1. 研究目的与意义
自从加工中心面世以来,加工中心因其高效、高速、高精度等特点,在航空航天、工程机械、船舶、汽车、模具等行业得到了广泛的应用。而实现高速高精的加工要求需要机床具有良好的静动态特性。因此对加工中心关键部件及整机进行静动态特性分析已成为设计的必要环节,为提高机床整体性能提供了技术支持。在分析总结国内外数控机床静动特性分析和结构优化设计技术研究进展基础上,本课题以某款立式加工中心作为研究对象,利用ANSYS Workbench软件分析加工中心的静动态特性,并对关键部件横梁进行了优化设计,主要进行以下几个方面的研究：首先,阐述了有限元法的基本思想和原理,总结了运用有限元方法进行静力分析和动态分析的理论方法,介绍了有限元软件ANSYS平台的功能和使用。其次,运用建模软件CAD对机床结构进行了合理的几何模型简化,利用软件接口导入有限元分析软件ANSYS中建立了加工中心关键部件及整机的有限元模型。然后,通过施加载荷和约束边界,对关键部件和整机进行静力分析,得到各部件和整机的变形云图和应力分布云图。通过对关键部件和整机进行模态分析,得到低阶固有频率和振型,找出机床的薄弱环节,避免共振带来的损失。 本设计主要应用大型通用有限元分析软件ANSYS作为分析工具，对江苏某数控机床股份有限公司的产品-TC-600立式加工中心机械结构进行静、动态分析，并根据分析结果对机床结构进行几何参数优化研究。
2. 国内外研究现状分析
自20世纪60年代中期以来,机床结构的设计和计算逐步由静态和线性分析向动态和非线性分析、由可行设计向最佳设计、由手工计算向自动化计算方面过渡,以适应机床高效、高速、高精度、低成本等现代要求发展的需要,满足机床产品性能、质量不断提高的要求,以加快设计、制造速度,缩短研制周期,提高产品的竞争能力。高速加工中心是近年来机床发展的热点之一。随着加工中心向着高切削速度、高进给速度和高加工精度的方向发展,对其工作性能的要求越来越高,不仅要求加工中心具有良好的静态特性,而且要具有良好的动态特性。为此,对加工中心进行整机静动态特性分析已成为设计的必要环节。 2012年我国立式加工中心市场规模为335亿元，比2011年有所增长。截至2013年5月，我国市场规模达到145亿元的规模。立式加工中心是装备制 造的基础设备，主要应用于汽车、船舶、工程机械、军用、农机、电力设备等等行业。这几个行业之中又以汽车行业发展速度最快，未来对于汽车的需求也是可以预 见的。总体来说我国立式加工中心行业还是具有相当大的前景的，但我国的弱项就是技术方面的问题，导致我国立式加工中心产品竞争力比较弱，智能生产低端的产 品，也导致我国立式加工产品进出口巨大的逆差差距，如果能够有大量的资金投入立式加工中心进行科研，争取生产自主的高端产品，未来我国的立式加工中心行业 将会有快速的增长，市场份额将会增长70%。
3. 研究的基本内容与计划
研究内容：1、学习有限元技术的基本理论，掌握有限元的运算方法。 2、利用CAD软件和ANSYS软件建立TC-600立式加工中心零部件及整机的CAD模型，简化各零件的受力和约束，分析得到有限元模型。 3、选择合适的求解器计算模型的静动态性能分析参数，计算机床结构的应力、变形和模态参数，分析计算结果的可靠性。 4、根据分析结果选择关键参数为设计变量，对机床结构进行尺寸形状优化设计并针对机床的薄弱环节提出改进方案。通过分析方案数据，以寻求使整机动、静态性能均有很大提升的方案。研究计划：1.熟悉课题，借阅相关资料，完成开题报告，并且完成文献综述。第1～2周 2．学习ANSYS软件，熟悉掌握有限元的基本理论和计算方法。第 3周 3．运用ANSYS对零件图进行设计与分析。 第4～6周 4．机械加工中心进行整体设计、分析。第7～10周 5．计算结构的应力、变形和模态参数，分析结果。提出改进方案。 第11～12周 5．撰写设计说明书 ，并进行修改审核再修改。第13～14周 6．准备答辩讲稿、进行答辩。第15～16周
4. 研究创新点
1.利用ansys软件对机床加工中心进行有限元分析，既可以缩短产品开发周期，降低成本，又有比较高的模拟精度，有限元分析在机械结构的设计中是非常重要的手段。
2.机床的立柱、主轴箱和床身是影响机床静、动态性能的关键部件，根据机床整机静力学和模态分析结果，对立柱、主轴箱和床身结构参数的改进，得出了性能较优的机床模型，提高了机床的加工精度。
3.工件在加工中心上经一次装夹后，数字控制系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。
