機(jī)床具有復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)，它零部件數(shù)目眾多、配合銜接緊密、零部件自重較大，因此在機(jī)床的服役階段長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)的機(jī)床會(huì)受到工作環(huán)境的影響、機(jī)床自重的影響、加工過(guò)程的各種持久或瞬間的力的作用，在這些力的作用下，機(jī)床零件以及床身整體會(huì)產(chǎn)生形變，這些形變必然導(dǎo)致零部件對(duì)原有位置的偏移，最終導(dǎo)致的結(jié)果就是機(jī)床的加工精度逐漸降低，無(wú)法正常加工。

　　由于在機(jī)床的工作過(guò)程中，其工作狀態(tài)是一個(gè)連貫的變化的過(guò)程，并不是單一的或是簡(jiǎn)單幾個(gè)固定的工作狀態(tài)，所以我們不可能實(shí)現(xiàn)針對(duì)整個(gè)機(jī)床的整體剛度進(jìn)行精確的仿真計(jì)算。在本文中只能對(duì)簡(jiǎn)單的零部件本身采用理論方法計(jì)算其剛度，而對(duì)于機(jī)床整體結(jié)構(gòu)中存在的復(fù)雜零部件或者復(fù)雜結(jié)合面，文中采用的方法是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)將復(fù)雜情況進(jìn)行相似的簡(jiǎn)化并進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際剛度必然存在誤差，一般只將其計(jì)算結(jié)果用來(lái)作為定性分析的參考而不做定量的計(jì)算。

　　近年來(lái)，有限元法在機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，為縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率做出了較大的貢獻(xiàn)，但是數(shù)字化的仿真分析在新情況面前總會(huì)與實(shí)際有些誤差的存在，因此需要同步進(jìn)行相關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)字仿真分析相互結(jié)合，以下陳述的各個(gè)原則措施就可以為提高機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)剛度等提供有利參考。

　　一、機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能要求

　　1.對(duì)支承件的動(dòng)態(tài)性能要求

　　支承件是組成機(jī)床整體的重要基本構(gòu)件，它起到了兩方面的重要作用。首先，支承件鏈接了組成機(jī)床整體的各個(gè)主要零部件以及其它裝置，將它們按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行排列，組成了機(jī)床整體;其次支承件在機(jī)床整體中起到了基準(zhǔn)的作用。

　　常見(jiàn)的支承件包括機(jī)身、底座、立柱、橫梁、箱體、工作臺(tái)等，支承件的質(zhì)量約為機(jī)床總質(zhì)量的 80%以上，機(jī)床整機(jī)的動(dòng)態(tài)特性取決于支承件的特性及其連接情況。支承件的強(qiáng)度、剛度、質(zhì)量分布、阻尼比、動(dòng)態(tài)性能和熱性能等，都對(duì)加工中心的整體性能和功能的可靠性產(chǎn)生重要影響。

　　2.對(duì)整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能要求

　　對(duì)機(jī)床整機(jī)的動(dòng)態(tài)特性要求主要是指機(jī)床的結(jié)構(gòu)靜剛度、動(dòng)剛度和熱剛度，以及結(jié)構(gòu)輕量化等方面。

　　二、整機(jī)有限元建模

　　1.機(jī)床模型的簡(jiǎn)化處理

　　由于有限元分析中幾何模型直接決定網(wǎng)格剖分過(guò)程和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，所以在幾何建模時(shí)需要機(jī)床本身具體的空間結(jié)構(gòu)以及力線傳遞軌跡等要素對(duì)機(jī)床整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，通過(guò)相應(yīng)的簡(jiǎn)化達(dá)到提高求解效率的目的。簡(jiǎn)化方法選取的正確與否直接決定了可靠性分析的效用。

　　(1)細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化。在進(jìn)行機(jī)床幾何構(gòu)建時(shí)，結(jié)構(gòu)中經(jīng)常存在一些如倒角、倒圓等相對(duì)尺寸很小的細(xì)節(jié)。細(xì)節(jié)的存在將影響網(wǎng)格的大小、數(shù)量和分布。局部特征與整體的尺寸差距越大，有限元網(wǎng)格剖分的結(jié)果就在這些地方出現(xiàn)較大的畸變，所以我們要針對(duì)這樣的細(xì)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化。

　　(2)形式變換。機(jī)床整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件空間特征多樣，在這些不同的空間結(jié)構(gòu)中，進(jìn)行有限元單元網(wǎng)格剖分時(shí)可以采用有針對(duì)性的等效處理，以達(dá)到便捷劃分網(wǎng)格提高求解效率的目的。

　　2.機(jī)床的載荷和邊界條件處理

　　機(jī)床工作時(shí)，其結(jié)構(gòu)必然和其它結(jié)構(gòu)或外界發(fā)生相互作用，這些性質(zhì)不同、大小各異的力的相互作用是影響機(jī)床可用性的重要因素。進(jìn)行有限元分析時(shí)，往往是將所關(guān)心的結(jié)構(gòu)單獨(dú)抽象出來(lái)進(jìn)行分析，而分析結(jié)構(gòu)與其它結(jié)構(gòu)或外界的關(guān)系則用載荷、位移約束和熱交換條件來(lái)考慮。有時(shí)為了建?；蛴?jì)算需要，也可能對(duì)模型進(jìn)行某些人為規(guī)定或限制，如為消除剛體位移補(bǔ)充的位移約束，異類單元連接的多點(diǎn)約束等式，子結(jié)構(gòu)的連接自由度，靜力縮聚的主從自由度等。

