世界上第一台数控铣床制造于1952年  ，随着制造工艺和计算机数控技术的发展  ， 机床的加工精度不断被提高 。90年代以来  ，普通级的数控加工机床的加工精度己经从原 来的10pm提升到5pm  ，超精密机床的加工精度甚至进入到纳米级水平 。尽管机床的加 工精度达到了相当的水平  ，但是机床加工精度的稳定性问题一直是个非常棘手的问题  ， 特别是对于批量生产所使用生产线中的机床来说  ，机床的精度稳定性至关重要 。
从机床的误差源分析（图1.5)可以看出  ，影响机床精度的因素有很多  ，最初的结构 设计  ，原材料及其加工和零部件装配  ，关键零部件如进给传动系统滚珠丝杠、直线导轨 包括轴承的传动误差（一般由于间隙过大、刚性不够引起）  ，切削加工过程中的切削参 数、切削载荷变化  ，冷却、散热、润滑后期维护等都对机床的精度有影响作用 。
就保证机床的精度稳定性来说  ，主要有误差防止和误差补偿两种基本方法 。前者属 于事前预防型的“硬”技术  ，包括在机床的整个设计和制造过程中的如机床各个部件的 结构优化、装配技术、制造工艺等  ，另外控制机床的工作j9九游会平台如冷却、润滑、配备恒温 车间等也是防止误差的途径 。误差防止技术是保证机床精度稳定性的基础  ，但是随着精 度的不断提高  ，达到一定程度后再提髙精度会比较困难  ，即收获与付出的性价比会很低  ， 这是限制其使用的一个缺点[2] 。后者误差补偿方法属于“软技术”  ，即通过人为的制造 出一种反向误差来抵消现有误差  ，最终提高零件的加工精度[3] 。
本文从误差防止的技术范畴考虑  ，由于机床结构的频率特性和切削过程中的动态特 性与机床的加工性能关系较为密切  ，也是保证机床加工过程中的精度稳定性的基础 。故 选择机床机构方面如加工中心的动、静态特性分析和结构优化以及加工方面如切削过程 中的稳定性保证两方面来研究加工中心的精度稳定性保证技术 。
1.3. 1机床结构分析与优化
为了达到减少生产费用和适应实现多工业加工需要  ，现代机床都是利用模块设计理 念设计制造的[5] 。如下图所示  ，数控加工中心一般由6个模块组成  ，即底座（床身）、 滑体、工作台、立柱、刀库和一个带主轴单元的主轴箱 。
就像人身体中的骨骼一样  ，机床结构为其所有部件提供机械支持  ，结构的刚度、阻 尼和配置形式等因素影响着机床的精度稳定性能力[6] 。
在对机床进行静动态分析和结构优化之前  ，首先要做的一项工作是机床系统的建 模  ，而要想建立比较准确的机床分析模型又要选择合理的建模方法 。目前国内外应用比 较广泛的机床建模方法主要包括传递矩阵法、均质梁法、集中参数法与有限元方法等
其中  ，随着计算机技术的迅速发展和计算速度的大幅度提高  ，计算有限元分析方法 在机床的研发过程中起到越来越大的作用 。通过对结构进行静动态特性分析  ，可以在样 机制作前得到一个接近实际情况的仿真结果  ，预估机床结构的特性  ，分析并改进其薄弱 环节 。同时可以对比多种不同的设计方案  ，节省人力物力  ，加快产品设计周期 。通过结 构优化技术  ，如拓扑优化和尺寸优化  ，可以使机械结构的性能在规定的约束条件下达到 一个最优值  ，为进一步的改进设计和样机制造提供借鉴和支持 。
(1) 结构静动态性能分析
机床的静动态分析主要包括静力分析、动力学分析、热分析等  ，其j9九游会平台态分析有分 模态分析、谐响应分析和瞬态动力学分析等 。
