【正文】 此，長期來被國外列為禁止進口產(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 課題研究的來源和技術(shù)背景 本課題的主要任務(wù)是對五軸加工中心的動力學分析（固有振動特性分析和響應(yīng)特性分析）。 其虛擬動力學研究包含兩個方面：固有振動特性分析和響應(yīng)特性分析。而發(fā)達國家在進出口技術(shù)含量高的五軸聯(lián)動加工中心方面，對我國進行限制。所以，我國就必須自主開發(fā)。 對基礎(chǔ)件（底座、工作臺、滑枕、立柱）及整機進行了固 有振動特性分析，得出了相應(yīng)的固有頻率和振型，通過振型的動畫顯示，形象而逼真地描述各模態(tài)的振動過程。以北京航空航天大學、北京機械工 業(yè)學院和桂林機床股份有限公司合作開發(fā) 數(shù)控滑枕床身銑床 為技術(shù)背景，具體的研究對象是一臺五軸加工中心的基礎(chǔ)件（床身，工作臺和滑枕等）以及整機模型。目前，我過機床行業(yè)正在致力于研究開發(fā)。因此，這種機床的研究開發(fā)是一個難度很大的任務(wù)。 虛擬制造技術(shù) 的發(fā)展應(yīng)用，為開發(fā)研究高技術(shù)數(shù)控機床產(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)的機床目前國內(nèi)已經(jīng)能夠自己設(shè)計制造。研究開發(fā)一臺五軸加工中心需要多種方案的反復(fù)比較及試驗，也需要大量的技術(shù)投資和較長時間。采用機械傳動，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，主電機轉(zhuǎn)速范圍為 1206000 rpm，可以滿足相當大范圍的零件加工，可以進行大切削量的粗加工和精加工。產(chǎn)品設(shè)計；樣機制造；性能實驗；根據(jù)實驗結(jié)果進行樣機評價和修改設(shè)計。其結(jié)果直接反饋修改設(shè)計虛擬樣機模型。 虛擬制造技術(shù)不消耗現(xiàn)實資源和能量，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。動力學分析的方法很多，如傳遞矩陣法、試驗?zāi)B(tài)法和混合法。由于有限元法具有精度高、適應(yīng)性強以及計算格式規(guī)范統(tǒng)一等優(yōu)點，故在短短 50 多年間已廣泛應(yīng)用于機械、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)代機械產(chǎn)品設(shè)計中的一種重要工具。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。位移法易于實現(xiàn)計算自動化，所以在有限單元法中位移法應(yīng)用范圍最廣。 2）分析單元的力學性質(zhì) 根據(jù)單元的材 料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點力和節(jié)點位移的關(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)點上去，也就是用等效的節(jié)點力來替代所有作用在單元上的力。 4．求解未知節(jié)點位移 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。多自由度的運動微分方程可以應(yīng)用牛頓第二定律，達朗伯原理，拉格郎日方程和哈密頓原理等來建立。 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)成的負荷向量。 其中 e0 為元素的總數(shù)，則總負荷量為： ??? ?? )}({][)}({][)}({ tXCtxMtF () 其中 {F(t)}為由元素負荷向量 etF )}({ 按相應(yīng)的“貢獻”疊加而得到的節(jié)點負荷向量，即： eee tFtF )}({)}({01??? () 于是，由達朗泊原理，就有： ??? ??? )}({][)}({][)}({)}(]{[ txCtxMtFtxK () 即： )}({)}(]{[)}({][)}({][ tFtxKtxCtxM ??? ??? () 這就是彈性體的動力方程，即用有限元素法來解彈性體的動力問題的基本方程。這樣的問題稱為廣義特征值問題，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 ? 就是振動的圓固有頻率， {g}就給出相應(yīng)的振型。 記： 2??? () 可將式 ()改寫為： 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 個自由度的系統(tǒng)有 n 個固有頻率。 式 ()實質(zhì)上是一個二階常系數(shù)線性微分方程，可用常規(guī)解法或數(shù)值解法。 設(shè) }{i? 為通過正則化得到的第 i 階正則振型，以 n 個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。)}({ 而為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主坐標t? }]}...{}{[{ 21 n??? 。 第三章 關(guān)鍵零件的動力學分析 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態(tài)特性。所謂固有特性分析，本文是通過研究無阻尼的自由振動，得到振動系統(tǒng)的固有特性，即固有頻率和振型及振動應(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，工作臺和滑枕等）以及整機模型的材料系數(shù)為： E=210*10 ,/7820, 39 ?? ?? mkgPa 。 通常 ANSYS 建模過程應(yīng)該遵循以下要點： （ 1） 開始確定分析方案。 （ 3） 利用幾何元素和布爾運算操作生成基本的幾何形狀。 （ 6） 通過對實體模型劃分網(wǎng)格來生成節(jié)點和單元。 網(wǎng)格劃分時 ,使用三維十節(jié)點 SOLID92 單元 ,首先采用自由網(wǎng)格或映射網(wǎng)格進行劃分 ,而后在結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的地方 ,進行手工劃分。 3． 單擊 Add, Library of Element Types 對話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 7． 單擊 Element Types 對話框中的 Close 按鈕。第二個對話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 6． 單擊 OK。 第 5 步：選擇網(wǎng)格密度，并進行網(wǎng)格化分 1． 選擇菜單途徑 Main MenuPreprocessorMessingSize trlsSmartsizeBasic,彈出 Basic Smartsize Settings 對話框。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 對話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 Subspace Modal Analysis 對話框?qū)⒊霈F(xiàn)。 2．激活 Box 選項，在模型上手動選取所需施加的約束。 5． 單 擊 OK。 下面對網(wǎng)格劃分和加約束后的基礎(chǔ)件（床身，工作臺和滑枕等）以及整機模型進 行模態(tài)分析。在求解大型結(jié)構(gòu)的少數(shù)特征對時，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：指定要擴展的模態(tài)數(shù)并求解 1． 選 取 菜 單 途 徑 Main MenuS