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數(shù)控機(jī)床加工精度與機(jī)床結(jié)構(gòu)、材料、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、加工過(guò)程有著密切聯(lián)系。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床向著高速、高精度、高性能的方向發(fā)展，對(duì)機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能提出了更高需求。因此對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能深入細(xì)致的研究是必要的。機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性是由其自身的質(zhì)量、阻尼、剛度以及外部激勵(lì)共同決定的。對(duì)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性研究包括了模態(tài)分析，諧響應(yīng)分析等分析。其中機(jī)床模態(tài)分析得到的結(jié)果是后面分析計(jì)算的基石，通常根據(jù)機(jī)床動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果來(lái)對(duì)機(jī)床進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到改善機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能的目的。
　　近些年國(guó)內(nèi)有許多針對(duì)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性的研究。其中文獻(xiàn)［1］中研究了機(jī)床振動(dòng)的基本理論，機(jī)床動(dòng)力學(xué)建模與動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法; 在文獻(xiàn)［2］中針對(duì)機(jī)床立柱的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析提出了一個(gè)新的基于拓?fù)鋬?yōu)化方法的立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效的提高了機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性; 文獻(xiàn)［3］對(duì)機(jī)床床身和立柱在有限元軟件中進(jìn)行了諧響應(yīng)分析; 文獻(xiàn)［4］、［5］中分別使用 Ansys work-
bench 和 ABAQUS 對(duì)機(jī)床工作臺(tái)和夾具進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì); 在文獻(xiàn)［6］中，針對(duì)板條狀結(jié)構(gòu)提出了基于變密度理論固體各向同性微結(jié)構(gòu)材料懲罰模型法的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法并且證明了該方法的實(shí)用性; 文獻(xiàn)［7］中將拓?fù)鋬?yōu)化的方法進(jìn)一步的推廣到更一般的多物理及多學(xué)科的問(wèn)題求解中，使得拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)在工程中得到更好的應(yīng)用; 文獻(xiàn)［8］在 Hypermesh 中完成了機(jī)床橫梁的輕量化設(shè)計(jì); 文獻(xiàn)［9］、［10］中分別在 Ansys 和
Abaqus 中對(duì)超高速機(jī)床主軸和立式加工中心進(jìn)
行了模態(tài)分析。
　　研究近些年的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性分析與優(yōu)化主要圍繞機(jī)床的立柱或者主軸箱局部部位展開(kāi)，很少有關(guān)注機(jī)床的整機(jī)動(dòng)態(tài)性能。因此將主軸箱作為首要的優(yōu)化目標(biāo)，立柱為次要改進(jìn)目標(biāo)，對(duì)機(jī)床整機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。采取拓?fù)渌惴▋?yōu)化主軸箱外形，同時(shí)增加筋板改善機(jī)床立柱動(dòng)態(tài)性能。仿真結(jié)果表明，這種優(yōu)化方案很好的改善了機(jī)床穩(wěn)定性。

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3 結(jié)束語(yǔ)
　　應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)加工中心機(jī)床整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。通過(guò)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，得到了機(jī)床的前 5 階固有頻率，并且分析機(jī)床在各階段的變形圖，得出主軸箱和立柱部位是影響機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵部件，其中主軸箱又是直接受力的部件。同時(shí)對(duì)機(jī)床進(jìn)行諧響應(yīng)分析，確定機(jī)床結(jié)構(gòu)對(duì)施加的 2 000 N 正弦激勵(lì)的響應(yīng)，得到了x 方向上響應(yīng)曲線(xiàn)，在 x 方向響應(yīng)曲線(xiàn)上可以看出一，二階固有頻率極大的影響了機(jī)床動(dòng)態(tài)性能。因此確定以機(jī)床主軸箱為主要目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，立柱為次要目標(biāo)。
采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法對(duì)機(jī)床主軸箱的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，基于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對(duì)主軸箱結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，并且為立柱兩側(cè)增加筋板。對(duì)重新設(shè)計(jì)的機(jī)床主軸箱和機(jī)床整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析。分析結(jié)果顯示，新的機(jī)床主軸箱各階固有頻率增幅為 10% 左右，機(jī)床整機(jī)各階固有頻率增幅為 4% 左右，共振峰值減少了 2. 274% 。對(duì)比結(jié)果表明，對(duì)主軸箱和立柱的優(yōu)化方案顯著的提高了機(jī)床部件和整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，具有很高的實(shí)用價(jià)值，為機(jī)床進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)依據(jù)。

立式加工中心動(dòng)力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

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