基于动特性分析的数控铣床床身结构改进

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1、第13卷第5期莆田学院学报Vol.13No.52006年10月JournalofPutianUniversityOct.2006文章编号：1672-4143（2006）05-0062-04中图分类号：TG547.023文献标识码：A基于动特性分析的数控铣床床身结构改进陈庆堂（湄洲湾职业技术学院，福建莆田351254）关键词：数控铣床；动态特性；结构改进摘要：为提高数控铣床床身的动态稳定性，提出一种基于结构动特性分析的结构优化设计方法。该法利用有限元法分析最初的床身结构的动态特性，在分析床身各薄弱环节尺寸变化对其动态性能敏感性的基础上改进结构，以改善床身结构的动态性能。

2、OptimizationDesignofNCMillingMachine'sBodyBasedonModalAnalysisCHENQing-tang（MeizhouwanVocationalTechnologyCollege,Putian351254,China）Keywords：NCmillingmachine；modalcharacteristics；structuremodificationAbstract：InordertoimprovethedynamicstabilityofNCMillingMachine'sbody,adesignmethodispr

3、oposedinthispaperbasedonmodalanalysisofthestructure.FirstweanalyzemodalcharacteristicsofthestructurewithFiniteElementAnalysis(FEA),thenbasedonparameterssensibility'sanalysisthestructuremodificationforthemillingmachine'sbodyisusedforimprovingdynamiccharacteristics.作为主要承载件的机床床身结构，其动态特式中，M

4、为结构的质量矩阵；C为结构的阻尼矩性直接影响到振动和噪音，直接影响到零件加工阵；K为结构的刚度矩阵；x(t)为节点位移。令系统的精度。笔者根据数控铣床床身结构特点，提出在的固有频率为fi；相应的正则主振型为!i；则有：T有限元模态分析的基础上，通过分析床身在各薄"M#i=I（2）i弱环节尺寸变化对其动态性能的敏感性，改进设T=&=f2（3）$iK%iii计方法，达到改善床身结构动态性能的目的。式中，I为单位矩阵；’i为系统第i阶特征值。结构1结构参数修改对结构动态特性影响的基质量矩阵和刚度矩阵是系统各单元的特性矩阵，本原理与结构的材料和形状有关。假设第j个影响结构为了

5、说明结构参数对整个结构动态特性的影形状的参数为Sj，将式(2)两边对其求导，得：响，我们首先从理论上对其进行分析。根据系统动T()T-MT12i+0i=0（4）力学，具有n个自由度的离散化结构在任意激励M+i+,i/iiM4i*Sj.Sj3Sj[1]：f(t)作用下，其振动方程为根据向量原理可得正则振型对修改参数的灵敏度Mx!(t)+Cx#(t)+Kx(t)=f(t)（1）算式为：收稿日期：2006-03-28作者简介：陈庆堂（1973-)，男，福建莆田人，工学硕士，讲师。第5期陈庆堂：基于动特性分析的数控铣床床身结构改进63!"i1T’M$=-%&)（5）iiii#

6、Sj2(Sj同理可得固有频率对修改参数的灵敏度为：*f,f/01T3Ki=ii=2(-f25M)7（6）2fiii+sj-.i1fji4sj6Sj由式（6）可以看出，结构参数的改变直接影响了质量矩阵M和刚度矩阵K（式中分别用8M/9Sj和:K/;Sj表示），进而改变了固有频率fi。本文正是利用这一原理实现基于动特性分析的结构优化，即通过选择适当的结构参数将结构固有频率调整到理想范围内，避免共振现象的发生。[2]2床身结构有限元模态分析XK713数控铣床床身为箱式的铸造结构，其前后的高度一致。床身的上表面安装直线导轨。为增加安装导轨处床身的刚性，在导轨安装面下方结构增厚

7、，其周围均匀分布着凹槽。床身的后平台平面则用于安装立柱支架，床身前后都有相应的流水面回流冷却液，床身内部的矩形筋板呈平行分布。床身总尺寸为670mm×1030mm×800mm，总重量为0.93吨。利用ANSYS软件将模型自由网格划分出24767个单元，45144个节点。运用blocklanczos法对床身结构在底面与四个垫铁接触处全约束固定处理条件下的模态分析进行扩展10阶模态，并提取了前几阶。各阶固有频率如表1，部分振型图如图1至图4所示。表1三个部位尺寸变化后的床身固有频率Hz加厚2mm后频率变化量固有频率阶固有频率顶面后侧（三处均加数（原设计）