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        摘要: 多功能數(shù)控磨床順應(yīng)了我國(guó)核電風(fēng)電、航空航天、機(jī)械制造等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。其動(dòng)態(tài)特性會(huì)對(duì)大尺寸零件的生產(chǎn)加工精度以及穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。本文針對(duì)MGK28120 立式靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)磨床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及其加工過程中所遇到的問題，提出優(yōu)化磨床結(jié)構(gòu)，提升磨床動(dòng)態(tài)性能的改善意見。

       關(guān)鍵詞: 多功能數(shù)控; 磨床; 動(dòng)態(tài)特性; 結(jié)構(gòu)

     由于目前我國(guó)國(guó)內(nèi)的磨床使用程度較為單一，無法滿足日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)需求，進(jìn)行大型精確度要求高的機(jī)械制造時(shí)，極大程度上依賴引進(jìn)國(guó)外的磨床設(shè)備。因此業(yè)內(nèi)人士開始研發(fā)具有更多功能，更高精確度以及更強(qiáng)的使用性能的磨床。多功能數(shù)控磨床成為研究人員所探討的熱點(diǎn)課題。如何加快我國(guó)自主研發(fā)多功能數(shù)控磨床的腳步，優(yōu)化磨床結(jié)構(gòu)，成為急需解決的問題之一。

      1 、總體結(jié)構(gòu)分析

      本文以立式圓臺(tái)磨床MGK28120 為例進(jìn)行多功能數(shù)控磨床的研究工作，此種磨床所采用的是整體立式結(jié)構(gòu)的布局，床身具有高強(qiáng)度的特點(diǎn)，并且在立柱上直接安裝有水平移動(dòng)導(dǎo)軌，在左右兩側(cè)設(shè)置有可垂直移動(dòng)的磨頭，左磨頭用來進(jìn)行工件的內(nèi)外圓加工，右磨頭對(duì)上端面進(jìn)行加工，可以在進(jìn)行零件加工過程中一次完成出底面工序外的其他所有工序。

 
      1． 1 磨床MGK28120 總體結(jié)構(gòu)

     ①驅(qū)動(dòng): 西門子交流伺服驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)極適用于對(duì)大中型回轉(zhuǎn)體類零件的精密加工工作; ②進(jìn)給系統(tǒng):使用大型預(yù)負(fù)荷直線滾柱導(dǎo)軌進(jìn)行運(yùn)動(dòng)部件的支撐作用，通過大扭矩伺服電機(jī)直連大直徑預(yù)負(fù)荷滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件高精度直線光柵尺實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)位置控制［1］; ③主軸系統(tǒng): 以中間止推動(dòng)靜壓油膜軸承技術(shù)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，進(jìn)行細(xì)節(jié)化的劃分，主要分為兩部分，分別是立主軸與臥主軸。MGK28120 技術(shù)參數(shù)見表1。
 

                                 表1 MGK28120 技術(shù)參數(shù)表

     1． 2 MGK28120 結(jié)構(gòu)模型

     本研究采用三維建模軟件SolidWorks 建立磨床CAD 模型［2］，且利用軟件裝配設(shè)計(jì)功能，對(duì)磨床進(jìn)行組裝與三維建模，模型如圖1 所示。由于磨床鑄件頗多，存在不同小特征，這些特征會(huì)對(duì)有限元模型處理及分析求解造成較大的不利影響，因此，決定在不影響各部件整體結(jié)構(gòu)的前提下，對(duì)類似于倒角、圓角、退刀槽以及線槽等鑄件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。另外，由于CAD 軟件與有限元處理軟件存在數(shù)據(jù)接口問題，因此，需在Solidworks用x － t 格式存儲(chǔ)模型，以便于后續(xù)導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS Workbench 中進(jìn)行有限元模型處理［3］。

          圖1 磨床模型

      1． 床身2． 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)3． 立磨頭主軸4． 立磨頭支架5． Y 向?qū)к?． Y 向滑塊7． 滑鞍8． X 向滑塊9． X 向?qū)к?0． 臥磨頭支架11． 臥磨頭12． 立柱

     1． 3 關(guān)鍵結(jié)合面
 
 
     機(jī)床的主要結(jié)合面為螺栓、導(dǎo)軌、絲杠以及軸承的結(jié)合面，本研究中主要探討螺栓以及導(dǎo)軌結(jié)合面對(duì)磨床動(dòng)態(tài)性能的影響。磨床MGK28120 的床身立柱結(jié)構(gòu)圖見圖2 ( 立柱結(jié)構(gòu)的仰視圖) 。立柱長(zhǎng)3050mm，寬708mm，螺栓沿中線對(duì)稱分布，后側(cè)螺栓1 位于中心對(duì)稱軸上，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(gè)螺栓與x 方向相距215mm，左右兩側(cè)各一個(gè)螺栓( 左側(cè)靠近立柱后面那個(gè)孔是螺栓孔，右側(cè)靠近立柱前面的孔是螺栓孔) ，床身立柱一共是通過14 條GB900 雙頭螺柱A 型M20 螺栓連接，螺栓鎖緊力矩為208N． m。

     
  
     圖2 立柱結(jié)構(gòu)

     A． 立柱三維圖B 床身立柱螺栓結(jié)合面

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

      
  
