坐标镗床的有限元法评估分析及数控系统选择.pdf

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1、兰州理工大学硕士学位论文坐标镗床的有限元法评估分析及数控系统选择姓名：张朋申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：欧阳林子20100501硕十学位论文摘要随着社会的发展，自动化是未来制造业的发展趋势。我国制造业同样面临着极大的考验和挑战。各企业为了弥补机床的数控化率偏低的现状，对旧机床进行数控化改造也成为了一种趋势。到目前为止，国内外在对旧机床改造的前期评估工作尚没有成熟统一的方法，大多的改造只是简单的依据经验，以及原机床的本来性能，选择相应数控系统搭配安装。至于改造对于原机床的性能的提高、功能的扩展等工作做的相对较少。本课题研究的目的是希望运用理论的方法对机床整机可靠性分析，以此对机

2、床进行改造前的评估。本文运用有限元方法，依托于大型三维设计软件P r o E、通用有限元分析软件A N S Y S，进行联合的建模分析。模态分析结论，运用于机床驱动电机的选择。本文在对机床整机的建模过程中。由于A N S Y S 软件前处理模块中三维建模方法的复杂不易操作性，无法精确和高效地完成像本论文中坐标镗床整机这样复杂结构的建模，于是在建模方法中选择的实体建模，采用建模功能强大的三维设计软件P r 0 E N G I N E E RW i l d f i r e 2 0 建立三维实体模型，然后通过两软件的无缝接口导入到A N S Y S l 0 0 中，在A N S Y S 中对机床部件

3、结合面进行接触处理，提高了建模效率，保证了模型的质量。为了使计算精度和计算规模合理，对实体模型进行了一定的简化处理。在分析了单元数量、质量、布局的前提下，用实体单元对整个机体进行网格划分，建立了机床整机的有限元模型。基于对整机模型的模态分析，得出机床约束条件下的固有频率，从而分析出引起机床共振的频率范围，根据频率与电机转速的关系，同时参考选择电机时经验的设计计算，对机床配置了合理的驱动电机，使改造后的机床加工效率有所提高，加工过程中的机床稳定性也更有保证。考虑到机床本身较好的稳定性和加工精度，对原机床进行了功能扩展，原来只能进行精密的钻、镗等加工的坐标镗床，也具有铣削加I 功能，使其成为能多轴

4、联动的加工机床，为此选配了功能强大、控制多轴联动的数控系统，以及相应的伺服驱动系统。使改造后的机床能适应更广泛的加工要求，提高资源的利用率。关键词：坐标镗床；有限元；模态分析；数控改造A b s t r a c tW i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y，a u t o m a t i o ni st h et r e n d so fi n d u s t r yi nt h ef u t u r e T h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yi sa l s of a c i n gg

5、 r e a tc h a l l e n g e si nO U rc o u n t r y V a r i o u se n t e r p r i s e si no r d e rt oc o m p e n s a t ef o r t h el o wr a t eo fC N Cm a c h i n et o o l s，t h es t a t u so ft h et r a n s f o r m a t i o no ft h eo l dC N Cm a c h i n et o o l sh a sb e c o m eat r e n d S of a r,T

6、r a n s f o r m a t i o no ft h eo l dm a c h i n ea th o m ea n da b r o a do nt h ee a r l ys t a g eo fa s s e s s m e n ti ss t i l ln o tm a t u r eu n i f i e da p p r o a c h，a n dm o s to ft h et r a n s f o r m a t i o no nt h eb a s i so fs i m p l ye x p e r i e n c ea n de f f i c i e n

7、c yo ft h eo r i g i n a lm a c h i n eh a v eb e e nc a r r i e do u tw i t ht h ec o r r e s p o n d i n gn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m A sf o ft h et r a n s f o r r n a t i o no ft h eo r i 西n a lm a c h i n et o o l s，e n h a n t et h ep e r f o r m a n c eo fw o r kd o n et oe x t

8、e n dt h ec a p a b i l i t i e so ft h er e l a t i v e l ys m a l l T h ep u r p o s eo ft h i sr e s e a r c ht h e s i si St ot r a n s f o r i l lp r e a s s e s s m e n tf o rt h em a c h i n et o o lb ys o m eo ft h et h e o r yo fm a c h i n et o o lr e l i a b i l i t ya n a l y s i sm e t

