機床動態(tài)特性的研究包括了動力分析和動態(tài)設計兩個主要部分的內容[7]: 動力分析就是在己知系統(tǒng)的動力學模型、外部激振和系統(tǒng)工作條件的基礎上 分析研究系統(tǒng)的動態(tài)特性。對機床而言，其動力分析主要指機床抵抗振動的能力。 和其他的機械結構一樣，機床振動也是結構彈性體振動問題，研究內容包括機床 結構的自由振動頻率（固有頻率)及其相應的振型和強迫振動時的響應等靜、動態(tài) 特性的計算。動力分析問題進行了多年的研究，己經形成了比較完整的理論，山 現(xiàn)了能適用于不同情況的各種分析計算方法，即使是比較復雜的系統(tǒng)，其動力分 析也可以得到比較準確的結果。
確定試驗分析頻段前先進行預試驗，發(fā)現(xiàn)機床結構的主要模態(tài)主要集中在 1000Hz以內，高階模態(tài)對機床結構的動態(tài)特性影響很小，幾乎可以忽略。通過經 驗可以判斷不同重量的機床前幾階段模態(tài)的模態(tài)頻率范圍，也這能指導我們進行 中心頻率和采樣頻率的選擇[501。大量工程實踐經驗證明機床自重和其共振頻率有 相對關系，在查得VMC1060立式加工中心重約5噸后我們也就知道了前幾階模 態(tài)應該在250Hz以內，最后我們選擇1024Hz作為中心頻率，這樣既可減少數據 采集和分析的工作量，又可提高模態(tài)參數辨識的精度。為了避免發(fā)生頻率混疊， 按照采樣定理，信號的采集頻率不得低于欲分析最高頻率的2倍。對于響應信號， 按照不發(fā)生頻率混疊的要求，以2048Hz的采樣頻率進行采集；對于錘擊產生的 脈沖力，同樣采用2048Hz的高采樣頻率。同時，力信號加力窗，加速度信號加 Exponentia丨窗，以減少泄漏誤差。同時對響應信號進行多次采集，并進行平均處 理，以減少噪音的干擾。本次試驗采取3次平均。
加工中心盤式刀庫換刀系統(tǒng)的故障率較高，但故障模式較為單一。通過實驗室連 續(xù)試驗激發(fā)故障，對所采集的故障前后信號特征進行處理分析，獲取故障特征值，從 而實現(xiàn)故障預警，即在故障信號出現(xiàn)而故障未發(fā)生時發(fā)出報警提示。本文旨在提出一 種有效的故障預警方法，并在實驗室條件下驗證其可行性。
該系列盤式刀庫采用減速電機帶動分度機構實現(xiàn)刀盤的運轉，選刀動作快速、平 穩(wěn)。分度機構由圓柱凸輪與凸輪軸承組合而成，分度精度高，噪音??；刀庫刀套采用 工程塑料ABS制作，具有重量輕、運轉平穩(wěn)、沖擊小等優(yōu)點，因此在進行信號采集時 能將干擾降到最低，有效地降低了故障誤報率。上述減速電機在運轉時帶動副鏈輪、 副鏈條運轉，通過副鏈條帶動刀庫外部帶有接近傳感器的軸轉動，實現(xiàn)對刀盤運動的 精確控制。機械手的換刀動作由減速電機帶動鏈條、鏈條帶動滾子式蝸型弧面復合凸 輪來完成。
故障預警系統(tǒng)主要包括電氣控制環(huán)節(jié)、數據采集環(huán)節(jié)和PLC控制環(huán)節(jié)，只有三個 環(huán)節(jié)協(xié)同工作才能完成盤式刀庫換刀系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和故障預警功能。本章設計任務 為設計電氣控制環(huán)節(jié)控制刀庫的正常動作、設計數據采集環(huán)節(jié)采集刀庫工作時的狀態(tài) 信號和設計PLC控制環(huán)節(jié)控制故障預警機構的動作。
