立式加工中心床身静动态特性分析及优化
数控机床主轴静动态特性分析与优化设计
数控机床主轴静动态特性分析与优化设计数控机床主轴的静动态特性分析与优化设计在机床设计中扮演着重要的角色。
主轴的质量、刚度和动力性能直接影响着数控机床的加工精度和生产效率。
因此，针对数控机床主轴的静动态特性进行分析和优化设计是非常必要的。
首先，对数控机床主轴的静态特性进行分析是基础。
静态特性主要包括主轴的刚度、负载能力和转速范围。
刚度是指主轴在受力时的变形能力，直接影响着机床的切削精度。
负载能力指主轴能够承受的最大切削力或轴向力，取决于主轴的结构和材料。
转速范围则指主轴的最大和最小可工作转速，根据机床加工要求和主轴的功率决定。
其次，对数控机床主轴的动态特性进行分析是优化设计的重要环节。
动态特性主要包括主轴的运行平稳性、动态刚度和各模态的特性频率。
运行平稳性是指主轴在工作状态下的振动情况，对加工表面质量和刀具寿命有重要影响。
动态刚度是指主轴在受力时的变形能力在一定频率下的响应能力。
各模态的特性频率则表征着主轴在不同振动模态下的响应频率和振动幅度。
针对数控机床主轴的静动态特性，可以采取以下优化设计措施。
首先是通过优选材料和适当加工工艺来提高主轴的刚度和负载能力。
其次是采用适当的轴承和润滑方式，减小主轴的摩擦和磨损，提高运行平稳性。
此外，还可以通过调整主轴的结构和参数来提高动态刚度和各模态的特性频率。
例如，增加主轴的直径、改变轴承支撑形式等。
在数控机床主轴静动态特性优化设计过程中，还需要考虑与其他系统和结构的配合，如主轴驱动装置、刀具系统等。
同时，结合实际工艺要求和机床制造能力，进行多种参数的优化设计，以实现最佳的综合性能。
总之，数控机床主轴的静动态特性分析与优化设计是非常重要的工作，直接关系到数控机床的加工质量和生产效率。
通过对主轴材料、结构和参数的优化设计，可以提高数控机床主轴的静态刚度、负载能力和动态性能，进而提高数控机床的加工精度和生产效率。
立式加工中心床身结构动态特性有限元分析
ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆｔ ｈ ｅ ｂ ｅ ｄ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ．
Ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ Ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｎ Ｄｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ Ｃｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ Ｂｅ ｄ
Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ Ｖｅ ｒ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｃｅ ｎ ｔ ｅ ｒ Ｙ Ａ ＮＧ Ｙ ｕ － ｐ ｉ ｎ ｇ ， Ｚ Ｈ Ａ ＮＧ Ｓ ｅ ｎ ， Ｊ Ｉ Ｂ ｉ ｎ — ｂ ｉ ｎ ， Ｑ Ｉ Ｕ Ｚ ｉ — ｘ ｕ ｅ
ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｍ ｏ ｄ ａ ｌ ａ ｎ ｌｙ ａ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｂ ｅ ｄ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ 珊ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ｅ ｄ ａ ｐ ｐ ｌ ｙ ｉ ｎ ｇ Ａ ｎ ｓ ｙ ｓ￥ ￣ｗ ａ ｒ ｅ ． ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｉ ｆ ｒ ｓ ｔ ｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ｌ ａ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｉ ｅ ｓ