9、h o d s W i t ht h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d，a n dr e l y i n go nl a r g e s c a l et h r e e d i m e n s i o n a ld e s i g ns o f t w a r eP r o E，g e n e r a l-p u r p o s ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r eA N S Y S，t oc a r r yo u tj o i n ta n a l y s i sf o rt

10、h em o d e li nt h i sp a p e r M o d a la n a l y s i sc o n c l u s i o n s，i ti su s e di nt h ec h o i c ea n dd e s i g no fd r i v es y s t e m so fm a c h i n et 0 0 1 I nt h em o d e l i n gp r o c e s s B e c a u s ep r e p r o c e s s i n gm o d u l eo ft h eA N S Y Ss o f t w a r et oc o

11、m p l e xt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n ga p p r o a c hi sn o te a s ym a n e u v e r a b i l i t y，a n ds u c hac o m p l e xs t r u c t u r em o d e l i n gc a nn o tb ec o m p l e t e da sa c c u r a t e l ya n de f f i c i e n t l yc o o r d i n a t eb o r i n gm a c h i n ei nt h

12、 i sp a p e r，S Oi nt h em o d e l i n ga p p r o a c h，u s i n gt h ep o w e r f u l3 Dm o d e l i n gd e s i g ns o f t w a r eP r o|E N G I N E E RW i l d f i r e 2 0t od ot h r e e d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e l，t h e nt r a n s m i tt h em o d e li n t oA N S Y S I O 0b yas e a m l e s

13、 si n t e r f a c e I m p r o v et h em o d e l i n ge f f i c i e n c y，a n de n s u r et h eq u a l i t yo ft h em o d e l I no r d e rt ot h ec a l c u l a t i o np r e c i s i o na n dc a l c u l a t i o no ft h es i z eo far e a s o n a b l ep h y s i c a lm o d e lt om a k eac e r t a i ns i m

14、 p l i f i e d U n d e rt h ep r e m i s eo ft h ea n a l y s i so fc e l lq u a n t i t y，q u a l i t ya n dl a y o u t，t ob u i l daf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fm a c h i n et o o lo ft h ew h o l eb o d yw i t ht h es o l i de l e m e n tm e s h M a c h i n et o o li se q u i p p e dw i t

15、hh i g hs p e e dd r i v es y s t e m s，i ti sb a s e do nm o d a la n a l y s i s，w h i l er e f e r e n c et oe x p e r i e n c ei nd e s i g na n dc a l c u l a t i o n f u n c t i o n a le x p a n s i o no ft h em a c h i n et o o lh a sc a r d e do u tw i t ht a k i n gi n t oa c c o u n tt h e

16、m a c h i n et o o li t s e l f,b e t t e rs t a b i l i t ya n dm a c h i n i n ga c c u r a c yo ft h eo r i g i n a lm a c h i n e，S Ot h eo r i g i n a lC a no n l yb eu s e di np r e c i s i o nd r i l l i n gm o l d，m o l da n do t h e rf u n c t i o n so ft h ec o o r d i n a t e so fb o r i

17、n gm a c h i n e，a l s oh a sm i l l i n gc a p a b i l i t i e s，w h i l ea c h i e v i n gm o r ea x i so fm a c h i n et o o l s，t h e r e b ym a t c h i n gap o w e r f u lC N Cs y s t e ma n ds e r v od r i v es y s t e m s S ot h a tt h em a c h i n eC a nb et r a n s f c I r m e dt oa d a p t

18、t oaw i d e rr a n g eo fp r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t s，i m p r o v er e s o u r c eu t i l i z a t i o n 1 I硕十学位论文K e y w o r d s：C o o r d i n a t eb o r i n gm a c h i n e；f i n i t ee l e m e n t；M o d a lA n a l y s i s；N u m e r i c a lr e c o n s t r u c t i o nm坐标镗床的有限元法评估分析及数控系统