利用丹麥B&K測試系統(tǒng)，采用單點激勵多點響應，對KVC800立式加工中心主要部件工作臺、床 身、立柱和主軸箱開展了模態(tài)測試，從試驗方案、測試系統(tǒng)、參數設置和結果分析幾方面探討了試驗過程的開展，獲取了各主要部件的模態(tài)參數。2) 利用B&K測試系統(tǒng)對加工中心整個升速過程的振動信號予以記錄，并進行了瀑布圖分析，并從中 獲取模態(tài)信息，與試驗模態(tài)測試結果進行了對比驗證。3) 通過模態(tài)測試分析與升速過程瀑布圖分析，獲知50Hz和64Hz為加工中心整機固有頻率，實際使 用過程中應避開3000r/min和3840r/min的主軸工作轉速，為加工中心的優(yōu)化運行提供了可靠依據。
在精工機床使用過程中，會遇到一些突發(fā)情況， 例如機械運動部分超過運動極限位置時、工人看到主軸 刀具與夾具快要撞到時，此時機床可以立刻進入緊急急 停狀態(tài)，切斷所有進給電機和主電機的動力電以保護機 床[1];當機床正在自動加工時，如果防護門被打開了， 所有的進給軸應該立即鎖住，停止移動，以免出現(xiàn)人身 傷害事故；正常加工時，如果刀庫不在最左面，嚴禁Z 軸移動，否則會將刀庫或主軸撞壞。因此精工機床的 急停與安全保護功能的設計至關重要，本文詳細介紹 VMC3016L加工中心急停與過行程硬件控制電路設計；
該加工中心采用安裝刀具的主軸沿X、Y、Z等3軸移動，而 工作臺沿A軸轉動（傾斜）并沿C 軸旋轉的構造。其工作臺采用接 近懸臂式的耳軸工作臺，使耳軸 工作臺繞A軸旋轉的驅動裝置位 于機身后側，而前側則采用僅有 支撐部件的簡單設計，更加方便 操作人員靠近機身的加工部位。 其還配備了易用性較高的NC裝置 “MAX5”，增加了可在屏幕上 顯示的功能按鈕，方便進行功能 選擇。此外，該NC裝置還采用 了對話型編程功能。比如，選擇 “開孔”，就會提示“鉆頭”、 “絲錐”、“鉸刀”等刀具，可 從中選擇所需刀具；選擇“鉆 頭”，就會詢問打孔的位置、孔 底的位置，以及刀具的轉速等， 并可依次輸人數字。由于采用提 問方式來編程，因此，該加工中心的操作更為簡單。
應用Simulation有限元分析軟件，對所設計的 高效立式加工中心立柱進行了靜、動態(tài)特性分析， 獲得了立柱在不同方向上的受力變形，通過對立柱 的固有頻率及振型的分析，獲得了立柱的動態(tài)特性 參數。綜合運用正交試驗設計、模糊數學和有限元 分析理論，對立柱的結構參數進行了多目標模糊優(yōu) 化。分析表明，通過Soildworks Simulation有限元分析方法對加工中心立柱進行靜、動態(tài)特性分析，可以 快速有效地確定立柱結構參數的最優(yōu)方案，縮短產 品的試驗周期以及大量的試驗和計算工作，為機床 結構優(yōu)化設計提供了一種新的途徑。
1) 為滿足機床高速高精的加工要求，設計了直線電 機驅動高速立式加工中心的整體結構，在方案設計中，充 分考慮結構布局、電機選型、功能部件選擇，利用直線電 機作為立式加工中心進給系統(tǒng)驅動單元可以提高立式加工 中心的切削進給速度和控制精度，提高生產效率。2) 對設計的直線電機驅動高速立式加工中心整機 基于有限元的靜動態(tài)特性分析，結果顯示：整機具有良 好的強度、剛度和抗振特性，滿足粗加工及加減速對機 床結構的剛性、強度及抗振特性要求，達到設計要求。