　　(1)載荷處理

　　為了分析支承件和機(jī)床整機(jī)的結(jié)構(gòu)剛度，必須分析機(jī)床工作時(shí)的載荷分布情況。機(jī)床工作時(shí)，支承件上承受切削力、重力和運(yùn)動(dòng)部件的慣性力等。對(duì)這些力的性質(zhì)、大小、作用位置和對(duì)加工精度的影響，是采用有限元法對(duì)支承件及機(jī)床整機(jī)進(jìn)行正確分析的前提，也是設(shè)計(jì)合理的支承件結(jié)構(gòu)的依據(jù)。

　　(2)邊界條件處理

　　當(dāng)在模型上施加了載荷之后，就要對(duì)模型施加約束或邊界條件，否則，模型在外載作用下會(huì)被無(wú)限加速，產(chǎn)生剛體運(yùn)動(dòng)。例如，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，首先要消除結(jié)構(gòu)的剛體運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)的邊界條件通常以零位移的形式構(gòu)成，熱的邊界條件通常是明確溫度，流體的邊界條件通常是明確壓強(qiáng)。

　　三、機(jī)床結(jié)構(gòu)固有特性計(jì)算分析

　　1.HMC80 臥式加工中心的部件模態(tài)分析

　　對(duì)機(jī)床主要構(gòu)件進(jìn)行模態(tài)分析，并與試驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)比分析，得出不同構(gòu)件的自由模態(tài)的共振頻率，并驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。床身是其他部件安裝的載體，其剛度必須要高，同時(shí)其成本也有要求，故對(duì)床身的自由模態(tài)研究很有必要。床身的振動(dòng)對(duì)機(jī)床的工作精度有直接的和間接的影響。

　　2.HMC80 臥式加工中心整機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

　　綜合考慮各影響因素對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立能準(zhǔn)確反映加工中心動(dòng)力學(xué)特性的模型。導(dǎo)入簡(jiǎn)化的三維實(shí)體模型后，定義分析為模態(tài)分析，選取實(shí)體單元，定義材料的彈性模量、泊松比和密度等參數(shù)，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分和模態(tài)計(jì)算。

　　四、機(jī)床結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算分析

　　機(jī)床的剛度是指在切削力和其他力作用下，抵抗變形能力。數(shù)控機(jī)床比普通機(jī)床要求具有更高的靜剛度和動(dòng)剛度，有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)控機(jī)床的剛度系數(shù)應(yīng)比類似的普通機(jī)床高 50%。

　　1.支承件和整機(jī)結(jié)構(gòu)靜剛度的有限元分析結(jié)果

　　機(jī)床在實(shí)際的工作中有 6 種不同的加工工況，在不同工況下機(jī)床的受力有很大差別，故剛度也有所不同，必須要一一分析才能保證機(jī)床在各狀況下都能高精度的安全工作，下面將從不同工況條件下分析整機(jī)及支撐件的剛度。

　　2.支承件和整機(jī)結(jié)構(gòu)靜剛度

　　(1)自身剛度

　　支承件的剛度是指其抵抗變形的能力。支承件所承受的載荷主要有拉伸、壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)幾種。其中，拉伸和壓縮引起支承件的變形很小，可以忽略;而彎曲和扭轉(zhuǎn)對(duì)上層結(jié)構(gòu)引起的變形較大，因此，支承件主要考慮其彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。

　　(2)局部剛度

　　支承件的局部剛度是指支承件抵抗載荷集中部位局部變形的能力。局部變形主要發(fā)生在載荷作用集中的部位或剛度急劇下降的局部。如導(dǎo)軌局部變形等。支承件的局部剛度不足，會(huì)使其局部位置發(fā)生較大的變形，影響機(jī)床的工作性能。局部剛度主要取決于支承件受載部位的結(jié)構(gòu)和尺寸，以及加強(qiáng)肋的布置等。

　　五、整機(jī)的結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度

　　在高速機(jī)床中的激振力可以分解為一個(gè)恒力以及一個(gè)余弦力，因此，考慮在簡(jiǎn)諧激振力作用下高速加工中心的響應(yīng)，是高速加工中心動(dòng)態(tài)分析的重要內(nèi)容。所以整機(jī)諧響應(yīng)分析主要分析線性結(jié)構(gòu)承受隨時(shí)間按三角函數(shù)規(guī)律變化的載荷時(shí)穩(wěn)定響應(yīng)。在動(dòng)態(tài)性能計(jì)算中阻尼會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果有著較大的影響。在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，振動(dòng)阻尼的確定較為困難，目前只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，然后在分析模型中進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。