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数控镂铣机悬臂梁动态特性分析与研究进展

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Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ设计与研究　

数控镂铣机悬臂梁动态特性分析与研究进展　

Ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒ０ｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ＣＮＣ　ｍｕｉｒ’Ｓ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｂｅａｍ　

卞兆娟朱典想　

（南京林业大学木材工业学院）　

摘要：基于数控镂铣机在木材加工中的需要，本文以ＭＸＫ１２２４ＶＡ数控镂铣机为样机，阐述了动态　

特性分析和研究的方法及研究进展情况。并论证了对ＭＸＫ１２２４ＶＡ数控镂铣机悬臂梁动态　

特性进行研究的意义。　

关键词：ＭＸＫ１２２４ＶＡ数控镂铣机；动态特性；有限元；研究进展；　

中图分类号：ＴＳ６４２　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｎｅｅｄ　ｏｆ　ＣＮＣ　ｒｏｕｔｅｒ　ｉｎ　ｗｏｏｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｍａｋｉｎｇ　ＣＮＣ　

ＭＸＫ１２２４ＶＡ　ａｓ　ａ　ｓａｍｐｌｅ，ｗｉｌｌ　ｅｘｐａｔｉａｔｅ　ｕｐｏｎ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　

ａｎｄ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｍｓｅａｒｃｈ，ａｎｄ　ａｌｓｏ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｂｅａｍ　

ｏｆ　ＭＸＫｌ２２４ＶＡ　ＣＮＣ　ｒｏｕｔｅｒ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＭＸＫ１２２４ＶＡ　ＣＮＣ　ｒｏｕｔｅｒ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ；ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　

１　前言　

木工数控镂铣技术是将计算机数控技术应用　

于木材加工机械产品中，结合木材加工高速铣削　

的特性要求，实现加工刀具在各坐标轴空间内联　

动的直线插补或圆弧插补运动，以达到加工程序　

要求的精确位置和高速度，从而保证加工部件的　

质量和实现加工复杂的形状，提高加工产品的美　

感和技术附加值。数控镂铣机和数控镂铣加工中　

心是木工数控镂铣技术的典型应用产品，代表了　

当今数控镂铣设备的最高水平。　

数控镂铣机是木材加工工业中最早应用数控　

技术的机床。一般具有三轴三联动功能，可以实　

现木材加工工艺中的镂铣、雕刻、钻削等功能，通　

常设有多个镂铣主轴，根据加工工件的不同，镂铣　

主轴的不同组合可以满足不同的加工要求。对于　

大批量、小工件的加工，数控镂铣机具有生产效率　

高的特点。数控镂铣机是一种功能全面的数控加　

工机床。它可将人造板和实木深加工中的镂铣、　

雕刻、钻削、锯切、砂光、封边、修边等功能集中在　

一台机床上完成，使其具有多种工艺手段。而数　

木工机床２００８　Ｎｏ．１　控加工中心与数控镂铣机最大的区别就在于它设　

置有多个刀库。刀库中可根据不同的加工要求存　

放不同数量的刀具和加工单元，在加工过程中有　

程序控制实现自动换刀。现在一般的加工中心至　

少具有三轴三联动功能，比较复杂的还有五轴五　

联动的，甚至更多，以保证实现加工工件具有的复　

杂形状。　

在数控镂铣设备的研究方面，日本的庄田公　

司走在最先列，６Ｏ年代末期，日本庄田公司首先将　

数控技术应用于木材加工机械产品中，制造出第　

一台数控镂铣机。随着计算机数控技术的不断发　

展，德国、意大利、日本等国家的主要木工机械制　

造商相继推出了技术先进、功能齐全的数控镂铣　

设备，并且形成了系列化、标准化的发展。由于这　

些产品集自动控制、计算机技术、机床制造等技术　

于一体，使其具有适应多品种、小批量、高效率、产　

品更新换代周期短、劳动生产率高、产品质量高而　

且稳定等许多优点。特别是生产加工批量小　形　

状复杂的木制品工件时，数控镂铣机的优点更为　

明显。进入９Ｏ年代末期，数控技术在木材加工机　

械上应用更为普及，为木材加工业提供了新的加　维普资讯 http://www.cqvip.com 设计与研究Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　

