【正文】 此，長(zhǎng)期來(lái)被國(guó)外列為禁止進(jìn)口產(chǎn)品。 ABSTRACT The milling machine is developing towards high speed, high precision and high rigidity, its anization is being more plex, the need of its work performance is being more. For the developed countries restrict our country in importing the NC machine with 5axes linkage, we should do it by ourself. The development and appliance of the VMT provide the technical measurement in exploiting the NC machine tool of the high technology. The main task of this study is the acplishment of the virtual dynamics of the basic parts including worktable、 base、 slider and the whole machine by means of the finite element analysis. The virtual dynamics research include two sides: the analysis of the inherent libration speciality and the analysis of the response speciality. The analysis of the inherent libration speciality of the worktable、 base、 slider and the whole machine oth the system is done to get the relevant inherent frequencies and the librating models. The moving show of the librating models describes the vibrating process of several modes. The analysis of the slider is done on the slider, the response displacement of the working speed is gotten. The curve of the response displacement and the frequency is drawn. The virtual dynamics research is done in this thesis, to shorten the exploiting period of the product, and to reduce the exploiting cost. The reliable theory is provided to design the worktable 、 base 、 slider and the whole machine performance. The way is easy to extend to the research of the other machine tools. So the way and the conclusion is of abroad engineer meaning. 1． 1 課題研究的來(lái)源和技術(shù)背景 本課題的主要任務(wù)是對(duì)五軸加工中心的動(dòng)力學(xué)分析（固有振動(dòng)特性分析和響應(yīng)特性分析）。 其虛擬動(dòng)力學(xué)研究包含兩個(gè)方面：固有振動(dòng)特性分析和響應(yīng)特性分析。而發(fā)達(dá)國(guó)家在進(jìn)出口技術(shù)含量高的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心方面，對(duì)我國(guó)進(jìn)行限制。所以，我國(guó)就必須自主開(kāi)發(fā)。 對(duì)基礎(chǔ)件（底座、工作臺(tái)、滑枕、立柱）及整機(jī)進(jìn)行了固 有振動(dòng)特性分析，得出了相應(yīng)的固有頻率和振型，通過(guò)振型的動(dòng)畫(huà)顯示，形象而逼真地描述各模態(tài)的振動(dòng)過(guò)程。以北京航空航天大學(xué)、北京機(jī)械工 業(yè)學(xué)院和桂林機(jī)床股份有限公司合作開(kāi)發(fā) 數(shù)控滑枕床身銑床 為技術(shù)背景，具體的研究對(duì)象是一臺(tái)五軸加工中心的基礎(chǔ)件（床身，工作臺(tái)和滑枕等）以及整機(jī)模型。目前，我過(guò)機(jī)床行業(yè)正在致力于研究開(kāi)發(fā)。因此，這種機(jī)床的研究開(kāi)發(fā)是一個(gè)難度很大的任務(wù)。 虛擬制造技術(shù) 的發(fā)展應(yīng)用，為開(kāi)發(fā)研究高技術(shù)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品提供了技術(shù)手段。在航空、航天、汽車、造船和模具制造等重要產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域具有非常重要的用途。這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)能夠自己設(shè)計(jì)制造。研究開(kāi)發(fā)一臺(tái)五軸加工中心需要多種方案的反復(fù)比較及試驗(yàn)，也需要大量的技術(shù)投資和較長(zhǎng)時(shí)間。采用機(jī)械傳動(dòng)，主軸的刀具錐柄為 BT50（直徑最大，應(yīng)用面廣）， C 軸回轉(zhuǎn)360 度，主電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為 1206000 rpm，可以滿足相當(dāng)大范圍的零件加工，可以進(jìn)行大切削量的粗加工和精加工。產(chǎn)品設(shè)計(jì)；樣機(jī)制造；性能實(shí)驗(yàn)；根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行樣機(jī)評(píng)價(jià)和修改設(shè)計(jì)。其結(jié)果直接反饋修改設(shè)計(jì)虛擬樣機(jī)模型。 虛擬制造技術(shù)不消耗現(xiàn)實(shí)資源和能量，是生產(chǎn)部門的產(chǎn)品變?yōu)榭捎^的虛擬產(chǎn)品，但它具有真實(shí)產(chǎn)品所必須具備的所有特征。它主要借助于大型有限元分析軟件，本課題使用的是 軟件。建模需要考慮多種因素的影響。動(dòng)力學(xué)分析的方法很多，如傳遞矩陣法、試驗(yàn)?zāi)B(tài)法和混合法。由于有限元法具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)以及計(jì)算格式規(guī)范統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn)，故在短短 50 多年間已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、宇航航空、汽車、船舶、土木、核工程及海洋工程等許多領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一種重要工具。