19、选择插图索引图2 1T 4 1 6 3 坐标镗床结构示意图。9图2 2 两软件联合应用流程图1 3图2 3P R O E 中建立三维模型图1 5图2 4 读入A N S Y S 后工作台模型图1 6图2 5 读入A N S Y S 后立柱模型图1 6图2 6 读入A N S Y S 后床身模型图1 6图2 7A N S Y S 中完成装配图1 6图2 8 八节点六面体单元图1 7图2 9S O L L D 4 5 单元图2 0图2 1 0 完成网格划分模型图2 1图2 1 1 施加边界条件模型图。2 2图2 1 2 约束模态第一阶振型图2 6图2 1 3 约束模态第二阶振型图2 6图2 1 4

20、 约束模态第三阶振型图2 6图2 1 5 约束模态第四阶振型图2 6图2 1 6 约束模态第五阶振型图2 6图2 1 7 约束模态第六阶振型图2 6图2 1 8 约束模态第七阶振型图2 7图2 1 9 约束模态第八阶振型图2 7图2 2 0 约束模态第九阶振型图2 7图2 2 1 约束模态第十阶振型图2 7图2 2 2 第一阶模态位移云图2 8图2 2 3 第二阶模态位移云图2 8图2 2 4 第三阶模态位移云图2 8图2 2 5 第四阶模态位移云图。2 8图2 2 6 第五阶模态位移云图2 9图2 2 7 第六阶模态位移云图。2 9图2 2 8 第七阶模态位移云图。2 9图2 2 9 第八阶

21、模态位移云图2 9图2 3 0 第九阶模态位移云图2 9图2 3 1 第十阶模态位移云图2 9I V硕十学应论文图3 1T 4 1 6 3 传动系统简图3 2图3 2 频率与共振区域图一3 4图3 31 F T 6 0 8 1 S P G 简图及主要尺寸图3 8图3 41 F T 6 0 4 4 S P G1 0 0 M F l 简图及主要尺寸图。3 8图4 1 坐标镗床工作台进给机构简图4 5图4 2 坐标镗床改造后控制结构简图一4 5图5 16 1 1 D 控制原理图5 2图5 28 4 0 D、6 1 1 D 的连接，以及和外围设备的连接图。5 3V兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授

22、权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：彩f 拽日期：卯p 年5 月多7 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等

23、复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：崭J 搁导师签名：殍笔阳挑3日期：砸年于月3 日日期年多月石日硕士学何论文1 1 课题意义第1 章绪论我们都知道，制造业是国民经济的基础产业和支柱产业，是推动国家技术进步的主要力量。在世界快速现代化的今天，我国的制造业水平与发达国家相比整体水平偏低，这是不争的事实，也因此直接影响到了我国工业产品质量的提高和制造成本的降低，影响到我国工业产品的国际市场竞争力。为改变这种落后的状况，必须提高制造业的装备水平，特别是机床的数控化率。设备是企业发展生产技术和

24、实现经营目标的物质基础。设备的技术性能和技术状态不但直接影响产品质量，还关系工时、材料和能源的有效利用，同时对企业的经济效益也会产生深远影响。设备的技术改造和更新直接影响企业的技术进步、产品开发和市场开拓。因此，从企业产品更新替代、发展品种、提高质量、降低能耗，提高劳动生产率和经济效益的实际出发，进行充分的技术分析，有针对性的用新技术改造和更新现有设备，是提高企业素质和市场竞争力的一种有效方法。购置数控机床是提高机床数控化率的途径，对原有普通型旧机床数控化改造也是提高数控化率的重要途径之一，而且也是比较适合一些中小型企业，即可以避免部分性能良好的机床的资源浪费，又可以一定程度上节省经济开支。我

25、国目前机床总量4 0 0 余万台，而其中数控机床总数只有1 2 5 4 万台，即我国机床数控化率不到3。近些年来，我国数控机床年产量为0 6 O 8 万台，机床年产量数控化率为6。制造行业、加工装备业绝大多数是传统的机床，而且半数以上是使用年限达l0 年以上的旧机床。国内传统旧机床的数控化改造是很有前景的市场n3。机床数控化改造，顾名思义就是在原普通机床上增加微型计算机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。它是根据生产实际需要提出，并随着机床行业以及技术的不断进步而发展起来的，它的内容是应用成熟的数控技术和经验，以适应生产的具体要求为目的，对现有机床的局部结构进行改造，

