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1、超精密抛光机床主体结构动态特性分析吴庆堂，聂凤明，郭波，王大森，李珊，吴焕，卢政宇，段学俊，王凯，修冬[长春设备工艺研究所，长春130012][摘要]以超精密抛光机床的主体结构(包括床身、立柱与横梁)作为研究对象，利用HyperMesh建立各零部件的有限元模型，并在ANSYS中进行模态分析，分析得到抛光机床主体结构材料分别为铸铁和人造大理石时的前十阶模态，对这两种不同材料所制造部件的动态特性进行对比评估，从而为超精密抛光机床主体结构的材料选择提供了科学的依据。[关键词]超精密，抛光机床，主体结构，动态特性分析Dynamiccharacteristica
2、nalysisonthemainstructureofaultra-precisionpolishingmachineWUQingtang,NIEFengming,GUOBo,WANGDasen,LIShan,WUHuan,LUZhengyu,DUANXuejun,WANGKai,XIUDong[ChangchunEquipment&TechnologyResearchInstitute,Changchun130012][Abstract]Theresearchobjectofinthispaperisthemainstructureofaultra-
3、precisionpolishingmachine,includingthelathebed,columnandbeam.UseHyperMeshtoestablishthefiniteelementmodelofeachcomponentofthemachineandanalyseinANSYS,togetthefirsttenmodesofthemachine.Dynamiccharacteristicsofpartsofthesetwokindsofdifferentmaterialsarecomparedtoassess,inordertopr
4、ovidethescientificbasisformaterialselectionoftheultra-precisionpolishingmachine.[Keyword]ultra-precision,polishingmachine,mainstructure,dynamiccharacteristicanalysis1前言现代超精密抛光机床对于抛光中大口径非球面光学元件具有高精度、高效率的特点。超精密抛光机床由床身、立柱、横梁、抛光头主轴系统以及旋转翻转工作台等多个部件构成。但是，在抛光过程中，主要动力执行部件（如抛光头部件）的高速回转容易
5、引起抛光机床主体部件的振动，从而严重影响加工精度以及精度稳定性。床身是抛光机床的重要基体部件，立柱是抛光机床的主要支撑部件，横梁与立柱整体连接，他们刚度的大小直接会影响到抛光机床整机的动态性能。部件的动态性能与整机的动态性能有不可分割的联系，部件性能的优劣直接影响整机的性能水平。在设计制造时床身、立柱及横梁等主体结构一般可采用铸铁材料，近年来德国Aachen大学研究表明：人造大理石的动刚度是铸铁的3.5倍，热导率为铸铁的1/30，阻尼特性为铸铁的7-10倍，体积质量是铸铁的1/3，可使机床的刚度更高、吸振性更好。本文以超精密抛光机床主体结构作为研究对象
6、，利用有限元法对其进行建模，并进行动力学分析，分别计算了选材为铸铁和人造大理石时的动态特性，识别出其关键部件的刚度薄弱环节，为改进部件结构设计以及材料选择提供了依据。2超精密抛光机床主体结构有限元分析2.1计算模型超精密抛光机床由床身、立柱、横梁、抛光头主轴系统以及工作台等多个部件构成（如图1所示），其主体结构床身长2100mm，宽1490mm，高300mm；立柱为2根，与横梁接触处长400mm，与床身接触处长750mm，宽250mm，高1057mm；横梁长400mm，宽1490mm，高500mm。铸铁和人造大理石材料参数如下表：密度T/mm3弹性模量
7、MPa泊松比-95铸铁7.2×101.2×100.3-9人造大理石2.63×10357600.26图1超精密抛光机床三维模型2.2网格划分使用HyperMesh软件分别对计算模型进行网格划分，采用全六面体网格，选用Solid45实体单元，网格模型如图2所示。图2网格模型2.3ANSYS软件模态分析求解计算对床身底部施加固定约束，采用BlockLanczos算法计算机床的低阶（前10阶）固有频率与振型，材料选用铸铁时，计算结果如下图（图3~图12）所示。图3一阶振型图4二阶振型图5三阶振型图6四阶振型图7五阶振型图8六阶振型图9七阶振型图10八阶振型图1
8、1九阶振型图12十阶振型2.4计算结果对比分析通过模态扩展得到其相应的前10阶模态振型，可以发