所以有限元法中分析的結(jié)構(gòu)已不是原有的物體或結(jié)構(gòu)物，而是同樣材料的由眾多單元以一定方式連接成的離散物體。位移法易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動(dòng)化，所以在有限單元法中位移法應(yīng)用范圍最廣。 2）分析單元的力學(xué)性質(zhì) 根據(jù)單元的材 料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。因而，這種作用在單元邊界上的表面力、體積力或集中力都需要等效地移到節(jié)點(diǎn)上去，也就是用等效的節(jié)點(diǎn)力來(lái)替代所有作用在單元上的力。 4．求解未知節(jié)點(diǎn)位移 解這樣的矩陣方程，即可得到各種參數(shù)在整體結(jié)構(gòu)中的分布。多自由度的運(yùn)動(dòng)微分方程可以應(yīng)用牛頓第二定律，達(dá)朗伯原理，拉格郎日方程和哈密頓原理等來(lái)建立。 在元素 e 上的應(yīng)變向量為： ee txBt )}(]{[)}({ ?? () 其中 [B]為聯(lián)系應(yīng)變與節(jié)點(diǎn)位移的矩陣，稱幾何矩陣。另一部分是由此元素上的慣性力所構(gòu)成的負(fù)荷向量。 其中 e0 為元素的總數(shù)，則總負(fù)荷量為： ??? ?? )}({][)}({][)}({ tXCtxMtF () 其中 {F(t)}為由元素負(fù)荷向量 etF )}({ 按相應(yīng)的“貢獻(xiàn)”疊加而得到的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷向量，即： eee tFtF )}({)}({01??? () 于是，由達(dá)朗泊原理，就有： ??? ??? )}({][)}({][)}({)}(]{[ txCtxMtFtxK () 即： )}({)}(]{[)}({][)}({][ tFtxKtxCtxM ??? ??? () 這就是彈性體的動(dòng)力方程，即用有限元素法來(lái)解彈性體的動(dòng)力問(wèn)題的基本方程。這樣的問(wèn)題稱為廣義特征值問(wèn)題，而這樣的 2? 和 {g}分別稱為廣義特征值和廣義特征向量，求得的 ? 就是振動(dòng)的圓固有頻率， {g}就給出相應(yīng)的振型。 記： 2??? () 可將式 ()改寫(xiě)為： 0}]){[]([ ?? gMK ? () 由于 {g}是非零向量，故由上式中 ])[]([ MK ?? 的行列式應(yīng)為零，即： 0..................])[}d e t ( [11221112121111?????????nnmnnnnnn MKMKMKMKMKMKMK??????? () 它稱為廣義特征值方程。 n 個(gè)自由度的系統(tǒng)有 n 個(gè)固有頻率。 式 ()實(shí)質(zhì)上是一個(gè)二階常系數(shù)線性微分方程，可用常規(guī)解法或數(shù)值解法。 設(shè) }{i? 為通過(guò)正則化得到的第 i 階正則振型，以 n 個(gè)正則振型作為列而得到正則振型矩陣 [ ]? ，即： }]} ...{}{[{][ 21 n???? ? () 以正則振型矩陣 [ ]? 為變換矩陣，作如下變換： )}(]{[)}({ ttx ??? () 式中 )}({ t? 為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的正則坐標(biāo)。)}({ 而為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主坐標(biāo)t? }]}...{}{[{ 21 n??? 。 第三章 關(guān)鍵零件的動(dòng)力學(xué)分析 3． 1 引言 數(shù)控銑床日益向高速度、高剛度的方向發(fā)展，要使高速銑頭安全可靠地工作，保證所加工零件的高精度，高速銑頭就必須具有良好的動(dòng)態(tài)特性。所謂固有特性分析，本文是通過(guò)研究無(wú)阻尼的自由振動(dòng)，得到振動(dòng)系統(tǒng)的固有特性，即固有頻率和振型及振動(dòng)應(yīng)力。所有這些工作都是應(yīng)用 通用有限 元分析軟件，在 Windows2020 操作系統(tǒng)下完成的。 圖 31 SOLID92 單元 基礎(chǔ)件（床身，工作臺(tái)和滑枕等）以及整機(jī)模型的材料系數(shù)為： E=210*10 ,/7820, 39 ?? ?? mkgPa 。 通常 ANSYS 建模過(guò)程應(yīng)該遵循以下要點(diǎn)： （ 1） 開(kāi)始確定分析方案。 （ 3） 利用幾何元素和布爾運(yùn)算操作生成基本的幾何形狀。 （ 6） 通過(guò)對(duì)實(shí)體模型劃分網(wǎng)格來(lái)生成節(jié)點(diǎn)和單元。 網(wǎng)格劃分時(shí) ,使用三維十節(jié)點(diǎn) SOLID92 單元 ,首先采用自由網(wǎng)格或映射網(wǎng)格進(jìn)行劃分 ,而后在結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的地方 ,進(jìn)行手工劃分。 3． 單擊 Add, Library of Element Types 對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 7． 單擊 Element Types 對(duì)話框中的 Close 按鈕。第二個(gè)對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 6． 單擊 OK。 第 5 步：選擇網(wǎng)格密度，并進(jìn)行網(wǎng)格化分 1． 選擇菜單途徑 Main MenuPreprocessorMessingSize trlsSmartsizeBasic,彈出 Basic Smartsize Settings 對(duì)話框。拾取菜單薄 Mesh Volumes 將出現(xiàn)。 7． 單擊“ ISO”，然后單擊 close. 8． 在 ANSYS Toolbar 上單擊 SAVEDB。 3． 選取菜單途徑 Main MenuSolutionAnalysis Options, Modal Analysis 對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 Subspace Modal Analysis 對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 2．激活 Box 選項(xiàng)，在模型上手動(dòng)選取所需施加的約束。 5． 單 擊 OK。 下面對(duì)網(wǎng)格劃分和加約束后的基礎(chǔ)件（床身，工作臺(tái)和滑枕等）以及整機(jī)模型進(jìn) 行模態(tài)分析。在求解大型結(jié)構(gòu)的少數(shù)特征對(duì)時(shí)，子空間迭代法是很有效的方法。 接 ,將滑枕的模態(tài)分析 GUI 步驟所列如下 : 第 1 步：指定要擴(kuò)展的模態(tài)數(shù)并求解 1． 選 取 菜 單 途 徑 Main MenuS