静力分析[12]通过将机床加工过程的力转化为相应的静态力施加在机床结构上  ，来分 析其应力和应变 。模态分析是动力学分析的基础  ，在实际结构设计中结构模态是考 虑比较的因素  ，通过此分析  ，可以获得对机床整机或者其零部件影响比较大的前几阶模 态  ，避免机床在实际加工中引起整机或者零部件的振动 。谐响应分析[15]是通过对所分析 件施加周期性的载荷在查看其动态响应的分析 。
_ HermansM等使用运行模态分析方法进行了模态参数识别  ，并对比了自然激励法、 平衡实现和直交变值分析法在工业分析中的应用 。刘军[17]等使用改进的锤击法  ，对车身 进行了模态分析  ，结果表明试验模态的改进有一定效果 。
(2) 结构优化技术
根据不同设计阶段的优化需要  ，可以将结构优化技术分为四种  ，尺寸优化（图1.6-a) 的设计变量是结构的尺寸参数；形状优化（图1.6-b)是在结构拓扑关系不变的前提下 优化结构比如孔等的边界和几何形状；拓扑优化（图1.6-c)主要是优化材料的分布  ，属 于概念设计的范畴；形貌优化主要用于板类结构加强肋的强度优化 。
在优化设计方面  ，Vance[18]等利用虚拟现实技术  ，构建了机床的有限元模型  ，并进 行了结构优化  ，为整机优化提供相关参考 。Kang Y[19]等基于静动态分析性能对比阐述了 系统优化设计的CAE方法 。Kim%等人利用神经学习方法对机床主轴系统进行了参数 优化 。张学玲t21』等利用有限元技术对机床的床身结构进行了优化设计 。刘汉昕[22]等基于 做的模态测试  ，对机床的关键部件立柱进行了优化设计 。由于筋板在机床结构中的布置 形式对于机床的静动态性能有相当大的影响[23]  ，陈生华通过对立柱内部的筋板进行布局 和厚度的优化  ，研究了两者对于立柱静动态性能的影响 。
响应面法[24]是一种采用实验设计理论对指定的设计点集合进行试验  ，得到目标函数 和约束函数的响应面模型  ，来预测非试验点的响应值的方法 。Wang GG[251等基于拉丁 超立方试验  ，对自适应的响应面法进行了研究 。于海莲[26\姜衡[27]等分别基于响应面方 法  ，利用多目标遗传算法对机床立柱进行了优化设计 。
1.3.2机床加工特性分析
加工中心主要完成发动机缸体的铣面加工和孔加工  ，表面质量要求较高不允许有振 纹产生  ，孔的加工对尺寸、形位等精度要求也较高  ，因此本文重点就此两点进行分析 。
对于制造商和机床操作师来说  ，切削刀具的振动是他们最关心的问题之一 。切削颤 振会严重影响加工质量  ，降低表面粗糙度  ，导致切削振纹的产生（图1.7)  ，在一些对 表面质量要求较高的加工场合下  ，这是必须要避免的 。由于精度的降低、刀具寿命的变 短以及工件的损坏  ，颤振还会极大的限制加工效率 。
利用主动或者被动的阻尼设备、选择合适的主轴旋转速度和切削深度等方法  ，可以 有效的抑制颤振的发生[28] 。后者也即通过选择合适的切削参数  ，来避免颤振的发生  ，一 般是利用传统的分析颤振模型  ，通过给定刀具-工件组合和切削条件  ，绘制稳定性叶瓣 图来显示出稳定区和非稳定区的边界线  ，从而指导切削参数的选择 。
根据颤振发生的不同机理解释  ，可以将颤振分为三种不同的类型 。第一种认为颤振 是由于切削过程中刀具与工件之间的摩擦造成的  ，即摩擦型颤振[29][3()][31];第二种认为由 于模态耦合效应才造成了颤振的发生[32][33][34];其三认为颤振是由于切削过程中的再生效 应造成的 。
在早期的稳定性预测模型的研究和建立当中  ，Tlusty[32][35]  ，Tobias%和0Ptiz[37]完成 了一些开创性的工作 。Altintas和Budak[38]针对铣削加工提出了一种两自由度的颤振分 析模型  ，并且在频域范围内解决了一个本征值方程 。这些模型均基于系统动力特性和切 削系数为常数值并且时不变的假定  ，显然  ，在实际情况中不是这样的 。
