毕业设计开题报告机械设计制造及自动化精密机床实体建模与动力学分析1选题的背景、意义近20年来，机床不断向高速和精密方向发展。

基于材料去除的冷加工技术, 从本世纪60 年代初美国用单点金刚石刀具对电解铜进行加工,并成功地切削出镜面以来, 在加工精度方面发生了质的变化, 促使了超精密加工技术的产生和发展。

一般认为, 被加工零件的尺寸和形位误差小于零点几微米, 表面粗糙度介于几纳米到十几纳米之间的加工技术, 是超精密加工技术。

精密和超精密加工技术的发展,直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展,因此世界各国对此都极为重视,投入很大力量进行研究开发,同时实行技术保密,控制关键加工技术及设备出口。

随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用,对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。

目前国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备,发展了新的精密加工和精密测量技术[1]。

机床工业是装备制造业和国防工业的基础。

机床切削时的振动和变形不仅直接影响机床的动态精度和工件的加工质量，而且会导致生产效率下降、刀具磨损加剧，甚至直接导致机床故障和使用寿命缩短。

提高精密机床的加工精度迫在眉睫。

精密、超精密机床振源主要来源于机内振源和机外振源。

其中，机内振源主要来源于机床各主轴伺服驱动系统与传动系统的振动，包括转子旋转不平衡及电磁力不平衡引起的振动；机床回转零件的不平衡引起的振动；运动传递过程中引起的振动；往复部件运动的惯性力引起的惯性力振动；切削时的冲击振动等。

超精密机床机外振源主要来源于其它机床、锻压设备、火车、汽车等通过地基传给机床的振动等。

因此，对机床动力学特性进行深入研究十分必要。

这种高要求的设计理念要求设计人员在设计过程中，对机床的动态特性进行研究。

对于高速精密机床而言，进行机床动态特性分析和优化设计更为重要。

高速精密机床系统动力学是以精密机床为对象，以结构动力学、加工系统动力学及传动系统动力学等为主要研究内容，以三维建模、数值计算、动态特性分析和动态性能测试等为手段，为机床设计、制造提供基本理论及设计依据的学科[2]。

2.相关研究的最新成果及动态2.1国内外精密机床发展情况1)国外超精密机床的发展情况研发超精密机床是发展超精密加工的重要前提条件[3]。

近年来发达国家已成功开发了多种先进的超精密加工机床。

超精密机床的发展方向是:进一步提高超精密机床的精度,发展大型超精密机床,发展多功能和高效专用超精密机床。

美、英、德等国在上世纪七十年代(日本在八十年代)即开始生产超精密机床产品,并可批量供货。

在大型超精密机床方面,美国的LLL国家实验室于1986年研制成功两台大型超精金刚石车床:一台为加工直径2.1m的卧式DTM-3金刚石车床,另一台为加工直径1.65m的LODTM立式大型光学金刚石车床[4]。

其中,LODTM立式大型光学金刚石车床被公认为世界上精度最高的超精密机床。

美国后来又研制出大型6轴数控精密研磨机,用于大型光学反射镜的精密研磨加工。

英国的Cranfield精密加工中心于1991年研制成功OAGM-2500多功能三坐标联动数控磨床(工作台面积2500mm×2500mm),可加工(磨削、车削)和测量精密自由曲面[5]。

该机床采用加工件拼合方法,还可加工出天文望远镜中直径7.5m的大型反射镜。

日本的多功能和高效专用超精密机床发展较快,对日本微电子和家电工业的发展起到了很好的促进作用。

2)国内超精密机床的发展情况在过去相当长一段时期,由于受到西方国家的禁运限制,我国进口国外超精密机床严重受限。

但当1998年我国自己的数控超精密机床研制成功后,西方国家马上对我国开禁,我国现在已经进口了多台超精密机床。

我国北京机床研究所、航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学等单位现在已能生产若干种超精密数控金刚石机床。

哈尔滨工业大学研制的加工KDP晶体大平面的超精密铣床。

KDP晶体可用于光学倍频,是大功率激光系统中的重要元件。

必须承认,在超精密机床技术方面,我们与国外先进水平相比还有相当大的差距,国产超精密机床的质量水平尚待进一步提高。

2.2动力学分析国内外研究进展1)结构系统整机建模整机动力学建模是机床动力学分析和动态设计过程中的关键。

其建模过程需根据机床的设计图纸或实际结构作适当简化。

常见的整机动力学模型有集中参数模型、分布质量模型和有限元模型。

在集中参数模型中［6］，结构的质量用分散在有限个点上的集中质量来替换，结构的弹性用没有质量的当量弹性梁来替换，结构的阻尼假设为迟滞型的结构阻尼，结合部简化为集中的等效弹性元件和阻尼元件。

1964年taylor曾在摇臂钻床刚度计算中采用集中质量思想，得到了与实测值较一致的固有频率和振型。

该方法的不足之处在于工程上往往难以用简单合理的力学模型来模拟复杂的机床结构进行动力学分析，且精度较低。

分布质量模型由于将较大的质量块分成小块，将子结构简化为质量均匀的等截面梁，比集中质量法更接近实际，计算也较简单。

张广鹏等［7］在机床整机动态建模中采用了分布质量梁模型，得到加工中心的固有频率和动柔度频响。

该方法编程工作量大，但可快速且较为准确地预测机床整机动态特性，其计算精度比集中质量法高。

有限单元法比前述两种方法更进一步，先对求解区域划分单元，再选定逼近模式分片插值，分析得到单元特征矩阵，最后把各单元特征矩阵组装成总特征矩阵，得到整个机构的方程组进行求解。