ｔ ｈ ｎ ａ ｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ， ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｉ ｆ ｒ ｓ ｔ ｎｄ ａ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ｌ ａ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｉ ｅ ｓ ｗ ｏ ｕ ｌ ｄ ｂ ｅ ｒＯ ａ Ｕ Ｓ ｅ ｄ ｅ ｍｉ ｌ ｙ ．Ｔ ｈ ｅ ｂ ｅ ｄ ｓ ｔ ｕｃ ｒ ｔ ｕ ｒ ｅ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｔ ｔ ｅ ｒ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｃ ｈ ｒａ ａ ｃｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ． ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｖ ｅ ｒ ｉ ｉ ｆ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌｉ ａ ｔ ｙ ｏ ｆｔ ｈ ｅ ｂ ｅ ｄ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍｅ ， ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｅ ｔ ｉ ｃ ｌ ａ ｂ ａ ｓ ｓ ｉ ｆ ｏ ｒ
立式加工中心床身结构设计(全套图纸)
摘要床身是立式加工中心非常重要的基础支撑件，它起到了支撑立柱、滑座、工作台等重要零部件的作用，主要承受机床的静载荷以及在加工时产生的切削负载。
床身的静动态性能直接影响机床的加工精度和稳定性,因此，床身结构的优化对于立式加工中心的发展具有十分重要的意义，本课题即结合沈阳机床厂VMC850B立式加工中心的性能特点与相关参数，对立式加工中心床身结构进行了科学系统的设计，具体内容如下：（1）借鉴于同类型的床身结构，根据VMC850B的整机结构设计了床身上表面布局，通过查阅《实用机床设计手册》《机械设计手册》等参考书，科学的设计了床身的截面形状，包括壁厚的选定以及加强肋、方孔、圆孔的合理布置。
同时对床身进行了受力分析并利用ANSYS软件对床身模型采取了静态力有限元分析。
（2）针对与床身相关的重要零部件，包括Y方向伺服进给系统的驱动电机、滚珠丝杠、直线导轨、轴承、联轴器，进行了分析与计算，并最终确立了型号与参数。
（3）提出了床身的精度要求，包含加工和装配过程中的几何精度。
关键词：立式加工中心；床身；结构设计；选型计算；有限元分析；精度设计AbstractThe bed is a very important basis for supporting parts in the vertical machining center, it plays a role that supporting the column, the slide, the workbench and some other important parts. The bed mainly withstands the static load of the machine tool and the cutting load in the processing. The static and dynamic performance of the bed directly affects the machining accuracy and stability. Therefore, the optimization of the bed structure has great significance for the development of the vertical machining centers. The subject, which is combined with the performance characteristics and parameters of the vertical machining center 850B of the Shenyang Machine Tool Factory, have designed the bed structure of the vertical machining center scientifically and systematically, the details are as follows:(1)Learnt from the bed structure of the same type and designed the layoutof the bed top surface under VMC850B’s whole structure, through accessingto <Practical Machine Design Manual> and <Mechanical Design Manual> and otherreference books, scientifically designed the cross-sectional shape of thebed, including the selection of the wall thickness as well as the reasonablelayout of the reinforcing rib, the square and circle holes. The subject alsodid the stress analysis for the bed and used the software called ANSYS todo the finite element analysis of the static force for the model of the bed.