摘要: 多功能数控磨床顺应了我国核电风电、航空航天、机械制造等产业的迅速发展。其动态特性会对大尺寸零件的生产加工精度以及稳定性产生直接影响。本文针对MGK28120 立式静压转台磨床的结构特点以及其加工过程中所遇到的问题，提出优化磨床结构，提升磨床动态性能的改善意见。

       关键词: 多功能数控; 磨床; 动态特性; 结构

     由于目前我国国内的磨床使用程度较为单一，无法满足日益增长的生产需求，进行大型精确度要求高的机械制造时，极大程度上依赖引进国外的磨床设备。因此业内人士开始研发具有更多功能，更高精确度以及更强的使用性能的磨床。多功能数控磨床成为研究人员所探讨的热点课题。如何加快我国自主研发多功能数控磨床的脚步，优化磨床结构，成为急需解决的问题之一。

      1 、总体结构分析

      本文以立式圆台磨床MGK28120 为例进行多功能数控磨床的研究工作，此种磨床所采用的是整体立式结构的布局，床身具有高强度的特点，并且在立柱上直接安装有水平移动导轨，在左右两侧设置有可垂直移动的磨头，左磨头用来进行工件的内外圆加工，右磨头对上端面进行加工，可以在进行零件加工过程中一次完成出底面工序外的其他所有工序。

 
      1． 1 磨床MGK28120 总体结构

     ①驱动: 西门子交流伺服驱动，这种驱动极适用于对大中型回转体类零件的精密加工工作; ②进给系统:使用大型预负荷直线滚柱导轨进行运动部件的支撑作用，通过大扭矩伺服电机直连大直径预负荷滚珠丝杠驱动运动部件高精度直线光栅尺实现全闭环位置控制［1］; ③主轴系统: 以中间止推动静压油膜轴承技术为设计基础，进行细节化的划分，主要分为两部分，分别是立主轴与卧主轴。MGK28120 技术参数见表1。
 

                                 表1 MGK28120 技术参数表

     1． 2 MGK28120 结构模型

     本研究采用三维建模软件SolidWorks 建立磨床CAD 模型［2］，且利用软件装配设计功能，对磨床进行组装与三维建模，模型如图1 所示。由于磨床铸件颇多，存在不同小特征，这些特征会对有限元模型处理及分析求解造成较大的不利影响，因此，决定在不影响各部件整体结构的前提下，对类似于倒角、圆角、退刀槽以及线槽等铸件进行简化处理。另外，由于CAD 软件与有限元处理软件存在数据接口问题，因此，需在Solidworks用x － t 格式存储模型，以便于后续导入有限元分析软件ANSYS Workbench 中进行有限元模型处理［3］。

          图1 磨床模型

      1． 床身2． 回转工作台3． 立磨头主轴4． 立磨头支架5． Y 向导轨6． Y 向滑块7． 滑鞍8． X 向滑块9． X 向导轨10． 卧磨头支架11． 卧磨头12． 立柱

     1． 3 关键结合面
 
 
     机床的主要结合面为螺栓、导轨、丝杠以及轴承的结合面，本研究中主要探讨螺栓以及导轨结合面对磨床动态性能的影响。磨床MGK28120 的床身立柱结构图见图2 ( 立柱结构的仰视图) 。立柱长3050mm，宽708mm，螺栓沿中线对称分布，后侧螺栓1 位于中心对称轴上，1、2 螺栓相距378mm，2 、3 和3、4 螺栓两两相距均为466mm，4、5 两个螺栓与x 方向相距215mm，左右两侧各一个螺栓( 左侧靠近立柱后面那个孔是螺栓孔，右侧靠近立柱前面的孔是螺栓孔) ，床身立柱一共是通过14 条GB900 双头螺柱A 型M20 螺栓连接，螺栓锁紧力矩为208N． m。

     
  
     图2 立柱结构

     A． 立柱三维图B 床身立柱螺栓结合面

 
     床身与地面的地脚螺栓分布见图3 ( 仰视图) ，床身长3050mm，宽2000mm，床身与地面是8 个8． 8 级M24 地脚螺栓连接，螺栓锁紧力矩为250N． m。