Jiang等［8］建立了机床整机的有限元动力学模型，对机床结合面联接件的位置与数量进行了拓扑优化设计。

赵宏林等［9］开发了基于有限元法的机床整机特性分析软件，实现了在图纸设计阶段预测其整机静动态及热态综合特性的目的，缩短了产品开发周期。

相比于分布质量梁模型及集中参数模型，有限元模型模拟实际结构精度高，但其计算效率与单元的大小和逼近模式的复杂程度直接相关。

现阶段高频率和大容量存储计算机技术使得有限元建模和分析的效率进一步提高，同时使其可视性和直观性得到充分体现。

Zatarain等［10］建立的基于Nastran和Ideas的立柱移动式铣床动态有限元分析模型，周德廉等［11］建立的基于Ansys的高精度内圆磨床M2120A整机结构动力学模型充分体现了商业有限元软件在结构系统整机建模分析的高效率和高精度。

近年来，国内外学者在有限元法基础上发展了虚拟现实技术［12］、模态力法［13］和理论与实测结合法等。

综合运用模态力法与有限元法对机床进行固有频率及其振型分析时，可直接计算出刀具和工件间在各阶固有频率下的相对动位移量及相应模态。

该方法与单一有限元分析相比，精度相当，但计算速度更快。

由于机床动力分析中许多参数依赖于测试，单靠理论计算往往得不到符合工程实际的解析，因此将动态测试技术和有限元技术结合很有必要。

Elbestawi等［14］针对高速铣削和磨削相结合的加工装备进行动力学分析时，先在样机的动态测试中获得结合面参数，再进行各构件模态振型和固有频率的有限元求解，最后用样机动态测试对动力学整机模型进行修正和验证。

该方法使得整机的动力学理论模型较精确地模拟了实际结构。

2)主轴的动力学分析机床的主轴是机床整个动态结构中的主体部分，因此对机床的主轴进行动力学研究是十分关键和重要的。

但就目前来看，国内对铣床主轴进行动力学分析时，仅局限于对主轴零件进行，且都是在静态状态下完成的，其结果最多只能对主轴的强度、刚度以及固有频率进行校核。

这与机床日益增长的高精度、高效率的要求是不相匹配的。

高技术的机床设计要求有坚实的理论基础和近乎完美的仿真结果为之提供可靠依据。

作为一种加工工具，静态仿真结果对其指导意义并不大。

这就迫切希望能通过某种软件，对机床进行工况下的动力学特性分析，将仿真结果逼近真实。

3课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标3.1 研究内容：1）建立机床三维实体模型和机床主轴模型；2）获取精密机床主轴、床身等功能部件模态、振型等动力学特征参数，指导产品的改进及优化设计；3）根据机床动力学原理，提出提高主轴组件的静刚度或增大主轴组件阻尼以提高主轴组件动刚度措施，实现机床主轴动态性能改善。

3.2 采取的研究方法（技术路线）1）通过三维建模软件UG对机床的整体，关键部件和主轴进行实体建模。

2）使用有限元分析软件ANSYS对机床的模型进行有限元划分，和模态分析获取机床、床身和主轴的振型图，动力学参数。

3）在振型图和动力学的基础上，优化设计机床的薄弱部位，提高机床动态性能。

3.3 研究难点ANSYS对机床三维分析时，结合面的选择有待研究。

3.4 预期达到的目标建立机床和主轴的三维模型，并进行模态分析，得出低阶模态、振型，找出机床结构的薄弱环节，提出优化方案。

4研究工作详细工作进度和安排2011年1月10日文献综述、外文翻译；2011年2月24日开题报告；2011年3月20日机床实体建模；2011年4月20日图纸绘制；2011年5月10日模态分析；2011年5月18日毕业设计初稿；2011年5月27日毕业设计定稿。

5参考文献[1]袁哲俊.精密和超精密加工技术的新进展[J].哈尔滨工业大学学报,2006,40(3):289～291.[2]熊万里,钟国富,纪宗辉.高速精密机床系统动力学的研究进展[J].湖南大学国家高效磨削工程中心,2009年9期[3]袁哲俊;精密和超精密加工技术的新进展[J]. 工具技术 2006年03期[4]Bryan. Design and Construction of an Ultap recision 84 inch DiamondTurning Machine [ J ]. Precision Engineering, 1979, 1 (1) : 13 - 17.[5]WalkerDavid D, Shore Paul R. Manufacture of segments for extremelylarge telescopes: a new perspective [ C ] / / In: Ardeberg AL,AndersenT ( eds). Second BackaskogWork2 shop on Extremely Large Telescopes Proceedings of the SP IE, 2004: 277 - 284.[6]廖伯瑜现代机械动力学及其工程应用 2003[7]张广鹏，史文浩，黄玉美.机床整机动态特性的预测解析建模方法 [J].上海交通大学学报，2001(12)[8]Jiang T.Chirehdast M A System approach to structural topologyoptimization:designing optimal connections 1997(119)[9]赵宏林，张文河，盛伯浩.机床整机综合特性的预测[R]. 1998(03)[10]Zatarain M.Lejardi E.Egana F Modular synthesis of machine tools1998(01)[11]周德廉.陈新高精度内圆磨床整机动力学建模及优化设计 [J] -东南大学学报2001(02)[12]Yeh T P.Vance J M Applying virtual reality technique tosensitivity-based structural shape design 1998[13]陈卫福.孙建光.范晋伟模态力法用于机床结构系统动态分析的研究[J].北京工业大学学报2000(01)[14]Elbestawi M A Development of a novel modular and agile facemachining technology 2002(01)[15]袁安富; 郑祺;基于ANSYS的机床模态分析[J].CAD/CAM与制造业信息化;2008，08：52[16]杨明亚,杨涛,汤本金 ,周永良,阴红,ANSYS 在数控机床模态分析中的应用[J].中国制造业信息化,2006 ,35(17)：40。