(2)For the important parts of the bed, including the Y-direction servofeed drive motor, ball screws, linear guides ,bearings and couplings, didthe analysis and the calculation, and eventually established the models andthe parameters.(3)Put forward the accuracy requirements of the bed, including thegeometric precision of the machining and assembly process.Keywords: the vertical machining ；center the bed ； structural design ；selection calculation finite element analysis ； precision design目录1 机床设计现状 (1)1.1 课题研究的背景和意义 (1)1.2 国内外研究现状与发展趋势 (2)1.3 本论文内容概要 (4)2 床身结构设计 (4)2.1 床身材料 (4)2.2 床身时效处理 (4)2.3 床身结构设计 (5)2.3.1床身重要表面设计 (5)2.3.2床身截面形状设计 (5)2.4 床身热变形 (10)2.5 床身结构确定方案 (11)3 床身零部件的计算与选型 (12)3.1 Y方向滚珠丝杠副的选择 (12)3.1.1 初步计算丝杠导程 (13)3.1.2 滚珠丝杠副当量载荷与当量转速计算 (14)C (17)3.1.3计算预期额定动载荷am (18)3.1.4 估算滚珠丝杠允许最大轴向变形m3.1.5估算滚珠丝杠副的底径 (18)F (20)3.1.6 计算滚珠丝杠副预紧力p3.1.7 滚珠丝杠副剩余结构尺寸确定 (20)3.2 伺服电机的选择 (21)3.2.1电机的负载转矩计算 (21)3.2.2 惯量匹配计算 (22)T计算： (24)3.2.3空载启动时最大加速力矩maxa3.2.4快速空载启动时所需最大启动力矩T计算 (24)M3.2.5 电动机连续匀速工作时的最大力矩T (25)ms3.2.6 电动机输出端轴的直径计算 (25)3.3 滚动轴承的选择 (25)3.3.1 滚动轴承使用条件 (26)3.3.2 初选止动球轴承型号 (26)3.3.3 止推轴承组配方式 (26)3.3.4 止推轴承的选用计算 (27)3.3.5 圆柱滚子轴承的选型计算 (29)结论 (31)致谢 (33)参考文献 (34)1 机床设计现状随着机械制造业的飞速发展与竞争市场需求的不断扩大，数控机床的应用范围持续扩张，同时，为了应对市场日新月异的变化及加工要求难度的不断提高，数控机床产业的水平也在飞速进步，不断向高速化、复合化、高精度化、智能化转变。
加工中心床身的动态特性分析
图１ Ｍ ０４ ｄ Ｖ Ｃ ５０ 机床床身的三维模型
由于式 （ ）为耦 合方 程 ，对于 床身 这 种 自由度 １ 很 大 的系统 ，求 解 会 非 常 困 难 ， 因此 首 先 要 进 行模 态 分析 ，将耦 合方 程组解耦 。 对 式 （ ） 进 行 拉 式 变 换 ，并 引 入 模 态 坐 标 １ ｛｝ ｑ ，使 得
将 Ｖ ０ ４ ｄ机 床 床 身 的 三 维 模 型保 存 为 Ｐ — ＭＣ ５ ０ Ａ
ＲＡ Ｏ Ｉ Ｓ ＬＤ格 式 并 导 入 Ａ Ｓ Ｓ中 。要 进 行 有 限 元 分 ＮＹ
析 ，必 须 对 Ｖ Ｃ ５０ Ｍ ０４ ｄ床 身 的模 型 进 行 一 些 假 设 ， 才能利 用 相 关 理 论 求 解 。假 设 Ｖ Ｃ ５０ Ｍ ０４ ｄ床 身 为 定 常线性 系 统 ；作 为床 身 材 料 的 铸 铁被 认 为是 各 向 同
［ ｛ ｔ ｝＋［ ］ ｔ ｝ Ｋ ｛ ｔ ｝＝ ｛ （） Ｍ］ （） Ｃ ｛ ） ＋［ ］ （ （） Ｆ ｔ｝
（） １
其 中 ， ［ ］ ［ ］ 和 ［ ］ 分别 为 系统 的 质 量 、阻 、 Ｃ Ｋ 尼和刚 度矩阵 ， ｛ （） ￡ ｝和 ｛ （） Ｆ ｔ｝分 别 为系统 各
由 以上 分 析 可 以看 出 ，Ⅳ 自由度 振 动 系 统 的响
应 ，相 当于 在 Ⅳ个 模 态 坐 标下 单 自由度 系统 的 响应