26、并安装上新的部件、新装置、新辅助件，用计算机控制机床的工作，提高机床的技术性能指标，使之全部或者局部达到新数控机床的水平。旧机床的数控改造，在世界范围内已经成为了一个产业。对各种类型机床的改造也有着成熟的改造方案，但是传统的改造方法中，对机床的评估工作往往是建立在设计者的经验基础之上的，面对现在对机床高加工精度，高切削速度等要求，原机床能否在改造完成后达到此目标，现有旧机床能否安装高速的动力头，在高速情况下能否保持机床的可靠性、稳定性以此来保证加工精度的要求，这些问题的解决都要求用现在的技术手段，对原有机床整机的动、静态特性进行分析坐标镗床的有限元法评估分析及数控系统选择评估。因此如何把动态分

27、析评估方法应用到现在机床改造的过程当中，对于改造的效率、改造后机床的性能等都有着重大意义，而且对我国机床改造工业的发展也具有深远意义。长期以来，机床的动力学分析只是以对实际机床的动态测试为基础进行的，没有应用动力学模型进行分析计算，发挥理论的巨大作用。在机床的设计过程中，以及旧机床的改造时，这样的分析往往只能得到一些定性的结论，而且没有把握，可以说这样的分析还处在一个较低水平的阶段。旧机床的改造过程中，机床的动态评估基本上没有展开。过去机床改造都是根据经验和原机床的设计参数来进行的，对它的动态性能只能作粗略的原则性考虑。这样改造出来的机床是比较的保守，而且稳定性也是一个值得探讨的问题。近年来，

28、由于计算机的广泛应用，大型可靠的分析软件的出现，上述关于机床动态模拟计算的问题得到了解决。因此，目前已有可能运用强大的分析软件，对机床做三维模型，然后进行详尽、系统的动力学分析，这不仅仅能给机床的设计工作带来方便，而且还可以作为机床改造时的理论依据。使改造后的机床整机性能更好，效率和稳定性更高心1。1 2 课题背景本课题的主要任务是对兰州理工大学机电工程学院制造技术基础实验室的1 9 7 9 年昆明机床厂生产的单柱坐标镗床(T 4 1 6 3)，进行数控化改造，该机床主要用来加工钻模、镗模及其他零件上有精确孔距要求的孔，亦可做准确的样板划线、中心距测量和其他直线性尺寸的检验等工作，机床还备有万

29、能转台等附件，从而扩大了机床的加工范围，不仅可做一般的加工，而且还可以进行极坐标制孔的加工、斜孔的加工和分度等工作，机床的坐标定位采用光学装置。因而机床定位精度不受机床磨损的影响。该机床的读数及定位精度分别为0 0 0 1 毫米和0 0 0 6 毫米，虽然运行多年但其精度依然能达到多数加工件的要求，为了实现机床的再利用、满足教学和科研所需，所以对其进行数控化改造，提高自动化程度，使之达到精密数控机床的性能是可行的，也是必要的。本文将探索新的机床评估方法，即基于有限元方法的动态评估方法，以此结果与数控伺服系统的选型匹配，在理论上达到合理配型。1 3 国内外机床数控改造发展和研究现状1 3 1 数

30、控系统的出现和发展19 4 6 年诞生了世界上第一台电子计算机，6 年后，美国帕森斯公司(P a r s o n sC o)硕士学位论文与麻省理工学院伺服机构实验室(S e r v eM e c h a n i c sL a b o r a t o r yo fT h eM a s s a c h u s e t t sI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y)合作研制成功第一代数控系统。从此，传统机床产生了质的变化。半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。第一阶段：数控(N C)阶段(1 9 5 2 一1 9 7 0 年)。早期采用数字逻辑电路

31、组合成一台机床，专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控(H A R D W I R E D N C)，简称为数控(N C)。随着元器件的发展，这个阶段经历了三代，即1 9 5 2 年的第一代一电子管时代；1 9 5 9 年的第二代一晶体管时代；1 9 6 5 年的第三代一小规模集成电路时代。第二阶段：计算机数控(C N C)阶段(1 9 7 0 年一现在)。到1 9 7 0 年，通用小型计算机作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控(C N C)阶段。到1 9 7 1 年，美国I N T E L 公司第一次将计算机的两个最核心的部件一运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片