工手段，有效的带动了家具、建材、室内装饰等领　

域的快速发展。　

目前国内技术水平高、有竞争力的数控镂铣机　

设备产品较少，无法满足国内市场的需求，高科技含　

量、高附加值的镂铣设备大量依靠进口。随着我国　

经济的发展和人民生活水平的提高，特别是住房制　

度改革和安居工程的实施，城乡人民的居住条件已　

经或正在发生根本变化，家具和室内装修也随之成　

为投资重点，高档实木家具和具有民族风格的仿古　

家具出口将不断增长，这为我国镂铣技术的应用研　

究提供了更加广阔的市场空间。　

２　ＭＸＫ１２２４ＶＡ数控镂铣机简介与工作原理　２．Ｉ　ＭＸＫ１　２２４ＶＡ数控镂铣机简介　

ＭＸＫＩ　２２４ＶＡ数控镂铣机是上海跃通木工机　

械设备有限公司自行开发出的一台数控加工中　

心，具有三轴三联动功能，可实现自动换刀。同时　

采用的是悬臂式结构，悬臂移动式数控镂铣机的　

结构形式对机床的设计和制造安装要求比较高，　

但方便于操作人员上料和卸料，可缩短生产准备　

周期。实现木材加工工艺中的镂铣、雕刻、钻削、　

榫槽、砂光等功能，提高被加工产品的美感和技术　

附加值。其外形如图所示：　

２．２　ＭＸＫ１２２４ＶＡ数控镂铣机工作原理　

ＭＸＫ１２２４ＶＡ数控镂铣机进行工件加工时，先　

要编制工件的数控加工程序，然后将数控加工程　

序输入到数控装置，再由数控装置根据程序指令　

计算出脉冲序列，再将多功能的ＣＡＤ／ＣＡＭ系统完　

成的图形和文字的数控指令传输给控制系统，实　

现系统的在线直接加工工作。　

３机床动态特性分析与研究进展　

动态特性分析是结构系统动力学领域里的一　

个重要研究方面。机床动力学特性是影响高速高　

１２　＿，】摩　

精度机床性能的重要因素，直接影响机床的最后　

加工性能，因此，机床结构动态特性是机床评定的　

最重要性能指标。　

而且高速机床的动态性能的好坏直接关系到　

机床加工精度和生产效率的高低。机床的动力特　

性分析研究基于动力学模型。工程技术发展的实　

践也证明了，传统的静态设计和经验设计方法已　

经远远满足不了现代工程技术发展的需要。在飞　

机、火箭、车辆、船舶、化工、兵器和各种机床的研　

究和设计过程中，许多技术问题均与它们的动态　

特性有关，因为它们处在动态载荷工作环境中，因　

ＷＯＯＤＷＯＲＫＩＮＧ　ＭＡＣＨＩ

ＮＥＲＹ　维普资讯 http://www.cqvip.com 此必须研究它们的动态特性，预示其动力响应，对　

它们进行动态分析和动态设计。　

对机床结构进行动态分析，首先必须建立足　

够精确的动力学模型。目前建立机械结构动力学　

模型的方法有理论建模、试验建模以及二者混合　

建模三种方法。　

所谓理论建模是通过力学定律建立数学模　

型。理论建模的模拟程度由简单逐渐复杂，且模　

拟精度不断提高。建模种类包括集中质量模型、　

分布质量模型、有限元模型等。为提高分析精度，　

用更接近实际结构的模型来进行机床动态研究，　

目前机械结构的理论建模大都常采用有限元法。　

但是，由于实际机械结构比较复杂，阻尼特性及边　

界条件的处理比较困难，建模时必不可少地加人　

人为的主观因素，如对结构的理解和经验等，使所　

建立的有限元模型具有不确定性，常常要辅之于　

试验进行验证。　

因而试验建模的方法呼之欲出，得以了快速　

发展。试验建模又称系统辨识、模态分析，就是通　

过观测到的系统的输入、输出数据，对系统确定一　

个数学模型，使这个数学模型尽可能精确地反映　

系统的动态特性。描述振动系统的数学模型有：　

物理坐标模型、模态坐标模型以及非参数模型。　

因此，振动试验建模实质上是对一个给定模型或　

待定模型参数识别和估计的问题。系统辨识过程　

也是模型的优化过程。一般情况下，它能更准确　