之 和 ，这就 是模 态叠加 原理 。
床在工作时会受到交变切削力和旋转件不平衡引起的
动态力 的作用 ，引起 机床 的振动 。如果 振动 的 幅度超 出了机 床的允许 范围 ，就会 影 响加工 精度 ，使工 件 的 表 面质量恶化 ， 剧刀具磨 损 等 ，甚 至导致 机 床不 能 加 正常工作 。因此 ，在 对其进 行设 计 和分析 时 ，仅 考 虑 静态特性 是不够 的 ，还要研究其 动态特性 。 １ 构 动 态 分 析 理 论 基 础 ．结
基于AnsysWorkbench的立式加工中心床身有限元分析和优化设计
［１］ 李德雨．基于 ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ 的多层波纹管自振频率 计算［Ｊ］．矿山机械，２００５，（６）：Ｐ８３－８４．
［２］ 王艳辉．精密机床床身的模态分析与结构优选［Ｊ］．机械设 计与制造，２００５，（３）：Ｐ７６－７７．
第 ３１ 卷 第 ９ 期 ２００９－０９ 【１３１】
由于机床机构过于复杂，采用 ＷＯＲＫＢＥＮＣＨ
自动划分网格，在 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 中一般不需要选取单
元类型，划分方法是Ｈｅｘ Ｄｏｍｉｎａｎｔ 运用的是四面体 与六面体结合的划分方式，由于在导轨处有许多无
图 ３ 机床床身 １ 阶模态云图
法简化的小的阶梯，在这些地方采用局部的细化网
格的方法来划分，得到 ４４４８３ 个单元 １３５１４４ 个节点。
度，应该使有限元模型尽量简化。同时建立有限元 模型时，应合理选择单元类型，并在编排节点时， 尽量减少相关单元的节点号差、带宽，以减少资料 存储量。ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ 和 ＰＲＯＥ 具有直接的 双向接口，可以在 Ｐ Ｒ Ｏ Ｅ 中建模然后再导入 ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ 进行计算。 １．１ 建立物理模型
件。通过机床主电动机功
率和机床加工工件的最 大尺寸，以及主轴转速，计算机床的额定扭矩和额 定力，由 Ｆｘ：Ｆｙ：Ｆｚ＝０．３：０．５：１．０ 得到 ３ 个切削分力，计 算立柱，床鞍，主轴箱等构件的重量并将上述重量 均作为作用在床身上的附加质量处理，即在相应坐
快，但要求比 Ｓｕｂｓｐａｃｅ 法内存多大概 ５０％。Ｂｌｏｃｋ Ｌａｎｃｚｏｓ 法采用稀疏矩阵方程求解器［２］。
床身的实际结构很复杂，有繁多的筋板、曲面、 窗孔，各处厚度不相同，几何形状也多变。为了适 应有限元计算，必须将其简化处理，略去许多不影 响床身刚度的细微结构（如小倒角、小圆弧、小凸 台等）。简化后的床身模型如图 １ 所示。
高速立式加工中心床身静动态特性分析及优化设计
高速立式加工中心床身静动态特性分析及优化设计高速立式加工中心床身静动态特性分析及优化设计引言：高速立式加工中心是一种先进的机床设备，广泛应用于航空航天、汽车零部件、模具制造等领域。
床身作为高速立式加工中心的支撑结构，其静态和动态特性对加工精度和工作稳定性具有重要影响。
因此，在设计和制造过程中对床身的结构优化和动态特性分析是至关重要的。
1. 床身结构设计和分析1.1 结构设计高速立式加工中心床身的设计主要考虑到机床的刚性,稳定性，和振动抑制等特性。
床身通常采用整体铸造或焊接结构，以确保高强度和刚性。
在设计过程中，首先需要通过有限元分析确定合适的床身结构和尺寸。
有限元分析可以模拟床身在载荷作用下的应力分布和位移情况，为床身的优化设计提供依据。
1.2 床身静态特性分析床身的静态特性是指在不考虑外界作用力的情况下，床身的变形和应力分布情况。
通过有限元分析可以得到床身在不同载荷下的应力、变形和位移等参数，进而评估床身的刚性和稳定性。
2. 床身动态特性分析及优化设计2.1 动态特性分析床身的动态特性是指在加工过程中床身的振动和共振情况。
它对加工精度和工作稳定性具有重要影响。
通过模态分析和动力学仿真可以研究床身的共振频率和振动模式，进而优化床身的结构。
2.2 动态特性优化设计床身的动态特性可以通过以下几个方面进行优化设计：2.2.1 结构调整根据动态特性分析的结果，可以对床身的结构进行调整。
例如，通过改变床身的刚度分布或增加支撑梁的数量来改善床身的共振频率和振动模式。
2.2.2 材料选择选择合适的材料可以改变床身的动态特性。
比如采用高强度、低密度的材料可以提高床身的刚度和降低共振频率。
2.2.3 减振措施在床身设计中引入减振措施可以有效地降低振动幅度和共振频率。
例如，通过在床身中添加减振材料或减振结构实现振动的消除或抑制。
结论：通过对高速立式加工中心床身的静动态特性分析与优化设计，可以改善床身的结构刚性和振动特性，提高加工精度和工作稳定性。
一种数控机床床身的动力学分析与优化设计
一种数控机床床身的动力学分析与优化设计随着现代工业技术的不断发展，数控技术已经成为了制造业领域中的重要组成部分，越来越多的数控机床被广泛应用于生产制造中。
