摘要（yào）: 多功能數控磨床順應了我國核電風電、航空航天、機械（xiè）製造等產業的迅速發展。其動（dòng）態特性會（huì）對大尺寸零（líng）件的生產加工精度以及穩（wěn）定性（xìng）產生直接影響。本（běn）文針對MGK28120 立式靜壓轉台磨床的結構特點以及其加工過（guò）程中所遇到的問題，提（tí）出優化磨床結構，提升磨床動態性（xìng）能的（de）改善意見。

       關鍵詞（cí）: 多（duō）功能（néng）數控; 磨床; 動態特性; 結構

     由（yóu）於目前我國國（guó）內的磨床使用程度較為單一，無法（fǎ）滿（mǎn）足日益（yì）增長（zhǎng）的生產需求，進（jìn）行（háng）大型精確度要求高的機械製造時，極大程度上依（yī）賴引進（jìn）國外的磨（mó）床設備。因此業內人士開始研發（fā）具有更多功能，更高（gāo）精確度以及更強的使用性能的磨床。多功能數控磨床成為研（yán）究人員所探討的熱點課題。如何（hé）加快我國自主研發（fā）多功能數控磨床的腳步，優化磨床結構，成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 為例進行多功能數控磨床（chuáng）的研究工作，此種（zhǒng）磨床所采（cǎi）用的是整體（tǐ）立式結構（gòu）的布局，床身具（jù）有高強度的特點，並且在立柱上直接安（ān）裝有水平移動導（dǎo）軌，在左右兩側設置有可垂直移動的磨頭，左磨頭用來進行工件的內外（wài）圓（yuán）加（jiā）工，右磨（mó）頭對上（shàng）端麵進行加工，可以在進（jìn）行零件加工過程中一（yī）次完成出底麵工序（xù）外的其他所有工序。

 
      1． 1 磨床MGK28120 總體結構

     ①驅動（dòng）: 西門子交流伺服（fú）驅動，這（zhè）種驅動極適用於（yú）對大中型回轉體類零（líng）件的精密加工工作; ②進給係統:使用大型預負荷直線滾（gǔn）柱導軌進行運動（dòng）部件的支撐作用（yòng），通過大扭矩伺（sì）服電機直（zhí）連大直徑預（yù）負荷滾珠絲杠驅動運動部件高精度直線光柵尺實現全（quán）閉環位置控製［1］; ③主軸係統: 以中間止推（tuī）動靜壓油膜軸（zhóu）承技（jì）術為設計基礎，進行細（xì）節化的劃分，主要分（fèn）為兩部分，分別是立主（zhǔ）軸與臥主軸。MGK28120 技術參數見表1。
 

                                 表1 MGK28120 技術參數表

     1． 2 MGK28120 結構（gòu）模型

     本研究采用三維建模軟件SolidWorks 建（jiàn）立磨床CAD 模型［2］，且利用軟件裝配設計功能，對磨床進行組裝與三維建模，模型如圖1 所示。由於磨床鑄件頗多，存在不同小特征，這些特征會對有限元模型處理及分析求解造成較大的不利影響，因此，決定在不影響（xiǎng）各部件整體結構（gòu）的前（qián）提下，對類似（sì）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（jiàn）與有限元處理軟件存在數據接口問題，因此（cǐ），需在Solidworks用x － t 格（gé）式存儲模型，以便於後（hòu）續導（dǎo）入有限元分析（xī）軟件ANSYS Workbench 中進行有限元模型（xíng）處理［3］。

          圖1 磨床模（mó）型（xíng）

      1． 床身2． 回轉工作台3． 立磨頭主軸4． 立磨頭支架5． Y 向（xiàng）導軌6． Y 向（xiàng）滑（huá）塊7． 滑（huá）鞍8． X 向滑塊（kuài）9． X 向導軌10． 臥磨頭支架11． 臥磨（mó）頭12． 立柱

     1． 3 關鍵結合麵
 
 
     機床的（de）主要結合麵為螺栓、導（dǎo）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動態性能（néng）的影（yǐng）響。磨床MGK28120 的床身立柱結構圖見圖2 ( 立柱結構的（de）仰視圖) 。立柱（zhù）長3050mm，寬708mm，螺栓沿中線對（duì）稱分布，後側螺栓1 位於中心對稱軸上（shàng），1、2 螺栓相（xiàng）距378mm，2 、3 和3、4 螺栓兩兩相距均為466mm，4、5 兩個螺栓與x 方向相距215mm，左右兩側各一個螺栓( 左側（cè）靠近立柱（zhù）後麵那個孔是螺栓孔，右側靠近立柱（zhù）前麵的孔是螺栓孔) ，床身立柱一共是通過14 條（tiáo）GB900 雙頭螺柱A 型M20 螺栓連（lián）接，螺栓鎖緊力矩為208N． m。

     
  
     圖2 立（lì）柱結構

     A． 立柱三維圖B 床身立柱螺栓結合麵

 
     床身與地（dì）麵的地腳螺栓（shuān）分布見圖3 ( 仰視圖) ，床（chuáng）身長3050mm，寬2000mm，床身與（yǔ）地麵是8 個8． 8 級（jí）M24 地腳螺栓連接，螺栓鎖緊（jǐn）力矩（jǔ）為250N． m。

      
  