地代表系统，可以弥补理论建模的不足。但是，它　

要求所设计的系统必须有支撑模型和实物，才能　

进行建模工作。因而它只适用于验证设计阶段。　

但是理论建模和试验建模并非完全分开、独　

立的两类建模方法，而是相互补充、修改和完善　

的。理论和试验相结合的建模方法正是利用了两　

者的优点，根据实际反复应用，以不断修正理论模　

型，从而求得系统最优的结构动力模型并可进行　

动力学修改。　

因此，自７０年代中期以来，人们就将有限元法　

和模态分析技术有机地结合起来，发挥各自所长，　

以获得能确切反映实际、实用的动态特性分析技　

术。利用测试得到的较准确的模态参数来修正理　

论模型，使修正后的理论模型能够确切地模拟结　

构的动力特性，再在这样的动力学模型基础上进　

木工机床２００８　Ｎｏ．１　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ设计与研究　

行分析和优化设计，就能够充分发挥理论与实际　

相结合的作用。Ａ．Ｂｅｍｍａ在１９７１年提出了不完　

整的动力结构模型理论，并在１９７５年和１９７９年不　

断加以完善，Ｂｅｍｍａ方法的优点是不需要计算特　

征值和特征向量，用试验数据特征向量和频率来　

修改理论计算的质量、刚度矩阵，直接得到结构参　

数，这个方法是基于模态正交理论。１９９５年我国　

的彭晓红对Ｂｅｍｒｎａ的算法提出了一个改进算法，　

使修正矩阵也具有带状性质，这样使计算得到简　

化。这些方法的共同特点是，认为试验得到的数　

据与分析数据有一个很小的变化，它们只引起原　

分析系统的一个很小的摄动，具有测试值是原系　

统分析值与摄动值和这样一种关系。根据试验数　

据与分析数据的变化量来估计结构参数的变化。　

１９８３年Ｊ．Ｃ．Ｃｈｅｎ提出了从模态试验结果中直接　

识别结构物理参数的方法。１９９３年，徐燕申等将　

模态分析和有限元法相结合识别结合面动力学参　

数，并基于此建立了整机的动力学模型。２００１年。　

东南大学利用有限元的方法建立机床整机动力学　

模型，并利用动态测试分析及优化参数法对有限　

元模型进行了修正，从而保证了有限元模型的建　

模精度。２００２年，昆明理工大学杜奕对ＭＳＹ７１１５　

平面磨床进行了实验模态分析及动特性修改，为　

企业未来的机床结构改进设计指引了方向。２００５　

年，倪向阳等对高架桥式龙门加工中心整机的动　

态特性进行了分析。２００５年和２００６年，南京农业　

大学李洁和余小晶分别对某高速数控雕铣机的结　

构、主轴系统进行了有限元分析及优化、动态特性　

分析，为该机床的优化提供了一定的理论依据。　

２００６年，浙江工业大学杨传启对ＸＫ７１７数控铣床　

动态特性进行了试验研究，为机床的改进设计提　

供的必要的参数依据。　

４对ＭＸＫ１２２４ＶＡ数控镂铣机悬臂梁动态　

特性进行研究的意义　

随着人们生活水平的提高和家具行业的发　

展，高档实木家具、欧式家具曲线雕刻方面的工作　

量越来越大，特别是我国一些仿古家具的加工，使　

木材雕刻技术的应用在木材机械行业已经逐渐具　

有工业化的趋势。在铸造工业的木型制造方面，　

我国生产的铸件中８０％都要经过木型加工来实现　

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悬臂梁结构动力响应分析与优化设计

悬臂梁结构动力响应分析与优化设计

悬臂梁结构动力响应分析与优化设计

悬臂梁是一种常见的结构形式，在工程中有广泛的应用。然而，由于其特殊的结构特点，悬臂梁在受到外界力作用时容易发生动力响应，影响其安全性和稳定性。因此，对悬臂梁结构进行动力响应分析与优化设计，对于确保结构的安全性和可靠性至关重要。

