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图3-13 装配干涉

3．零件调整

针对上述检测出的装配干涉情况，我们对发生干涉的零件进行了相应调整，具体调整如下：

（1） 螺钉干涉中，增加螺纹孔深度，减小螺钉长度。

（2） 立卧转换干涉中，修改主轴端盖倒角的斜度和铣头左侧壳体倒角的斜度。 （3） 键槽干涉中，原因是套筒的宽度太大，减小套筒宽度既可避免干涉。 （4） 锥齿轮主轴和花键套的干涉中，原因是锥齿轮轴左端的花键没有按照标准设 计，按照花键标准手册修改花键的标准尺寸应为8×46×50×9，对花键尺寸进行重新定义。

另外在轴承的选择时，主轴前端支承的三个并排放置的滚动轴承的基本尺寸为130×85×22，比原来设计的轴向尺寸多了6mm，从而导致了轴承和铣头右侧壳体产生干涉。同时在主轴前端安装法兰盘时需要3mm的调整尺寸，因此主轴的轴向尺寸须向下增加9mm，使主轴的长度由原来的321mm增加到330mm。

通过反复地进行虚拟装配、干涉检验和涉及修改过程，不断完善铣头结构设计，最后经过装配验证，所有装配不见都不存在静态干涉。

4．虚拟装配动画设计

当完成铣头的装配设计工作后，他的装配路线如何，能不能产生动态干涉是设计人员十分关系的问题。虚拟装配动画设计的目的是为了检测铣头是否产生干涉动态，装配动画就是仿真铣头装配的全国车，以三维动画的形式说明铣头的装配路径和装配顺序。在装配过程中如果发生动态干涉，系统会发出干涉报警，提示出发生干涉的部位和干涉的体积。图3-14所示为对加工中心铣头装配路径进行仿真的装配动画。

图3-14 铣头装配路径动画设计

3.2.4 XH7710型立卧自动转换加工中心整机虚拟装配

完成所有零部件的虚拟装配后，把所有部件虚拟装配模型按照功能和结构要求装配成整机模型。图3-15所示为XH7710型立卧自动转换加工中心整机虚拟模型。

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图3-15 立卧自动转换加工中心整机装配模型

3.3 虚拟装配干涉检验结果总结

通过对加工中心虚拟装配干涉检验，检查出了许多干涉现象，但是通过对干涉处进行细致的分析，所有的干涉现象可以归纳为以下几种情况：[17]

[17] 加工中心虚拟装配建模及装配干涉研究.穆塔利夫。阿赫迈德，张年松，郑力.现代制造工程，2000，9

1．部分装配件之间确实存在干涉现象，属于设计问题，必须修改。如螺钉干涉，键 槽干涉和立卧自动转换干涉等情况。

2．部分装配件干涉处为弹性元件或可变形零件与其他零部件相接，必然出现干涉现 象，不需要修改，如蝶形弹簧干涉。

3．部分装配干涉是由于零件虚拟建模过程中对模型作了一定的简化，此类干涉情况 属于正常现象，与设计错误无关。例如锥齿轮创建过程中只是利用圆锥体代替，并没有创建锥齿，两个锥齿轮啮合时，必然产生干涉。

通过对XH7710型立卧自动转换加工中心虚拟装配建模、虚拟装配、干涉检验和相对应的干涉检验报告进行分析，发现装配模型多处存在装配干涉点，这对有关零部件进行及时的修改设计提供了依据，为提高设计质量提供了保证。利用虚拟装配建模和虚拟装配可以清晰的观察到铣头部件的内部结构，给设计者直观感受，达到较高模拟精度，为管理、设计、工艺等人员整体把握XH7710型立卧自动转换加工中心零部件结构提供了帮助，同时也为加工中心后续的机构仿真及动力学分析、有限元建模及热变形分析和模态分析等分析研究奠定了基础。

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第四章 机床动力学分析基本理论

4.1 机床动态性能研究内容

对机械产品和设备进行结构动力学分析的目的是提高机械结构动态特性，优化结构设计，提高质量。对机床进行动力学分析的目的就是获得机床零、部件直至整机的动态特性参数，如固有振动频率、动力响应位移和噪声指标等，进而对其进行动态优化，使所设计的机床具有良好的动态性能，并且使之能发挥出应有的加工性能。对机械结构进行动力学分析一般分为两类问题：一类是根据一个给定的系统建立其数学模型，通过动力学分析完成系统的性能分析，然后根据系统性能参数设计系统结构，但是在很多情况下结构设计不易实现，这类问题被称为动力学“正”问题；另一类是对已有的设计结构进行结构动力学分析，并根据分析结果，修改结构参数，使其满足动态特性要求，此类问题被称为动力学“反”问题。[9][10]