数控机床的床身是其重要的动力学组成部分，因此床身的动力学分析与优化设计对于提高数控机床的生产效率、降低生产成本甚至提高产品的质量都有着重要的作用。
床身的动力学分析：动力学分析是指床身在运行中的受力情况和变形情况的分析，采用有限元分析方法对床身进行建模。
在分析过程中，需要考虑机床的不同工况下的动力特性，如切削力、振动力等，同时考虑床身的材质和结构对应的刚度、耐疲劳性等因素。
通过数值计算得到床身的应力、应变、振动情况等关键参数，为其后续的优化设计提供依据。
床身的优化设计：将动力学分析结果作为基础，针对床身在机床生产过程中的实际情况，提出优化设计方案。
床身优化设计的目标是在保证床身结构的稳定性和刚度的基础上，尽可能地减小床身变形，降低机床振动，延长床身寿命并提高数控机床的工作效率。
优化设计的途径包括选择更适合的材料，改进床身的结构和工艺，优化加工工艺和降低生产成本等。
此外，在设计过程中需充分考虑能源效率与环境保护，提高机床的制造质量与性能，为推进制造业的可持续发展创造条件。
总之，床身的动力学分析与优化设计是数控机床制造中必不可少的一项工作。
通过严格的动力学分析和合理的设计优化，能够极大地提高数控机床的生产效率，降低生产成本，提高制造质量，推动制造业的可持续发展，进一步构建“中国制造2035”的国家战略。
数据分析是一种重要的分析方法，通过数据分析可以有效地发现数据的规律和特征，在业务决策、市场分析、资源策划等方面起到了重要的作用。
以下是一个示例：假设某企业在过去一个月内销售了X款产品，从销售数据中提取以下数据：产品名称 | 销售数量 | 销售额 | 平均单价--------|---------|-------|-------产品1 | 3000 | 45000 | 15产品2 | 2500 | 75000 | 30产品3 | 1000 | 40000 | 40产品4 | 500 | 12500 | 25总计 | 7000 | 172500| 24.6从数据中我们可以看出，公司主要销售两种类型的产品，一种是价格较低，销售数量较多的产品(如产品1)，另一种是价格较高，销售数量较少但销售额较高的产品(如产品2)；同时，公司还生产了一些高端、紧缺产品(如产品3)，每个产品卖出的单价都较高，但是销售数量较少，销售额也不高。
立式加工中心VMC850E床身结构动态特性分析
Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｄｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ Ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｖｅ ｒ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｃｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｓ ＶＭＣ８ ５ ０ Ｅ Ｂ ｅ ｄ
Ｌ Ｉ Ｕ Ｂｏ －ｃ ｏ ｎ ｇ，Ｌ１ Ｙａ ｎ，ＸＩ Ｅ Ｚｈ ｉ － ｋ ｕｎ，Ｓ ＨＩ Ｋｅ － ｋｅ ，ＬＵ Ｐｉ ｎ ｇ
测试数据对比， 验证有限元模型的准确性， 为计算床身动态响应提供可靠的有限元模型， 提 出了一种预判床身动态性
能ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ方法。
关键词 ： 模态 ； 有限元 ； 动态 响 应 中图 分 类 号 ： Ｔ Ｈ１ ６ ； Ｔ Ｇ ６ ５ ９ 文 献标 识 码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ １ — ３ ９ ９ ７ （ ２ ０ １ ３ ） １ ０ — ０ １ ６ ０ — ０ ３
机 械 设 计 与 制 造
１ ６ ０
Ｍａ ｃ ｈｉ ｎ ｅ ｒ ｙ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ
＆
Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ
第ｌ ０期 ２ ０ １ ３年 １ ０月
立式加工中心 Ｖ Ｍ Ｃ ８ ５ ０ Ｅ床身结构动 态特性分析
刘伯聪 ， 李 焱， 谢志坤， 史科科 ， 路 平
（ 沈 阳机床（ 集团） 设计研究 院有限公 司， 辽宁 沈阳 １ １ ０ １ ４ ２ ）
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中，与外界载荷无关，与运动状态无关，通过模态分析可以识别系统
的各种模态参数，为结构系统的振动分析、振动故障诊断和预报、结
构动态特性的优化设计提供依据。对于模态分析，振动频率 ωi 和 模态 准i 是由下面的方程计算出来的；（［K］-ω［i M］｛准｝i ）=0
这里假设刚度矩阵［K］、质量矩阵［M］是定值，这就要求材
