摘要: 多功（gōng）能數（shù）控磨床順應（yīng）了我國核電風電（diàn）、航空（kōng）航天、機（jī）械製造等產業的迅速發展。其動（dòng）態特性會對大尺（chǐ）寸（cùn）零件的生產加工精度以及穩定性產生直接影響。本文針對（duì）MGK28120 立式（shì）靜壓轉台磨床的結構特點以及其（qí）加工過程中所遇到（dào）的問題，提出優化磨床（chuáng）結構，提升磨（mó）床動態性能的改善意見。

       關鍵（jiàn）詞: 多功能數控; 磨床; 動態特性; 結構（gòu）

     由於目前我國國內的磨床使用程度較為單一，無法滿足日益增長的生產需求，進行大型精確（què）度（dù）要求高的機械製造（zào）時，極大程度上依賴引進國外（wài）的磨床（chuáng）設備。因此業內人士（shì）開始研發具有更多功能，更高精確度以及更強的使用性能的磨床。多（duō）功能數控磨床成為研究人員（yuán）所探討的熱點課題。如何加快我國自主研發多功能數控磨床的腳步，優化磨床（chuáng）結構，成（chéng）為急需解決的問題之（zhī）一。

      1 、總體結構分析

      本文以立式圓台磨床MGK28120 為例進行多功（gōng）能數控磨床的研究工作，此種磨床所采用（yòng）的是整體立式結構的布局，床身具（jù）有高強度的特點，並且（qiě）在（zài）立柱（zhù）上直接安裝有（yǒu）水平移動導軌，在（zài）左（zuǒ）右（yòu）兩（liǎng）側設（shè）置有（yǒu）可垂直移動的磨頭（tóu），左磨（mó）頭用來進行工件的內外圓加工，右磨頭對上端麵進行加工，可（kě）以在進行零件（jiàn）加工過程中（zhōng）一（yī）次完成出底麵工序外的其他所有工序。

 
      1． 1 磨床MGK28120 總體結構

     ①驅動: 西門子（zǐ）交（jiāo）流伺服驅動，這（zhè）種驅動極適用於對大（dà）中型回轉體類零（líng）件的精密加工工作; ②進給（gěi）係統:使用大型預負荷直線滾柱導軌進行運動部件的支撐作用，通過（guò）大扭矩伺服電機直連（lián）大直徑預負荷滾珠絲杠驅動運（yùn）動部件高精度直（zhí）線光柵尺實現全閉環位置控製［1］; ③主軸係統: 以中（zhōng）間止推動靜壓油膜軸承技（jì）術為設（shè）計基礎，進行（háng）細節化的劃分，主（zhǔ）要分為兩部分，分別是立主軸與（yǔ）臥主軸。MGK28120 技術參數見表1。
 

                                 表1 MGK28120 技（jì）術參數表

     1． 2 MGK28120 結構模型

     本研究采用三維建模軟件SolidWorks 建立（lì）磨床（chuáng）CAD 模型［2］，且利用軟件裝（zhuāng）配設計功能，對磨床進行組裝與三維建模，模型如圖1 所示（shì）。由於磨（mó）床鑄件（jiàn）頗多，存在不同小（xiǎo）特征，這些特征會（huì）對有限元模型處理及分析求解造成較大的不利影響，因此，決定（dìng）在不影響各部件整（zhěng）體結構的前（qián）提下，對類似於倒角、圓角、退刀槽以及線槽等鑄件進行簡化處理。另外，由於CAD 軟件與（yǔ）有限元處理軟件存在（zài）數據接（jiē）口問題，因此，需在Solidworks用（yòng）x － t 格（gé）式存儲模型，以便於（yú）後續導入有限元分析軟件ANSYS Workbench 中進行有（yǒu）限元模型處理［3］。

          圖1 磨床（chuáng）模型

      1． 床身2． 回轉工作（zuò）台3． 立磨頭主軸4． 立磨頭支（zhī）架5． Y 向導軌6． Y 向滑塊7． 滑鞍8． X 向滑塊9． X 向導軌10． 臥磨頭支架11． 臥磨頭12． 立柱

     1． 3 關鍵（jiàn）結合麵
 
 
     機床的主要結合麵為螺栓、導軌、絲（sī）杠以及軸承的結合麵，本研究中主要探討螺栓以及導軌結合麵對磨床（chuáng）動態性能的影響。磨床MGK28120 的床身立柱結構圖（tú）見圖2 ( 立柱結構的仰視圖) 。立柱長3050mm，寬708mm，螺栓沿中線對稱分布，後側螺栓1 位於中心對稱軸上（shàng），1、2 螺栓相距378mm，2 、3 和3、4 螺栓兩兩相距均為466mm，4、5 兩個螺栓（shuān）與x 方向相距215mm，左右兩（liǎng）側各一個螺栓( 左側靠近立柱（zhù）後麵那個孔是螺栓孔，右側靠近立（lì）柱前麵的孔是螺栓孔) ，床身立柱一（yī）共是通過14 條GB900 雙頭螺柱A 型M20 螺（luó）栓連接，螺栓鎖緊力矩為208N． m。

     
  
     圖2 立柱結構

     A． 立柱三維圖B 床身立柱螺栓結合麵

 
     床身與地麵的地腳螺栓分布見圖3 ( 仰視圖) ，床身長3050mm，寬2000mm，床身與地麵是8 個（gè）8． 8 級M24 地腳螺栓連接，螺栓鎖緊力矩為250N． m。

