機床具有復雜的機械設備系統，它零部件數目眾多、配合銜接緊密、零部件自重較大，因此在機床的服役階段長期處于工作狀態的機床會受到工作環境的影響、機床自重的影響、加工過程的各種持久或瞬間的力的作用，在這些力的作用下，機床零件以及床身整體會產生形變，這些形變必然導致零部件對原有位置的偏移，最終導致的結果就是機床的加工精度逐漸降低，無法正常加工。

　　由于在機床的工作過程中，其工作狀態是一個連貫的變化的過程，并不是單一的或是簡單幾個固定的工作狀態，所以我們不可能實現針對整個機床的整體剛度進行精確的仿真計算。在本文中只能對簡單的零部件本身采用理論方法計算其剛度，而對于機床整體結構中存在的復雜零部件或者復雜結合面，文中采用的方法是根據工程經驗將復雜情況進行相似的簡化并進行計算，其計算結果與實際剛度必然存在誤差，一般只將其計算結果用來作為定性分析的參考而不做定量的計算。

　　近年來，有限元法在機械設備的設計領域得到了較為廣泛的應用，為縮短設計周期，提高設計效率做出了較大的貢獻，但是數字化的仿真分析在新情況面前總會與實際有些誤差的存在，因此需要同步進行相關的物理實驗與數字仿真分析相互結合，以下陳述的各個原則措施就可以為提高機床的整體結構剛度等提供有利參考。

　　一、機床結構動態性能要求

　　1.對支承件的動態性能要求

　　支承件是組成機床整體的重要基本構件，它起到了兩方面的重要作用。首先，支承件鏈接了組成機床整體的各個主要零部件以及其它裝置，將它們按照設計要求進行排列，組成了機床整體;其次支承件在機床整體中起到了基準的作用。

　　常見的支承件包括機身、底座、立柱、橫梁、箱體、工作臺等，支承件的質量約為機床總質量的 80%以上，機床整機的動態特性取決于支承件的特性及其連接情況。支承件的強度、剛度、質量分布、阻尼比、動態性能和熱性能等，都對加工中心的整體性能和功能的可靠性產生重要影響。

　　2.對整機的動態性能要求

　　對機床整機的動態特性要求主要是指機床的結構靜剛度、動剛度和熱剛度，以及結構輕量化等方面。

　　二、整機有限元建模

　　1.機床模型的簡化處理

　　由于有限元分析中幾何模型直接決定網格剖分過程和網格結構，所以在幾何建模時需要機床本身具體的空間結構以及力線傳遞軌跡等要素對機床整體結構進行簡化處理，通過相應的簡化達到提高求解效率的目的。簡化方法選取的正確與否直接決定了可靠性分析的效用。

　　(1)細節簡化。在進行機床幾何構建時，結構中經常存在一些如倒角、倒圓等相對尺寸很小的細節。細節的存在將影響網格的大小、數量和分布。局部特征與整體的尺寸差距越大，有限元網格剖分的結果就在這些地方出現較大的畸變，所以我們要針對這樣的細節進行簡化。

　　(2)形式變換。機床整體結構復雜，零部件空間特征多樣，在這些不同的空間結構中，進行有限元單元網格剖分時可以采用有針對性的等效處理，以達到便捷劃分網格提高求解效率的目的。

　　2.機床的載荷和邊界條件處理

　　機床工作時，其結構必然和其它結構或外界發生相互作用，這些性質不同、大小各異的力的相互作用是影響機床可用性的重要因素。進行有限元分析時，往往是將所關心的結構單獨抽象出來進行分析，而分析結構與其它結構或外界的關系則用載荷、位移約束和熱交換條件來考慮。有時為了建?；蛴嬎阈枰部赡軐δＰ瓦M行某些人為規定或限制，如為消除剛體位移補充的位移約束，異類單元連接的多點約束等式，子結構的連接自由度，靜力縮聚的主從自由度等。

　　(1)載荷處理

　　為了分析支承件和機床整機的結構剛度，必須分析機床工作時的載荷分布情況。機床工作時，支承件上承受切削力、重力和運動部件的慣性力等。對這些力的性質、大小、作用位置和對加工精度的影響，是采用有限元法對支承件及機床整機進行正確分析的前提，也是設計合理的支承件結構的依據。

　　(2)邊界條件處理

　　當在模型上施加了載荷之后，就要對模型施加約束或邊界條件，否則，模型在外載作用下會被無限加速，產生剛體運動。例如，在進行結構靜力學和動力學分析時，首先要消除結構的剛體運動。結構的邊界條件通常以零位移的形式構成，熱的邊界條件通常是明確溫度，流體的邊界條件通常是明確壓強。

　　三、機床結構固有特性計算分析

　　1.HMC80 臥式加工中心的部件模態分析

　　對機床主要構件進行模態分析，并與試驗相結合，對比分析，得出不同構件的自由模態的共振頻率，并驗證了仿真的準確性。床身是其他部件安裝的載體，其剛度必須要高，同時其成本也有要求，故對床身的自由模態研究很有必要。床身的振動對機床的工作精度有直接的和間接的影響。

　　2.HMC80 臥式加工中心整機結構模態分析

　　綜合考慮各影響因素對結構進行簡化，建立能準確反映加工中心動力學特性的模型。導入簡化的三維實體模型后，定義分析為模態分析，選取實體單元，定義材料的彈性模量、泊松比和密度等參數，然后進行網格劃分和模態計算。

　　四、機床結構剛度計算分析

　　機床的剛度是指在切削力和其他力作用下，抵抗變形能力。數控機床比普通機床要求具有更高的靜剛度和動剛度，有標準規定數控機床的剛度系數應比類似的普通機床高 50%。

　　1.支承件和整機結構靜剛度的有限元分析結果

　　機床在實際的工作中有 6 種不同的加工工況，在不同工況下機床的受力有很大差別，故剛度也有所不同，必須要一一分析才能保證機床在各狀況下都能高精度的安全工作，下面將從不同工況條件下分析整機及支撐件的剛度。

　　2.支承件和整機結構靜剛度

　　(1)自身剛度

　　支承件的剛度是指其抵抗變形的能力。支承件所承受的載荷主要有拉伸、壓縮、彎曲和扭轉幾種。其中，拉伸和壓縮引起支承件的變形很小，可以忽略;而彎曲和扭轉對上層結構引起的變形較大，因此，支承件主要考慮其彎曲剛度和扭轉剛度。

　　(2)局部剛度

　　支承件的局部剛度是指支承件抵抗載荷集中部位局部變形的能力。局部變形主要發生在載荷作用集中的部位或剛度急劇下降的局部。如導軌局部變形等。支承件的局部剛度不足，會使其局部位置發生較大的變形，影響機床的工作性能。局部剛度主要取決于支承件受載部位的結構和尺寸，以及加強肋的布置等。

　　五、整機的結構動剛度

　　在高速機床中的激振力可以分解為一個恒力以及一個余弦力，因此，考慮在簡諧激振力作用下高速加工中心的響應，是高速加工中心動態分析的重要內容。所以整機諧響應分析主要分析線性結構承受隨時間按三角函數規律變化的載荷時穩定響應。在動態性能計算中阻尼會對計算結果有著較大的影響。在復雜結構中，振動阻尼的確定較為困難，目前只能通過實驗測得，然后在分析模型中進行相關設置。