      圖（tú）3 床身結構
      A． 床身三維圖B 床身地（dì）腳螺（luó）栓分布圖（tú）

     右滑鞍係統導軌滑塊結合麵見圖4，圖中四個角上為四（sì）個滑塊，通過兩（liǎng）個水平導軌安裝（zhuāng）在床身上，采用的是THK 公司的產品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軌。

      圖4 右滑鞍（ān）係統結構

      A． 滑鞍係統三維圖B． 導軌滑塊結合麵

      2． 1 測（cè）試結果

      對整機進行激振實驗以及信號數據采集，並用（yòng）分析軟（ruǎn）件對數（shù）據進行變時基傳遞函數分析［4］。數據分析流程見圖（tú）5。

      
  
      圖5 試驗模態數據分析（xī）流程圖（tú）
 

     磨床具有結構複雜的特（tè）點，所以進行模態擬合時（shí）需要采（cǎi）用頻域法（fǎ）。采用頻域法（fǎ）時為防止丟失模（mó）態，需要注意對模態進（jìn）行定階，模態（tài）收集情況見圖6，圖中總共收（shōu）集了21 階的模態，因磨床（chuáng）轉速不高（gāo），所以隻列出模擬測試結果中的前（qián）四階模態作分析見圖7，模擬測試第四階的有頻率及振型情況（kuàng）見表2。

      圖6 整機模態集總平均定（dìng）階（jiē）

      圖（tú）7 前四階模（mó）態振型（xíng）
 

       2． 2 結果分析

      ①第1、2 階: 通過（guò）對第（dì）1、2 階模態的振型圖解讀可以看出，在第1 階時（shí），磨床整機的立柱繞x 軸彎（wān）曲，且上側幅度大（dà），下側幅度小，床身具有剛體位移，立（lì）柱床身結合麵處振幅（fú）變（biàn）化（huà）明顯。由此可知（zhī），對最低階模態產生影響的因素是整機沿z 軸方向的約束剛度以及（jí）立柱與床身結（jié）合（hé）麵的剛度。想要（yào）提高磨（mó）床MGK28120 最低階固有頻率，就要提高這兩個部位的（de）剛度。在第2階時磨床整機（jī）繞（rào）y 軸扭曲和x 軸扭曲，中軸線部位的點振幅小（xiǎo），遠離中（zhōng）軸線部位振（zhèn）幅逐漸（jiàn）增（zēng）大，沿y 軸方向非線性（xìng）關係形式向上振幅逐漸增大，結合（hé）麵處上側變化大，下側（cè）變（biàn）化小。所以第2 階的固有頻率也與機床（chuáng）與地的連接剛度以及立柱與床身（shēn）的（de）結合麵剛度（dù）有關。

 
      ②第3、4 階: 第3、4 階的次頻率雖然已超出工作頻率的半功率頻帶寬( ± ) ，但對其（qí）進行分析研究還是必（bì）要的。從第3、4 階模態（tài）的（de）振型來看（kàn），如想（xiǎng）要使這兩階的固有頻率有所增長，就（jiù）需要將兩個滑鞍的結構進行（háng）修改，從而（ér）抑製磨頭在z 軸方向以及x 軸方（fāng）向的振動。

      3、 動態（tài）特性及（jí）結構優化

      3． 1 動態特性

      表（biǎo）2 磨床整機結構（gòu）前四階固有頻率（lǜ）

      通過上文的分析可知，在整機處於低頻階段時（shí），其床身產生（shēng）位移的幅度小，但立柱的振動情況十分明顯（xiǎn），當發生立（lì）柱的振動時，會引發整機磨（mó）頭部（bù）分（fèn）的彎曲或者發生平衡振動的情況，當砂輪（lún）發生明顯的平衡振動情況時（shí），將會直接對磨床加工（gōng）的精度造成不（bú）利影響。而在磨床（chuáng）後期的模態振型逐漸提高，此時（shí）的床身位移振幅變大，振型穩定（dìng），加工過程也（yě）會更為精確。由此（cǐ）看來，在（zài）進（jìn）行磨床的應用過（guò）程中，床身以及立柱（zhù）的（de）結合（hé）麵是對磨床（chuáng）的加工精度產生重要影響的一個因（yīn）素，在進行磨床的結構優化過程中需要予以重視 。

      3． 2 結構優化

  
     由於磨床的結構複（fù）雜，因此想要對磨床整機的各部分參數都進行結構（gòu）優化是很困難的，因此，通常在優化磨床的結構時，有選擇性的對重要（yào）的零（líng）部件結構進行（háng）優化，繼（jì）而達到整機集成優化的（de）效果［6］。在對磨（mó）床整機的各部分（fèn）進行結構優化時，需要注意，要保持（chí）各部（bù）件的前幾階（jiē）固有頻率值差距（jù）明顯，避免各部分的值過於接近，若各部件的固有頻率過分相（xiàng）近，就會在與外界激勵相同的情況下，引發整機的更（gèng）大震動，使加（jiā）工精度受到（dào）影響，因此，在進行磨床的結構（gòu）優化時，需充分的把握好模態分離工作。

   
     4、 結（jié）束語

     機械製（zhì）造業是（shì）國民經濟的支柱性產業之一，機床加工更是機械製造業的基礎組成部分，加強磨床的使用性能，對我國（guó）的工業科技發展具有十分關鍵的（de）作用，因此加深對新型多功能數控（kòng）磨床的動態特（tè）性研究，加快對其結構的優化進程，才能夠（gòu）更好地促進我國機械製造產業向更高更強（qiáng）化發展，實現經濟效益的提升。