轴承、轴承孔本身的几何误差、受力变形以及热变形误差等。为了面向加工精度建模,分析归纳了工件加工精度的影响因素;根据加工过程中表面发生线与成形运动的关系,定性分析了刀具对工件加工精度影响。分析了本次研究的关键问题,确定了研究思路和研究方案。最后对本研究方案中将用到的基本理论及技术进行了简要介绍,包括:误差评定方法、齐次坐标变换原理及方法等。3.以主轴系统中最常用两支承结构为对象,建立主轴系统回转误差的数学模型。建模中考虑的主轴回转误差影响因素有:轴颈轮廓误差、轴承孔轮廓误差、轴颈轮廓同轴度误差、轴承孔轮廓同轴度误差、受力方向。为进行面向加工精度的分析,对加工精度的其他影响因素进行了分析及数字化建模,其他影响因素建模包括:主轴回转在工件表面的影响、刀具刀尖圆弧半径的影响、刀具运动的影响、工件表面发生线。实现了系统性、通用化机床主轴回转误差建模。以前支承轴颈轮廓误差为例,介绍了误差源对工件加工精度影响的定量分析方法,包括计算过程的简化处理以及误差源取样精度分析。通过前支承轴颈轮廓和轴承孔轮廓误差对加工精度影响的定量计算,分析了误差叠加的作用效果。为了分析主轴回转误差对加工工件的影响,研究了前后支承综合作用后的影响规律分析。然后进行方差分析实验,分析误差源影响加工精度的程度,重点分析了实验数据的采集与计算过程,并根据计算得到误差源影响的结果进行显著性判断。定量分析了加工精度的其他影响因素的作用效果,如:刀尖半径、悬伸比、进给量、受力方向角等。4.在MATLAB GUI交互界面中完成了回转误差对加工精度影响结果的可视化仿真,实现了多因素、多计算、多窗口的程序集成化处理,简单介绍了本文的可视化界面设计和使用。最后介绍了本文研究成果在主轴优化设计、误差评定及机床加工精度预测中的应用,并举例说明。