32、上，称之为微处理器(M I C R O P R O C E S S O R)，又可称为中央处理单元(简称C P U)。到1 9 7 4 年，微处理器被应用于数控系统。到了1 9 9 0 年，P C 的性能已发展到较高的水平，从8 位，1 6 位，发展到3 2 位，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于P C 的阶段。总之，计算机数控的发展也经历了三代。即1 9 7 0 年的第四代一小型计算机：1 9 7 4 年的第五代一微处理器和1 9 9 0 年的第六代一基于P C(国外称为P C-B A S E D)。必须指出，数控系统发展到第五代以后，才从根本上解决了可靠性低、价格极

33、为昂贵、应用很不方便(主要是编程困难)等极为关键的问题。因此，数控技术经过了3 0 年的发展才走向普及应用。1 3 2 国内外机床数控改造现状在国内，数控机床生产逐渐形成批量，开始出现了一批以北京机床研究所为龙头的机床厂，主要生产键铣加工中心，其C M E l0 0 0 数控系统是“九五”期间最新开发出来的具有很高性能价格比的普及型数控系统。该数控系统是一个系列化产品，有三种基本类型：C M E L 0 0 0 T 车床用数控系统、C M E L 0 0 0 M 铣床和小型加工中心用数控系统和C M E L 0 0 0 G 磨床用数控系统。根据用户特殊用途机械设备加工的需要，可以为用户定制特定

34、的软件，从而派生出特定用途的经济型数控系统。该系统已经广泛用于主机厂的机床配套、旧机床改造项目和步进系统的更新换代，取得较好的经济效益和社会效益。后来又有许多经济型数控系统的生产厂家，如：武汉华中数控、沈阳数控、北京斯达特机电科技发展有限公司、宁夏康迪特自控技术公司、广州数控设备厂、航天数控集团等。数控机床一方面向大型、多功能方向发展：一方面向经济型方向发展。数控机床的逐渐普及，数控系统的价格不断降低，使得旧机床进行数控化改造的优点更明显，促使越来越多的机械加工厂选择旧机床数控化改造作为设备华标铧床的有限元法评估分析及数控系统选择更新的途径。我国从8 0 年代初期开始进行机床数控化改造技术的研

35、究和推广，到现在仅有2 0 多年的历史。目前，机床改造大都局限在中、小型车、铣床的数控化改造上，只有少数专门承担旧机床数控改造任务的翻新公司或改造公司，如沈阳创新数控公司。目前在数控机床的科研、设计、制造和使用上，美、德、日三国是技术最先进、经验最多的国家。美国起初为满足汽车、轴承生产的需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动化生产线，而且电子、计算机技术在世界处于领先地位，因此其数控机床的主机设计、制造以及数控系统基础扎实，而且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。德国数控机床质量及性能良好，尤其是大型、重型o 精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件的先进实

36、用性，并且在机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件上质量、性能都居世界前列。日本在开发、生产、出口数控机床上也是世界前列，日本F A N U C 公司开发了市场上所需的各种低、中、高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。基于发达的数控系统研发生产；上述国家在数控技术改造已形成了机床和生产线数控改造的新行业。在美国，机床改造业称为机床再生(R e m a n u f a c t u r i n g)业。从事再生业的著名公司有：B e r t s c h e 工程公司、A y t o n 机床公司、D e v l i e g B u l l a v d(得宝)服务集团、U

37、S 设备公司等。美国得宝公司己在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装(R e t r o f i t t i n g)业。从事改装业的著名公司有：大限工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等口呻3。传统机床改造前期评估。一般的方法是根据原有机床的一些性能指标和经验进行评估，包括机床的传动系统、机床现在所具有的加工精度、主轴的最高转速、床身刚度等。然后再依据经验公式进行校核。根据控制轴数选择数控系统和驱动系统；拆除齿轮减速箱，改用直接伺服电机驱动；原机床的传动系统改换成滚珠丝杠副传动。北京航空航天大学硕士研究生提出过，应用电子表格，对机床的改造可