悬臂梁结构的动力响应分析是指通过数学建模和计算分析对悬臂梁在受到外界力作用下的响应情况进行评估。在进行动力响应分析时，需要考虑诸如结构的质量、刚度等参数。通常，可以利用有限元方法对悬臂梁进行动力响应分析。有限元方法是一种通过将结构离散为有限个小单元，然后对每个小单元进行力学计算，并将计算结果进行组合得出整体结构响应的数值计算方法。通过有限元分析，可以得出悬臂梁受力情况、变形情况等重要参数，对于结构的合理设计和改进提供科学依据。

在动力响应分析的基础上，进行悬臂梁结构的优化设计是为了提高其动力响应性能。悬臂梁的优化设计要考虑多个因素，包括结构的材料性能、几何形状、截面尺寸等。在材料性能方面，通常需要选择具有较高强度和刚度的材料，以保证结构的承载能力。在几何形状和截面尺寸方面，通过合理选择和设计，可以减小结构的质量和惯性矩，从而降低悬臂梁的动力响应。

对于悬臂梁结构的优化设计，常见的方法是结构拓扑优化和参数优化。结构拓扑优化通过改变梁的支座位置、截面形状等来优化悬臂梁结构。参数优化则是在已定形状的基础上，优化截面尺寸、材料性能等参数，以达到优化结构动力响应的效果。这两种方法既可以分开进行也可以结合使用，通过多次计算和比较来找到最优的结构设计方案。

悬臂梁结构动力响应分析与优化设计是一个综合性和复杂性的工程问题。在实际工程中，需要综合考虑结构的静力和动力响应，还要考虑材料的可获得性、成本等因素。因此，对悬臂梁结构进行动力响应分析与优化设计需要多学科的知识和专业工具的支持。只有通过科学的方法和综合考虑各种因素，才能得到结构性能和经济性的双重保证。

基于ANSYSWorkbench的大型数控龙门铣镗床床身静动态特性分析

基于ANSYSWorkbench的大型数控龙门铣镗床床身静动态特性分析

第12卷第1期2012年1月1671—1815（2012）01-0180-05科学技术与工程ScienceTechnologyandEngineeringVol.12No.1Jan．20122012Sci.Tech.Engrg.

仪表技术

基于ANSYSWorkbench的大型数控龙门

铣镗床床身静动态特性分析

张强1尹志宏1*张明旭2李晓园1徐凯1

（昆明理工大学机电工程学院1，昆明650093；沈机集团昆明机床股份有限公司技术中心2，昆明650203）

摘要对某大型数控龙门铣镗床床身的结构特点和受力情况进行了分析。在此基础上以ANSYS12．1Workbench为平台，用有限元方法对该床身进行了静力学和模态分析，并在不同约束条件下对比了床身的静力学变形和模态。分析结果表明该机床床身静力状态下变形较小，低阶模态频率较高，符合使用要求；但结构较为厚重，优化空间较大，可进行进一步优化。关键词床身有限元静力学模态中图法分类号TH123；文献标志码A

2011年10月8日收到，10月20日修改第一作者简介：张强（1983—），山西人，男，硕士研究生，研究方向：机电系统动力学。E-mail：sxndzq@163．com。*通讯作者简介：尹志宏，（1962—），男，教授，研究方向：系统动力学。E-mail：yzh_kun@sina．com。近年来，随着科学技术的发展和计算机更新换

代的加快，国内设计领域正在逐步由传统设计向现

代设计过渡，这在机床行业表现的尤为突出。目

前，国内机床结构件的一般设计过程为：根据设计

要求进行半经验半理论的传统设计，在此基础上完

成三维CAD绘图，然后对初步设计进行CAE分析，

进而根据分析结果进行再设计（优化）；如此反复，

直至性能达到要求，最后进行制造。在进行CAE分

析时，如何根据结构的不同特点选取与之匹配的现

代设计方法、评价参数和分析软件对设计进行评

价、为优化提供依据，从而有效提升产品质量，成为近年来研究的热点［1—4］。

基于ANSYS的摇臂钻床悬臂梁的动态特性分析

基于ANSYS的摇臂钻床悬臂梁的动态特性分析

基于ANSYS的摇臂钻床悬臂梁的动态特性分析

周碧

【期刊名称】《萍乡高等专科学校学报》

【年(卷),期】2015(000)003

【摘 要】在材料力学和动力学理论的基础上分析了摇臂钻床的悬臂梁在任意激振下的响应方程，并运用ANSYS有限元软件对钻床中工字型截面悬臂梁进行了结构模态分析、谐响应分析以及瞬态响应分析，且与理论值吻合，为工程应用中悬臂梁的动力学设计和分析提供了参考。%Based on the theory of material