再生性颤振是自激振动的多种类型当中最普遍的一种  ，故这里主要来研究再生型颤 振^ R.S.Hahn[39]首先于1954针对磨削加工提出了振纹再生理论  ，将其用在铣削加工中 解释如下：即刀具的振动会导致加工工件上产生振纹  ，下一个刀齿切削时会碰到这些振 纹同时自身也会产生振纹  ，由于这两种振纹的相位差  ，会造成切削厚度&以及切削力的 变化  ，当办超过一定水平后  ，这种再生效应就会成为主导  ，进而导致颤振的发生 。也就 是说切屑厚度的震荡变化（即切削厚度变化效应）  ，导致颤振的发生 。
因此可以通过构建切削深度关于主轴转速的函数  ，进而绘制图形来描述切削过程的 稳定与否（也就是颤振发生与否）  ，这种图形就是稳定性叶瓣图_ (Stability Lobe Diagram, SLD) 。如下图所示：
图中  ，曲线下方的区域如A、C两点所在位置是理论上的不发生颤振区  ，曲线上方 的区域如B点是颤振区域 。由图可以看出  ，在高速加工时  ，加工阻尼的稳定性效果减小 使得加工更易产生颤振  ，图上表现出的是高速时的稳定区域较小 。基于时间、成本和准 确性的标准下  ，利用叶瓣图可以帮助j9九游会平台选择最佳的参数 。
刘安民[41]等研究了在高速统削情况下  ，颤振的诊断问题和预报 。石莉[42]等基于小波 理论  ，对动态铣削力进行了研究  ，并预报了铣削颤振 。张臣[43辱  ，通过仿真分析得到的 数据  ，对铣削加工进行了参数优化 。
在国外  ，Gagnol^等基于模态分析对高速主轴进行了颤振稳定性预测 。Kivanc[45] 等对端面铣削进行了结构建模  ，并对成形误差和稳定性进行了预测 。SChmitz【46]等利用 统计学方法  ，基于同步声信号采集  ，对颤振进行了识别 。
1.4论文主要完成工作
本文基于课题的研究内容  ，针对MDH80卧式加工中心  ，从结构分析优化和加工特 性分析两个大的方面对其研究分析  ，具体工作如下：
(1) 加工中心的静动态特性分析
对卧式加工中心进行结构分析和受力分析  ，然后结合实际工况单独对立柱进行静力 分析和有限元模态分析（包括自由模态分析和约束模态分析）  ，之后利用锤击模态试验 对立柱进行试验模态分析  ，得出低阶模态固有频率与有限元自由模态分析的结果进行对 比分析 。
(2) 加工中心的结构优化设计
在结构优化方面  ，以立柱为典型对其进行基于密度法的拓扑优化  ，得到立柱的三维 概念模型 。构建立柱结构内筋板参数化模型  ，然后对筋板相关尺寸进行基于响应面法的 尺寸优化得到具有高刚度和轻量化特点的立柱结构  ，最后进行相关对比分析  ，为结构的 改进提供参考 。
(3) 加工中心的切削稳定性技术
针对工序OP100.2所用加工中心的加工内容  ，研究刀具铣削颤振稳定域分析叶瓣图 的构建  ，对所用铣刀进行刀具模态实验得到刀具的固有频率、刚度和阻尼比 。基于Deform 有限元软件对该铣刀进行铣削力仿真实验得到相应的铣削力系数 。基于模态实验和铣削 力仿真实验得到的结果  ，构建铣削加工的稳定域叶瓣图  ，为切削参数的选择提供参考 。
(4) 加工中心的精度稳定性评估
研究CU分析理论在机器能力评价中的应用  ，对工序OP100.2的加工中心进行Cmk 分析 。连续加工25个缸体工件  ，使用高精度三坐标测量仪对相关加工内容进行测量   ， 获得精度数据后对数据进行分析  ，得到该加工中心的Cmk值  ，来对加工中心的精度稳定 性进行评估 。