38、行性等进行评估分析。但是在机床改造过程中对于机床机构的评估分析，做的比较少。特别是原机床的动态性能评估等。机床的合理数控化改造的工作一般包括：(1)机床改造经济性的评估；(2)原机床静动态性能的评估；(3)原机床主运动和传动系统运动副的评估；(4)机床改造的功能扩展分析；(5)原机床电器控制、液压系统及冷却系统改造设计；1 4 有限元方法概述有限元方法始于上世纪四十年代，至五十年代中期，是大型复杂结构或多自由度体系分析的有力工具，近几十年来已广泛地用于工程结构、传热、流体运动、电磁等连续介质的力学分析中，并在气象、地球物理、医学等领域得到应用和发4硕十学位论文展。计算机的出现和发展，使有限元法

39、在许多实际问题中的应用变成现实，并具有广阔的前景。有限元法的基本思想是将联系的求解区域离散成一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限单元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内的近似函数，通常由未知场函数或其导数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表达。这样一来，在有限元分析中，未知场函数或其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量(也即自由度)，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的

40、近似值，从而得到整个求解域上的近似解。显然随着单元数目的增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解。现代有限元法第一个成功的尝试，是将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题，这是T u r n e r，C l o u g h 等人在分析飞机结构时于1 9 5 6 年得到的成果。他们第一次给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确答案。三角形单元的单元特性是由弹性理论方程来确定的，采用的是直接刚度法。他们的研究工作打开了利用计算机求解复杂平面弹性问题的新局面。1 9 6 0 年C l o u g

41、h 进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法 的名称，使人们开始认识了有限元法的功效。近半个世纪以来，有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力学问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到朔性、粘弹性、粘朔性和复合材料等。从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计并和计算机辅助设计技术相结合，可以预计，随着现代力学、计算数学和计算机技术等学科的发展，有限元法作为一个具有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，必将在国民经济建设和科学技术发展中发挥更大的作用，其自身亦将得到

42、进一步的发展和完善n 0。1 4 1。1 5 有限单元法中动态特性分析法的发展及模态分析方法介绍有限单元法是力学与现代计算技术相结合的产物，是力学科学在计算技术上实现现代化的一个代表性的标志。自2 0 世纪7 0 年代以来随着计算机的出现，现代设计方法，如C A D、优化、发计、有限单元法以及三维动态设计等应运而生，解决了传统的设计方法无法解决的或难以解决的工程问题。结构动力分析足研究结构的动态特性及在受动载荷激励作用下产生的动态响应，它是结构动态设计中的一个很重要的研究内容。在处理复杂机械结构动力分华标镗床的有限元法评估分析及数控系统选择析和动态设计等方面，有限元法是一种通用的理论建模分析方

43、法。利用大型通用有限元分析软件作为工具进行结构分析，使得复杂机械结构的静、动态分析及优化变得高效、简洁。有限元法是一种采用计算机求解数学物理问题的近似数值解法。在机械结构的动力学分析中，利用弹性力学有限元法建立结构的动力学模型，进而可以计算出结构的固有频率、振型等模态参数以及谐响应，在此基础上还可根据不同需要对机械结构进行动态设计。由于有限元法具有精度高、适应性强以及计算格式规范统一等优点，故在短短4 0 多年里，已经广泛应用于许多领域，己成为现代机械产品设计中的一种重要工具。特别是随着电子计算机技术的发展和软、硬件环境的不断完善以及高档微机和计算机工作站的逐步普及，现在己有许多著名的有限元程

44、序可以利用，从而为有限元法在机械结构动态设计中的推广应用创造了更为良好的条件，并将展示出更为广阔的工程应用前景。在市场经济要求下，各种有限元分析(F E A)设计工具得到长足发展，其强大的设计功能满足了各企业的需求，并广泛应用于航空航天、机械制造、汽车交通、电子、土木工程、水利等各行各业7 l。机械模态分析根据研究手段和方法可以分为理论模态分析和试验模态分析，以及二者相结合的理论一试验模态分析过程三种。作为振动工程理论的一个重要分支，模态分析或实验模态分析为各种产品的结构设计和性能评估提供了一个强有力的工具，其可靠的实验结果往往作为产品性能评估的有效标准，而围绕其结果开展的各种动态设计方法更使

