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环境如冷却、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，其中动态分析有分 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。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我们选择的参数。
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。