The Static&Dynamic Characteristic Analysis and Optimization of Vertical Machining Centre Bed
GAO Dong-qiang，CHEN Chao-qun，MA Jin-feng，YANG Fei
（Mechanical and Electrical Engineering，Shaanxi Universitity of Science & Technology，Shaanxi Xi’an 710021，China）
计中，考虑到应力分布问题等情况，不能将所有红色区域全部切 除，在 SolidWorks 三维绘图软件中将原床身切除部分区域，同时
增大床身内部筋板的厚度，这样得出床身模型，如图 5 所示。
0.000
0.500
1.000（m）
0.250
0.750
（a）一阶
0.000
0.500
1.000（m）
0.250
0.750
料是线弹性的、使用小位移理论不包括非线性、无阻尼（［C］）、无
激振力[6]。首先，在 SolidWorks 软件中建立床身的实体模型，然后
转化成 IGES 格式并导入到 ANSYS Workbench 中，取床身材料弹
性模量为 160GPa，泊松比为 0.25，密度为 7200kg/m3，进行模态分
阶固有频率值，如表 2 所示。由表中数据可知，床身的前六阶固有 生谐响应的振动情况。结合 X 方向的响应图谱可以推断出：x 方
频率中关键的前四阶固有频率都有所提高，只有第五阶略有降 向上，400Hz、500Hz、700Hz、800Hz 附近发生明显的共振情况，由
低，但它不影响其性能，因此总体来说其动态特性有所提高。
此可知这些频率点为优化后床身的约束固有频率，且在这些固有频
表 ２ 固有频率分析结果 Ｔａｂ．２ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｎａｔｕｒａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｒｅｓｕｌｔｓ
模态数
1 2
方案一 561.3 589.6
固有频率（Hz） 改进结构 566.23 599.15
率点处床身在 x 方向上的变形较大；在 y 方向上 400Hz、500Hz、 950Hz 附近发生明显共振，由此可知这些频率点为床身的约束固有 频率，且在这些固有频率点处床身在 y 方向上的变形较大；在 z 方 向上 400Hz、700Hz、1000Hz、附近发生明显共振，由此可知这些频 率点为床身的约束固有频率，且在这些固有频率点处床身在 z 方
第 12 期
机械设计与制造
2013 年 12 月
Machinery Design ＆ Manufacture
221
立式加工中心床身静动态特性分析及优化
高东强，陈超群，马金锋，杨 飞
（陕西科技大学，机电工程学院，陕西 西安 710021）
摘 要：以 DVG850 立式加工中心床身为研究对象，采用 SolidWorks 软件对 V 字加强筋形式的床身进行三维建模，通过 专有程序接口将模型导入到 ANSYS Workbench 软件中。利用 ANSYS Workbench 有限元分析软件对该床身进行静力学 分析和模态分析，根据分析结果了解其静、动态特性。然后应用 ANSYS Workbench 中的拓扑优化模块对床身 V 字加强筋 的床身结构进行优化和改进，经过分析可以得到优化后的床身静动态性能都有所提高，而且将原床身的质量减轻了 19.1kg。另外，对改进的床身进行了谐响应分析，分析结果与模态分析一致。 关键词：床身；Workbench；静动态特性；拓扑优化；谐响应分析 中图分类号：TH16；TG659 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2013）12-0221-03
析，得出前六阶固有频率和阵型。前三阶阵型图，如图 3 所示。前
六阶固有频率值，如表 2 所示。
0.000
0.500
1.000（m）
0.250
0.750
图 4 拓扑优化结果 Fig.4 Topology Optimization Results
4.2 床身的结构改进
拓扑优化结果为不规则形状，如图 4 所示。在实际的机床设
4 床身的拓扑优化及其验证
拓扑优化实际上是一种寻求模型最优结构的方法，某些情况
0.00
500.00
1000.00（mm）
250.00
750.00
（a）X 方向
0.00
500.00
1000.00（mm）
250.00
750.00
（b）Y 方向
下也可以称之在给定的区域内得到最优的材料分布。拓扑优化的目 标是，在受到给定约束的情况下，为了使某个目标量（总体刚度、自 振频率等）最小化或最大化而寻求实体材料的最佳使用方案[7]。
3
621.35
625.57
4
734.15
739.11
5
766.83
744.42
6
928.32
933.77
4.5 优化后的床身系统的谐响应分析