[9] 张策.机械动力.高等教育出版社，2000，4

[10] 袁士杰.多刚体系统动力学.北京理工大学出版社，1992

对于机床动力学分析来讲，通常是先根据经验和各方面的设计要求作出原始的具体设计，然后按照原始设计建立数学模型进行动力学分析；根据分析结果和设计要求的偏差，修改原始设计；又按照修改后的设计进行动力学分析，再修改、再分析，直至获得满足设计要求的具体结构为止，这也就是机床动态优化设计的方法。

机床动态特性研究内容包括机床结构的固有特性和动力响应。研究机床动态特性目的是根据分析计算结果优化机床结构使其具有更好的动刚度，提高抗振动能力。机床的抗振动能力是指机床抵抗受迫振动和自激振动的能力。

机床对受迫振动的抗振能力主要在于避开共振。解决的方法是建立机床结构的动力学微分方程，分析机床的固有特性。通过求解运动方程组的特征值和特征向量，得到机床结构的固有频率和振型。从而在机床优化设计中，控制结构的固有频率远离机床工作的激振频率；另一方面，在选择机床工作参数如转速时，避开机床结构的固有频率。除此以外，采用隔振和减振措施也能提纲机床抵抗受迫振动的能力。

对于机床这样结构比较复杂的机械设备来说，要实现整机设计参数的真正优化是很困难的，因此，一般采用主要部件优化实现整机的集成优化。对主要结构部件的优化往往采用对多种结构方案的比较优越进行。但是应该注意的是，对各优化结构进行优选集成整机时，应考虑各个部件的前几阶模态频率的分离，如果各个主要部件之间的模态频率相同或者相近，整机结构的激励频率与部件模态频率也相近时，那么就会导致整机受到激励时结构振动幅值会成倍增加。为此，必须选择相互之间模态频率分离的主要装配部件作为整机集成的优选部件，以使整机结构的动态特性得到提高。[7][8]

[7] 毛海军，筋板布置型式对机床动态性能的影响：制造技术与机床 2001（4）8～9 [8] 陈新，高精度内圆磨床动态优化设计研究：博士学位论文，南京：东南大学2001

本课题设计的XH7710型立卧自动转换加工中心要求高速度、高精度和高刚度，结构复杂，对作性能要求比较高。所以它的主要部件滑枕、铣头和立柱是整个加工中心保证性

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能指标的关键部分。尤其是铣头和滑枕与普通加工中心结构有很大不同，结构上增加了很多零件，支撑方式和约束也改变许多，按照传统设计方法很容易使机床性能达不到要求。因此，本论文将加工中心主要部件如滑枕、铣头和立柱进行有限元模态分析，并根据分析结果，修改和优化设计结构，使加工中心在设计阶段就能够具有比较好的动态特性。

4.2 机床有限元模态分析技术

机床是由若干零部件组成的质量连续分布的弹性体结构，具有无限多个自由度。对机床进行动态分析时，必须将整机离散成若干个集中质量，简化成一个具有有限个自由度的多自由度振动系统，建立相应的运动微分方程组，然后采用适当的方法进行分析计算。从数学观点来看，完全可以解决这个方程组。但是在实际求解过程中，由于方程组内部存在质量、刚度和阻尼等系数矩阵的耦合，使运算过程变得很复杂，所以在工程技术中必须通过其它的途径解决多自由度振动问题，模态分析方法是目前采用的最为普遍的方法。

模态分析方法是凭借系统的模态参数来对它的动态性能进行分析、预测、评价和优化的方法。它的核心问题是解决多自由度系统运动方程组的内部耦合，既所谓解藕。解藕的具体方法是坐标系统转换，将物理坐标系统转换到模态坐标系统。而转换坐标的条件是选择一个合适的转换矩阵，通常选择系统的主振型作为转换矩阵。则求解系统的特征向量和特征值（主振型和固有频率）成为模态分析中一个关键的问题。

模态分析技术在机床动态分析中的应用过程为：首先将机床划分成若干个子结构如滑枕、立柱、铣头等，对各个自结构建立运动微分方程，坐标变换和模态计算分析，求解各个部件的动柔度和动力响应等。然后根据各个子结构之间的力平衡条件和位移条件将各子结构模态特性综合，得到整体结构特性。研究结果表明，子结构中动态特性比较差的部件对机床整机的动态特性影响也大。另外，连接部件的刚度和参数估计也是影响机床整体结构特性分析和计算精确度的主要因素。

4.2.1 动力学模型和数学模型

运用模态分析方法求解固有频率与主振型，首先必须把振动系统离散成若干个质量集中的子结构，子结构之间由等效弹簧和等效阻尼器连接起来，构成一个动力学模型，它是模态分析过程中最基本的问题。以三自由度弹簧质量系统动力学模型为研究对象，如图4-2所示。图中m1、m2、m3表示离散质量，k1、k2、k3表示联接刚度，c1、c2、c3表示联接阻尼系数，p1、p2、p3表示子结构承受的激振力，x1、x2、x3表示振动位移。

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