mechanics and dynamics, the paper analyzes the response equation of

cantilever beam of radial drilling machine under any vibration. Besides,

applying the ANSYS finite element software, the modal, harmonic response

and transient response of I-Steel cantilever beam on drilling machine, are

analyzed. The results show that ANSYS simulation matches with the

theoretical value, which provide the reference of dynamic design and

analysis of cantilever beam on engineering application.

【总页数】4页(P30-33)

【作 者】周碧

【作者单位】江西省工业陶瓷质量监督检验站，江西萍乡 337000

【正文语种】中 文

【中图分类】TG659 【相关文献】

1.基于ANSYS工字钢悬臂梁的动态特性分析 [J], 李斌杰

机械系统的动态特性分析与优化

机械系统的动态特性分析与优化

机械系统的动态特性分析与优化

机械系统是由各种不同的部件和组成部分组成的复杂系统，其动态特性对于系统的性能和运行稳定性有着重要的影响。动态特性分析与优化是提高机械系统运行效率和可靠性的关键一环。本文将从动态特性分析、优化方法和实例应用等方面展开论述。

首先，动态特性分析是了解机械系统运行过程中所表现出的动态变化的过程。通过对机械系统的振动、冲击和响应等方面的分析，可以评估系统的稳定性、可靠性和耐久性等参数。动态特性分析可以通过实验或仿真方法进行，其中仿真方法通过建立数学模型来模拟机械系统的运行过程，更具有灵活性和可控性。在动态特性分析过程中，可以通过振动分析仪器、传感器和数据采集系统等设备来获得系统振动响应的数据，进而得到系统的频率响应、模态参数和阻尼特性等信息。

动态特性分析的结果可以为机械系统的优化提供参考依据。优化方法包括系统结构的改进、设计参数的调节和控制策略的优化等。通过改进系统结构，例如减少零件数量、增加刚度和稳定性等，可以提高系统的整体响应能力和振动特性。调节设计参数可以根据动态特性分析的结果来优化系统的模态参数。例如，在振动频率分析中，如果发现系统存在频率接近的共振点，可以通过调节和优化设计参数，例如材料和质量分布等，来避开共振区域。控制策略的优化可以通过仿真模型进行，通过模拟实际运行环境和负载情况，来优化系统的控制方法和响应速度。

接下来，我们将以减振器为例来说明动态特性分析与优化的实际应用。减振器作为机械系统中常见的动态控制装置，其主要功能是通过消耗能量来减小系统振动幅度，提高系统的稳定性。减振器的设计和优化需要考虑系统振动频率、阻尼比和质量等。动态特性分析可以通过测量系统的振动特征和响应时间，来确定减振器的设定参数和位置。根据分析结果，可以选择合适的减振器类型、阻尼比和质量等来达到减小系统振动的目的。此外，减振器的优化也可以通过增加减振器的阻尼量和改变弹簧刚度等来提高系统的动态特性。 总结起来，机械系统的动态特性分析与优化是提高系统运行效率和可靠性的重要手段。通过动态特性分析，可以了解系统的振动、冲击和响应等方面的特性，并根据分析结果进行系统的优化。优化方法包括系统结构的改进、设计参数的调节和控制策略的优化等，通过这些优化措施可以提高系统的稳定性、抗击负荷能力和振动特性等。减振器作为机械系统中常见的动态控制装置，其设计和优化需要综合考虑系统振动频率、阻尼比和质量等因素。通过动态特性分析和优化，可以选择合适的减振器设定参数和位置，来减小机械系统的振动幅度，提高系统的稳定性。在实际应用中，机械系统的动态特性分析与优化可以为系统性能的提升和问题的解决提供重要的参考依据。