模态分析仅能提供高速加工中心床身的相对振动情况，而
向上的变形较大。优化后的床身前六阶固有频率为 566.23Hz、 599.15Hz、625.57Hz、739.11Hz、744.42Hz、933.77Hz，其相应的振 型和从曲线的推断一致，在曲线中显示的谐响应分析结果与模态 振型相吻合。
1 引言
孔等进行了适当的简化[3]。简化后床身实体模型，如图 1 所示。
机床的静态特性是指机床在静态力作用下的变化特性，而
机床的动态特性是指机床在振动状态下的特性，床身是机床的重
要基础件，它的静、动态特性直接影响机床的加工精度及稳定性。
要想高速立式加工中心的具有良好的静态特性，就必须要保证床
身的静动态特性[1]。利用 ANSYS Workbench 软件对 DVG850 床身
（b）二阶
图 5 优化后的床身结构 Fig.5 After Optimization of the Lathe Bed Structure
4.3 改进前后床身静力学分析结果比较
对改进后的床身进行静力学分析，可得出 X 向、Y 向、Z 向 位移变形量，如表 1 所示。由表中数据可知，改进后床身的 X 方
No.12
Ｄｅｃ．２０１３
机械设计与制造
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向和 Y 方向的最大位移量均有减小，Z 方向变化不大，满足设计 要求，且优化后的床身质量减轻 19.1kg。
表 １ 各方向最大变形量 Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｘｉｍｕｍ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
结构
X 向位移（mm） Y 向位移（mm） Z 向位移（mm）
783N，9500N 均布面力，来模拟床身在实际加工时受到的各个方
向的力。经过求解得出床身 x、y、z 三方向的变形云图，如图 2 所 示。各向最大变形量值，如表 1 所示。
0.000
0.50
0.750
（c）三阶 图 3 床身的前三阶振型 Fig.3 The Three Modes of Lathe Bed
4.1 床身拓扑优化
有限元模型的创建与静力学分析的相同，分析类型选择为
“Shape Optimization”，其加载的载荷与静态分析的相同，设置优
化目标为 30%，进行求解运算，得出优化结果，如图 4 所示。其中
部分所示为建议删除的部分。
0.00
500.00
1000.00（mm）
250.00
750.00
Abstract：The bed of DVG850 vertical machining center is seen as a research object，using SolidWorks software to achieve a three-dimensional modeling of V-shaped stiffener forms of reinforced lathe bedstructure，and a proprietary program interface will model into ANSYS Workbench software. The static analysis and modal analysis of the Worktable are done by means of ANSYS Workbench. The static and dynamic characteristics are understood according to the calculation results. And then by applying ANSYS Workbench in topology optimization module on its V word stiffener the lathe bed structure is optimized and improved. After the analysis it can be obtained that after optimization the static and dynamic performance are improved，and the original body mass is reduced by 19.1kg. Besides，harmonic response analysis of improved lathe bed is carried out，the results of the analysis coincided with the modal analysis. Key Words：Lathe Bed; Workbench；The Static and Dynamic Characteristics；Topological Optimization；Harmonic Response Analysis