45、模态分析成为结构设计的重要基础，特别是计算机技术和各种计算方法的发展，为模态分析的应用创造了更加广阔的环境。但随着机械结构分析设计需求不断增长，模态分析方法仍存在着一些不足。其中，单纯实验模态分析只能测量有限的几个低阶模态，并且受到测量精度影响。另外，实验方法难于将测得的模态参数转换为便于结构设计优化的尺寸或材料特性等参数。在解析模态分析方法方面，由于有限元方法和计算机技术的支持，对复杂机械结构分析能够提高速度并获得较好的精度。1 6 研究的主要内容一般在对机床进行评估的过程中，我们足凭借着经验来进行的，其改造后机床性能的好坏往往取决于设计者的经验。随着计算机技术的飞速发展和一些通用有限元软件

46、的不断完善，有限元方法越来越被广泛的使用在对复杂结构的动、静力学分析上。本课题所研究的单柱坐标镗床(T 4 1 6 3)结构的建模与性能分析，正是采用有限元方法，在通用有限元分析软件A N S Y S 的基础上进行的。这也是目前机床行业结构动、静态分析的最主要方法。通过A N S Y S 软件的建模分析得出机床的本身固有模态，根据机床的模念我们来选择适当数控系统和配套伺服电机，这样6硕士学位论文一种机床动态特性分析应用于机床的数控化改造上面的全新方法，可以让改造完成的更合理，改造后的数控机床工作稳定，即可以避免在机床的改造过程中数控系统的选择不合理的问题，又可以在原有机床的刚度稳定性基础上改进

47、主轴以及进给系统的速度，从而提高生产的效率。同时，本机床属于高精度机床，而且因为年代久远，整体机械系统都已趋于稳定。原机床只有镗削和简单铣削功能，对于这样一个精密的坐标镗床来说，单一的加工能力，对其是一个极大的资源浪费。本课题数控改造的目的就是，在满足理论评估的基础上，尽量选择高转速的电机拖动系统，同时，通过对其机械部分的改造、数控系统的选择，使其具有铣削加工的能力，实现三轴联动。本课题的具体任务为：1 基于有限元方法的机床模态分析，即机床的固有特性分析。它是通过研究无阻尼的自由振动，得到振动系统的自然属性，即固有频率和振型，其具体步骤如下：(1)建立结构的几何模型：本课题对坐标镗床进行整体建

48、模，以实验室现有的机床为实体模型，根据有限元理论进行合理的分析，建立能反映实体空间形状的简化C A D 模型。一(2)结构离散即单元划分：通过对比分析，对于不同机床的不同部件选择合适的单元类型及网格划分方式，并合理地确定其边界条件i，(3)动态特性求解及分析：利用有限元分析软件求解，得到坐标镗床的低阶固有频率及各阶振型，绘制振型图。2 伺服系统的选择伺服系统是机械运动的驱动设备，以电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转化为机械能，实现机械的运动要求。根据分析，选择合适的

49、传动电机，从而达到发挥机床最大性能的目的。3 机床传动系统的设计改造数控机床机械结构主要由以下几个部分组成：主传动系统及主轴部件、进给传动系统、自动换刀装置、基础件、实现某些动作和辅助功能的系统及装置。此外，为了提高数控加工的可靠性，现代数控机床还配有刀具破损监控装置及加工精度检测监控装置等。机械部件的设计主要是根据机床类型和操作的方法来完成的，不同的机床其机械部件的特点及功能也是完全不同的。4 数控系统的选择数控系统的选择主要是根据机床的前期评估以及数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电动机的功率和用户要求。数控系统主要有以下三种类型，改造时应根据具体情况进行选择。坐标镗床的有限元法评估分析

50、及数控系统选择(1)步进电动机拖动的开环系统，开环系统的伺服驱动装置主要是步进电动机、功率步进电动机、电液脉冲马达等。(2)异步电动机或直流电动机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统，该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值为零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。(3)交直流伺服电动机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统，半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系