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图1-1 课题研究内容与研究方法

1.3 论文的主要内容

论文的主要工作是根据虚拟制造技术理论和机床动态优化设计思想，对XH7710型立卧自动转换加工中心进行方案可行性分析。首先在计算机上完成机床二维图纸到三维实体的转换，建立具有视觉动感效果的三维动态机床虚拟样机模型，然后对立卧自动转换万能铣头进行装配仿真，直观的观察其自身的相对运动及干涉原因，同时利用有限元法分析计算机床关键部件，如滑枕、立柱、铣头等部件的动力学特性参数，如固有振动频率，响应位移等，最后根据干涉分析报告和动力学分析报告对机床结构进行改进和优化。

本论文共分为六章，具体内容如下。

第一章，绪言。介绍课题的技术背景、课题来源、主要内容、研究方法和研究意义。 第二章，XH7710型立卧自动转换加工中心及其铣头结构特点分析。主要分析五轴加工中心的应用及结构特点，重点分析其关键零件——立卧自动转换万能铣头的结构特点，以二维图纸为对象，分析其功能可实现性。最后根据加工中心结构特点分析，阐明了应用虚拟制造理论和机床动态优化设计思想改进和优化XH7710型立卧自动转换加工中心的具体方法。

第三章，XH7710型立卧自动转换加工中心虚拟建模及虚拟装配仿真。主要应用虚拟建模技术建立加工中心零部件的虚拟模型，应用虚拟装配技术确定装配原则和装配路经，完

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成了立卧自动转换万能铣头和整机的装配模型，并对虚拟装配模型的进行静态干涉检验，校正机床结构设计方案的正确性，对设计设计整体方案提出改进和优化方案。

第四章，动力学分析基本理论。主要介绍论文中动力学分析的内容理论知识：固有振动特性和相应特性两方面基本理论，同时介绍了机床动静态特性分析的有限元方法。

第五章，XH7710型立卧自动转换加工中心动特性仿真分析。应用有限元法对影响机床整体刚度比较大的主要部件如滑枕、立柱、铣头等进行动静态特性分析，获得机床动力学分析报告，提出部件模态频率分离的整机动态优化设计方案。

第六章，论文总结。主要总结论文所作的研究工作及论文的研究意义，并展望课题进一步深入研究的方法。

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第二章 XH7710型立卧自动转换加工中心结构分析

2.1 五轴加工中心的应用及分类 五轴加工中心凭借其高速度，高刚度，高精度的优良性能，主要用于加工具有复杂轮廓曲面、型腔的工件，并且可以在一次装夹工件的条件下完成多种空间角度的铣、镗、钻等多种工序的加工，广泛应用于航空航天、汽车、船舶和模具等重要产品生产领域。和三轴数控加工比较，五轴加工能够实现更加复杂型面工件的加工，达到更好的表面加工质量。图2-1所示为利用五轴加工中心加工的具有复杂轮廓去面的航空工业产品。

图2-1 五轴加工中心加工的具有复杂轮廓的航空工业产品

五轴加工中心系统自身的坐标轴分为两类：一类是带动工件进给的直角坐标系X、Y、Z，Z轴平行于机床主轴，X轴水平且平行于工件装卡平面，Y轴按照右手直角坐标系规则确定；另一类是带动工件旋转的回转坐标系A、B、C，分别以X、Y、Z主轴作为旋转轴，按照右手螺旋规则确定旋转方向。

五轴加工中心结构千变万化，但是坐标系都是3个平动坐标和2个转动坐标的组合。根据2个转动坐标的配置形式，五轴加工中心分为两种结构形式：一种结构是在工作台上实现两个回转运动，一般称之为五坐标联动双转台加工中心，如图2-2所示。这种结构的机床目前国内已经能够自己独立设计制造。另一种结构是在铣头上实现C轴和A轴（或B轴）的回转运动，一般称之为五坐标双摆头加工中心，如图2-3所示。

2.2 XH7710型立卧自动转换加工中心的结构特点分析

图2-2 五坐标联动双转台加工中心 图2-3 五坐标联动双摆头加工中心

数控机床的功能和设计与普通机床有很大的差异，对数控机床的结构设计要求一般归纳为如下几个方面：

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（1）具有大的切削功率，高的静、动态刚度和良好的抗振性能； （2）具有较高的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性； （3）具有实现辅助操作自动化的结构部件。

按照上述数控机床结构设计要求，本课题设计的XH7710型立卧自动转换加工中心结构简图如图2-4示。由于该加工中心功能强大，结构实现起来比较复杂，根据其各个主要部件实现的功能不同，可以将其分为基础件和配套件，基础件包括铣头、滑枕、立柱、床身、工作台和托架等主要部件；配套件包括刀架、刀库、丝杠和导轨等部件（图中没有显示配套件）。[6]

[6] 王爱玲.现代数控机床结构与设计.北京：兵器工业出版社，1999（9）

图2-4 XH7710型立卧自动转换加工中心结构简图

XH7710型立卧自动转换加工中心整机结构特点是，工作台在床身上实现X轴直线运动，托架带动滑枕（主轴箱）在立柱上实现Y轴直线运动，滑枕（主轴箱）在托架上实现Z轴直线运动，主轴箱（滑枕）驱动铣头实现C轴回转运动，铣头自身在主轴箱以及液压油路驱动下实现立卧自动转换和刀具主轴回转运动。

一般情况下，机床加工过程中由床身、立柱、导轨、工作台、刀架和主轴系统的变形所产生的定位误差和几何偏差取决于它们的结构刚度，而且在加工过程中这些误差不能进行人为调整和补偿。在设计时应该根据各受力部件所受作用力的大小来确定相应的结构和

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