      
  
      圖3 床身結構
      A． 床身三（sān）維圖B 床身（shēn）地腳螺栓分布圖

     右滑鞍係（xì）統導軌滑塊結合麵（miàn）見圖4，圖中四個角上為四個滑塊，通過兩個（gè）水平導軌安裝在床身上，采用的是THK 公司的產品（pǐn）SＲG 55C 導軌滑塊係統，SＲG55C型號直線導軌係統是滾柱保持器型滾動導（dǎo）軌。

      圖4 右滑鞍係統結（jié）構

      A． 滑鞍係統三維圖B． 導軌滑塊結合麵

      2． 1 測試結果

      對整機進行激振實驗以及信號數據采集，並用分（fèn）析軟件對（duì）數據進行變時基傳（chuán）遞函數分析［4］。數據分（fèn）析流（liú）程見圖5。

      
  
      圖5 試驗模態數據分析流（liú）程圖
 

     磨床具有結構複雜的特點，所以進行模態擬合時需要采用頻域法。采用頻域法時為（wéi）防止丟失模（mó）態，需要注意對模態進行定階，模態收集情況見圖6，圖（tú）中（zhōng）總共收集了21 階的模態，因磨床轉速不高，所以隻列出模擬測試結果中的前四階（jiē）模態作分析見圖7，模擬測試第四階的有頻率（lǜ）及振型情況見表2。

      圖6 整機模態集總平均（jun1）定階

      圖（tú）7 前四（sì）階模態振型
 

       2． 2 結果分析（xī）

      ①第1、2 階: 通過對（duì）第1、2 階模態的振型圖解讀（dú）可以看出，在（zài）第1 階時，磨（mó）床整機的立柱繞x 軸彎曲，且（qiě）上側幅度大（dà），下側（cè）幅度小（xiǎo），床身具有剛體位移，立柱床身結合麵處振幅變化明顯。由此（cǐ）可知（zhī），對最低階模態產（chǎn）生影響的（de）因素是整機沿（yán）z 軸方向的約束剛度以及立柱與床身結合（hé）麵的剛度。想要提高磨床（chuáng）MGK28120 最低階固有頻率，就要提（tí）高這兩個部位的剛度。在第（dì）2階時磨床整機繞y 軸扭曲和（hé）x 軸扭曲，中軸線部位的點振幅（fú）小（xiǎo），遠離（lí）中軸線部位振幅逐漸增大，沿（yán）y 軸（zhóu）方向非線性（xìng）關係形式（shì）向上（shàng）振（zhèn）幅逐漸增大，結合麵處上側變（biàn）化大，下側變化小。所以第2 階的固有頻率也與機床與地（dì）的連接剛度以及立柱與床身的（de）結合麵剛度有關。

 
      ②第3、4 階: 第3、4 階的（de）次頻率雖然已超出工作頻率的半功率頻帶寬( ± ) ，但對其進行分析（xī）研（yán）究還是必要的。從第3、4 階模態的振型來看，如想要使這兩階的固有頻率有所（suǒ）增長，就需要將兩個滑鞍的結構進行修改，從而抑製磨頭在z 軸方向以及x 軸方向的振動。

      3、 動（dòng）態特性及結構優化

      3． 1 動態特性

      表2 磨床整機結構前四階固有頻率

      通過上文的分析可知，在整機（jī）處於低頻階段時，其床身產生位移的幅度小，但立柱的振（zhèn）動情況十（shí）分明顯，當發生立（lì）柱的振動時，會引發整機（jī）磨頭部（bù）分的彎曲或者發生平衡振動（dòng）的情況，當砂輪發生明顯（xiǎn）的平衡振動情況時，將會（huì）直接對（duì）磨床加工的（de）精度造成不利影響（xiǎng）。而在磨床後期的模（mó）態振型逐漸提高，此時（shí）的床身位移振幅變大（dà），振型穩定，加工過程也會更為精確。由此看來，在進行磨床的應用過程中，床身以及立柱的結合麵是對磨床的加工精度（dù）產生重要影響的一（yī）個因素（sù），在進行磨床的結構優化（huà）過（guò）程中需要予（yǔ）以重視 。

      3． 2 結構優（yōu）化

  
     由於磨床的結構複雜，因此想要對磨床整機的各部分（fèn）參數都進行結構優化是很困難（nán）的，因此，通常在優化磨床的結構時，有選擇性的對（duì）重要（yào）的零部件結構（gòu）進行優化，繼而達到整機集成（chéng）優化的效果（guǒ）［6］。在對磨床整機的各部分進行結構（gòu）優化時，需要注意，要保持各部件的（de）前幾階固有頻率值差距明顯，避免各部分的值過於接近（jìn），若各部件的固有頻率過分相近，就會在與外界激勵相同的情（qíng）況下，引發整機的更大震（zhèn）動，使加工精度受到影響，因此，在進行（háng）磨床的（de）結構優化時，需充分的把握好模態分離工作。

   
     4、 結束語

     機械製造業是國民經濟的支柱性產業之一，機床加工更是機械（xiè）製造業的基礎組成部分，加（jiā）強磨床的使（shǐ）用性能，對我國的工業科技發展具有十分關鍵的作用，因（yīn）此加深對新型多功能數控（kòng）磨床的（de）動態特性研究，加快對其結構的（de）優化進程，才能夠更好地促進我國（guó）機（jī）械製造產業向更高（gāo）更強化發展，實現經濟效益的提升。