      
  
      图3 床身结构
      A． 床身三维图B 床身地脚螺栓分布图

     右滑鞍系统导轨滑块结合面见图4，图中四个角上为四个滑块，通过两个水平导轨安装在床身上，采用的是THK 公司的产品SＲG 55C 导轨滑块系统，SＲG55C型号直线导轨系统是滚柱保持器型滚动导轨。

      图4 右滑鞍系统结构

      A． 滑鞍系统三维图B． 导轨滑块结合面

      2． 1 测试结果

      对整机进行激振实验以及信号数据采集，并用分析软件对数据进行变时基传递函数分析［4］。数据分析流程见图5。

      
  
      图5 试验模态数据分析流程图
 

     磨床具有结构复杂的特点，所以进行模态拟合时需要采用频域法。采用频域法时为防止丢失模态，需要注意对模态进行定阶，模态收集情况见图6，图中总共收集了21 阶的模态，因磨床转速不高，所以只列出模拟测试结果中的前四阶模态作分析见图7，模拟测试第四阶的有频率及振型情况见表2。

      图6 整机模态集总平均定阶

      图7 前四阶模态振型
 

       2． 2 结果分析

      ①第1、2 阶: 通过对第1、2 阶模态的振型图解读可以看出，在第1 阶时，磨床整机的立柱绕x 轴弯曲，且上侧幅度大，下侧幅度小，床身具有刚体位移，立柱床身结合面处振幅变化明显。由此可知，对最低阶模态产生影响的因素是整机沿z 轴方向的约束刚度以及立柱与床身结合面的刚度。想要提高磨床MGK28120 最低阶固有频率，就要提高这两个部位的刚度。在第2阶时磨床整机绕y 轴扭曲和x 轴扭曲，中轴线部位的点振幅小，远离中轴线部位振幅逐渐增大，沿y 轴方向非线性关系形式向上振幅逐渐增大，结合面处上侧变化大，下侧变化小。所以第2 阶的固有频率也与机床与地的连接刚度以及立柱与床身的结合面刚度有关。

 
      ②第3、4 阶: 第3、4 阶的次频率虽然已超出工作频率的半功率频带宽( ± ) ，但对其进行分析研究还是必要的。从第3、4 阶模态的振型来看，如想要使这两阶的固有频率有所增长，就需要将两个滑鞍的结构进行修改，从而抑制磨头在z 轴方向以及x 轴方向的振动。

      3、 动态特性及结构优化

      3． 1 动态特性

      表2 磨床整机结构前四阶固有频率

      通过上文的分析可知，在整机处于低频阶段时，其床身产生位移的幅度小，但立柱的振动情况十分明显，当发生立柱的振动时，会引发整机磨头部分的弯曲或者发生平衡振动的情况，当砂轮发生明显的平衡振动情况时，将会直接对磨床加工的精度造成不利影响。而在磨床后期的模态振型逐渐提高，此时的床身位移振幅变大，振型稳定，加工过程也会更为精确。由此看来，在进行磨床的应用过程中，床身以及立柱的结合面是对磨床的加工精度产生重要影响的一个因素，在进行磨床的结构优化过程中需要予以重视 。

      3． 2 结构优化

  
     由于磨床的结构复杂，因此想要对磨床整机的各部分参数都进行结构优化是很困难的，因此，通常在优化磨床的结构时，有选择性的对重要的零部件结构进行优化，继而达到整机集成优化的效果［6］。在对磨床整机的各部分进行结构优化时，需要注意，要保持各部件的前几阶固有频率值差距明显，避免各部分的值过于接近，若各部件的固有频率过分相近，就会在与外界激励相同的情况下，引发整机的更大震动，使加工精度受到影响，因此，在进行磨床的结构优化时，需充分的把握好模态分离工作。

   
     4、 结束语

     机械制造业是国民经济的支柱性产业之一，机床加工更是机械制造业的基础组成部分，加强磨床的使用性能，对我国的工业科技发展具有十分关键的作用，因此加深对新型多功能数控磨床的动态特性研究，加快对其结构的优化进程，才能够更好地促进我国机械制造产业向更高更强化发展，实现经济效益的提升。