立式加工中心动力学分析及结构优化研究

数控机床加工精度与机床结构、材料、伺服驱动系统、数控系统、加工过程有着密切联系。现代数控机床向着高速、高精度、高性能的方向发展，对机床的动态性能提出了更高需求。因此对机床动态性能深入细致的研究是必要的。机床的动态特性是由其自身的质量、阻尼、刚度以及外部激励共同决定的。对机床的动态特性研究包括了模态分析，谐响应分析等分析。其中机床模态分析得到的结果是后面分析计算的基石，通常根据机床动力学分析结果来对机床进行优化设计达到改善机床的动态性能的目的。
　　近些年国内有许多针对机床的动态特性的研究。其中文献［1］中研究了机床振动的基本理论，机床动力学建模与动态性能优化设计的方法; 在文献［2］中针对机床立柱的结构动力学分析提出了一个新的基于拓扑优化方法的立柱结构设计，有效的提高了机床的动态特性; 文献［3］对机床床身和立柱在有限元软件中进行了谐响应分析; 文献［4］、［5］中分别使用 Ansys work-
bench 和 ABAQUS 对机床工作台和夹具进行了结构优化设计; 在文献［6］中，针对板条状结构提出了基于变密度理论固体各向同性微结构材料惩罚模型法的拓扑优化设计方法并且证明了该方法的实用性; 文献［7］中将拓扑优化的方法进一步的推广到更一般的多物理及多学科的问题求解中，使得拓扑优化设计在工程中得到更好的应用; 文献［8］在 Hypermesh 中完成了机床横梁的轻量化设计; 文献［9］、［10］中分别在 Ansys 和
Abaqus 中对超高速机床主轴和立式加工中心进
行了模态分析。
　　研究近些年的文献发现，机床的动态特性分析与优化主要围绕机床的立柱或者主轴箱局部部位展开，很少有关注机床的整机动态性能。因此将主轴箱作为首要的优化目标，立柱为次要改进目标，对机床整机进行优化设计。采取拓扑算法优化主轴箱外形，同时增加筋板改善机床立柱动态性能。仿真结果表明，这种优化方案很好的改善了机床稳定性。

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3 结束语
　　应用有限元分析软件对加工中心机床整体结构进行了动力学分析。通过对整体结构的模态分析，得到了机床的前 5 阶固有频率，并且分析机床在各阶段的变形图，得出主轴箱和立柱部位是影响机床动态性能的关键部件，其中主轴箱又是直接受力的部件。同时对机床进行谐响应分析，确定机床结构对施加的 2 000 N 正弦激励的响应，得到了x 方向上响应曲线，在 x 方向响应曲线上可以看出一，二阶固有频率极大的影响了机床动态性能。因此确定以机床主轴箱为主要目标进行优化，立柱为次要目标。
采用拓扑优化的方法对机床主轴箱的设计提供理论指导，基于拓扑优化结果对主轴箱结构重新设计，并且为立柱两侧增加筋板。对重新设计的机床主轴箱和机床整体结构进行了动态特性分析。分析结果显示，新的机床主轴箱各阶固有频率增幅为 10% 左右，机床整机各阶固有频率增幅为 4% 左右，共振峰值减少了 2. 274% 。对比结果表明，对主轴箱和立柱的优化方案显著的提高了机床部件和整机的动态性能，具有很高的实用价值，为机床进一步设计提供了指导依据。

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