      圖3 床身結(jié)構(gòu)
      A． 床身三維圖B 床身地腳螺栓分布圖

     右滑鞍系統(tǒng)導(dǎo)軌滑塊結(jié)合面見圖4，圖中四個(gè)角上為四個(gè)滑塊，通過兩個(gè)水平導(dǎo)軌安裝在床身上，采用的是THK 公司的產(chǎn)品SＲG 55C 導(dǎo)軌滑塊系統(tǒng)，SＲG55C型號(hào)直線導(dǎo)軌系統(tǒng)是滾柱保持器型滾動(dòng)導(dǎo)軌。

      圖4 右滑鞍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

      A． 滑鞍系統(tǒng)三維圖B． 導(dǎo)軌滑塊結(jié)合面

      2． 1 測(cè)試結(jié)果

      對(duì)整機(jī)進(jìn)行激振實(shí)驗(yàn)以及信號(hào)數(shù)據(jù)采集，并用分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變時(shí)基傳遞函數(shù)分析［4］。數(shù)據(jù)分析流程見圖5。

      
  
      圖5 試驗(yàn)?zāi)B(tài)數(shù)據(jù)分析流程圖
 

     磨床具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，所以進(jìn)行模態(tài)擬合時(shí)需要采用頻域法。采用頻域法時(shí)為防止丟失模態(tài)，需要注意對(duì)模態(tài)進(jìn)行定階，模態(tài)收集情況見圖6，圖中總共收集了21 階的模態(tài)，因磨床轉(zhuǎn)速不高，所以只列出模擬測(cè)試結(jié)果中的前四階模態(tài)作分析見圖7，模擬測(cè)試第四階的有頻率及振型情況見表2。

      圖6 整機(jī)模態(tài)集總平均定階

      圖7 前四階模態(tài)振型
 

       2． 2 結(jié)果分析

      ①第1、2 階: 通過對(duì)第1、2 階模態(tài)的振型圖解讀可以看出，在第1 階時(shí)，磨床整機(jī)的立柱繞x 軸彎曲，且上側(cè)幅度大，下側(cè)幅度小，床身具有剛體位移，立柱床身結(jié)合面處振幅變化明顯。由此可知，對(duì)最低階模態(tài)產(chǎn)生影響的因素是整機(jī)沿z 軸方向的約束剛度以及立柱與床身結(jié)合面的剛度。想要提高磨床MGK28120 最低階固有頻率，就要提高這兩個(gè)部位的剛度。在第2階時(shí)磨床整機(jī)繞y 軸扭曲和x 軸扭曲，中軸線部位的點(diǎn)振幅小，遠(yuǎn)離中軸線部位振幅逐漸增大，沿y 軸方向非線性關(guān)系形式向上振幅逐漸增大，結(jié)合面處上側(cè)變化大，下側(cè)變化小。所以第2 階的固有頻率也與機(jī)床與地的連接剛度以及立柱與床身的結(jié)合面剛度有關(guān)。

 
      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(duì)其進(jìn)行分析研究還是必要的。從第3、4 階模態(tài)的振型來看，如想要使這兩階的固有頻率有所增長(zhǎng)，就需要將兩個(gè)滑鞍的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，從而抑制磨頭在z 軸方向以及x 軸方向的振動(dòng)。

      3、 動(dòng)態(tài)特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

      3． 1 動(dòng)態(tài)特性

      表2 磨床整機(jī)結(jié)構(gòu)前四階固有頻率

      通過上文的分析可知，在整機(jī)處于低頻階段時(shí)，其床身產(chǎn)生位移的幅度小，但立柱的振動(dòng)情況十分明顯，當(dāng)發(fā)生立柱的振動(dòng)時(shí)，會(huì)引發(fā)整機(jī)磨頭部分的彎曲或者發(fā)生平衡振動(dòng)的情況，當(dāng)砂輪發(fā)生明顯的平衡振動(dòng)情況時(shí)，將會(huì)直接對(duì)磨床加工的精度造成不利影響。而在磨床后期的模態(tài)振型逐漸提高，此時(shí)的床身位移振幅變大，振型穩(wěn)定，加工過程也會(huì)更為精確。由此看來，在進(jìn)行磨床的應(yīng)用過程中，床身以及立柱的結(jié)合面是對(duì)磨床的加工精度產(chǎn)生重要影響的一個(gè)因素，在進(jìn)行磨床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中需要予以重視 。

      3． 2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

  
     由于磨床的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此想要對(duì)磨床整機(jī)的各部分參數(shù)都進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是很困難的，因此，通常在優(yōu)化磨床的結(jié)構(gòu)時(shí)，有選擇性的對(duì)重要的零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，繼而達(dá)到整機(jī)集成優(yōu)化的效果［6］。在對(duì)磨床整機(jī)的各部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，需要注意，要保持各部件的前幾階固有頻率值差距明顯，避免各部分的值過于接近，若各部件的固有頻率過分相近，就會(huì)在與外界激勵(lì)相同的情況下，引發(fā)整機(jī)的更大震動(dòng)，使加工精度受到影響，因此，在進(jìn)行磨床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，需充分的把握好模態(tài)分離工作。

   
     4、 結(jié)束語

     機(jī)械制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱性產(chǎn)業(yè)之一，機(jī)床加工更是機(jī)械制造業(yè)的基礎(chǔ)組成部分，加強(qiáng)磨床的使用性能，對(duì)我國(guó)的工業(yè)科技發(fā)展具有十分關(guān)鍵的作用，因此加深對(duì)新型多功能數(shù)控磨床的動(dòng)態(tài)特性研究，加快對(duì)其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進(jìn)程，才能夠更好地促進(jìn)我國(guó)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)向更高更強(qiáng)化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的提升。