輕量化技術(shù)在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用闡述

趙慶，劉衛(wèi)星

（海天國華（大連）精工機(jī)械有限公司，遼寧 大連 116300）

數(shù)控機(jī)床集成了多種先進(jìn)技術(shù)，為人們的操作提供了便捷，滿足企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)需求，為企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，材料應(yīng)用、計(jì)算與設(shè)計(jì)方法等都存在一定的局限性，導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行可靠性無法得到保障，不僅對(duì)日常生產(chǎn)活動(dòng)造成影響，而且存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患。在設(shè)計(jì)中側(cè)重于數(shù)控機(jī)床應(yīng)力、剛度和強(qiáng)度等性能的關(guān)注，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案會(huì)使得成本加大，同時(shí)，只有通過應(yīng)用更多的材料才能提高精度值。輕量化技術(shù)的出現(xiàn)，則能夠有效解決上述問題，使數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化和改進(jìn)，數(shù)控機(jī)床的重量得到控制，同時(shí)，確保良好的抵抗彈性形變的性能特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)工作當(dāng)中應(yīng)該明確輕量化技術(shù)的原理及特點(diǎn)，以制定可行性的技術(shù)應(yīng)用及設(shè)計(jì)方案。

1 輕量化技術(shù)的特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該以靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)化為基礎(chǔ)，降低其自身重量，從而控制生產(chǎn)制造的成本投入，使其整機(jī)性能得到改善。對(duì)結(jié)構(gòu)件的分布特征和筋板類型加以調(diào)整，發(fā)揮結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)支撐構(gòu)件時(shí)，應(yīng)該滿足剛度約束及強(qiáng)度約束條件，包括數(shù)控機(jī)床的立柱和床身等。在設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)部件時(shí)，則應(yīng)該明確動(dòng)態(tài)性能的相關(guān)約束條件，對(duì)數(shù)控機(jī)床重量和剛度、強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行分析。明確能量傳遞特點(diǎn)及路徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的優(yōu)化，達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)要求。

1.2 新材料設(shè)計(jì)技術(shù)

新材料設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，也是輕量化技術(shù)在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中的體現(xiàn)，主要是運(yùn)用蜂窩材料和泡沫金屬等降低數(shù)控機(jī)床的重量。其具有多孔的特點(diǎn)，因此，在控制噪音和均衡應(yīng)力分布、減震等方面的效果較好，在滑塊、移動(dòng)工作臺(tái)和移動(dòng)導(dǎo)軌等部件中的應(yīng)用較多。在減速箱和立柱中也可以運(yùn)用新型輕質(zhì)材料，以改善支撐結(jié)構(gòu)的整體性能?；炷梁突◢弾r可以分別應(yīng)用于鋼板焊接框架和大尺寸支撐件當(dāng)中，能夠降低成本投入，使數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。市場(chǎng)中新型輕質(zhì)材料的種類較多，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求進(jìn)行針對(duì)性選擇，保障良好的輕量化效果。

1.3 多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

以整機(jī)性能的考量為重點(diǎn)，采用多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，能夠?qū)?shù)控機(jī)床的接口形式、連接形式等進(jìn)行優(yōu)化，使關(guān)鍵部件的性能更加可靠。使各個(gè)子系統(tǒng)之間能夠形成協(xié)同配合，增進(jìn)數(shù)控機(jī)床整體和局部的協(xié)調(diào)性，明確全局最優(yōu)解。應(yīng)該對(duì)不同學(xué)科的耦合作用特點(diǎn)進(jìn)行分析，這是保障良好協(xié)

同效應(yīng)的關(guān)鍵，以達(dá)到改善整體工程系統(tǒng)的目的，增強(qiáng)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)方案的合理性。

2 輕量化技術(shù)在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用措施

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

重新設(shè)計(jì)是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式中的常用手段，運(yùn)用輕量化技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)，應(yīng)該明確其剛度和質(zhì)量要求，遵循約束條件實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)方案的調(diào)整和優(yōu)化。首先，應(yīng)該進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的尺寸優(yōu)化。通常無須進(jìn)行過大的改動(dòng)，通過細(xì)節(jié)處理使其尺寸參數(shù)更加標(biāo)準(zhǔn)化，使數(shù)控機(jī)床的性能得到改善。以殼體厚度和截面尺寸為重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)變量的有效控制，獲得最優(yōu)值以控制設(shè)計(jì)成本，避免在生產(chǎn)制造中出現(xiàn)嚴(yán)重的資源浪費(fèi)問題。除了應(yīng)該改進(jìn)算法外，還應(yīng)該促進(jìn)靈敏度的提高，這也是尺寸優(yōu)化的重點(diǎn)。構(gòu)建優(yōu)化模型，運(yùn)用輕量化技術(shù)取得良好的優(yōu)化結(jié)果。其次，應(yīng)該進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的形狀優(yōu)化。對(duì)數(shù)控機(jī)床邊界控制點(diǎn)信息進(jìn)行全面獲取，以此為設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化數(shù)控機(jī)床的形狀，真正滿足輕量化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)要求。較大的優(yōu)化變化量，也使得光滑度連續(xù)性受到影響，這是在設(shè)計(jì)中應(yīng)該重點(diǎn)考量的問題。邊界單元法的運(yùn)用，可以對(duì)上述問題加以處理，同時(shí)，借助相對(duì)應(yīng)力優(yōu)化法和拓?fù)鋬?yōu)化云圖等，也能夠?qū)ζ溥吔缧螤詈挽o態(tài)特性予以改善。最后，還應(yīng)該進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的拓?fù)鋬?yōu)化。數(shù)控機(jī)床的布局、材料和節(jié)點(diǎn)等，是拓?fù)鋬?yōu)化的主要內(nèi)容，能夠與尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化形成互補(bǔ)，使數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)更加合理。其重點(diǎn)在結(jié)構(gòu)空間連接方式的改善上，與前兩者相比難度也較大。在確定結(jié)構(gòu)最優(yōu)配置時(shí)，需要對(duì)約束條件、荷載等進(jìn)行綜合分析，包括了連續(xù)體變量拓?fù)鋬?yōu)化和離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化兩種形式。

2.2 新型輕質(zhì)材料

除了應(yīng)該在設(shè)計(jì)中關(guān)注數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)該從材料上予以優(yōu)化，達(dá)到輕量化的目的，同時(shí)，確保其具有良好的強(qiáng)度和剛度。通過混合輕質(zhì)材料的應(yīng)用，能夠?qū)?shù)控機(jī)床的零部件加以優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)問題的處理，優(yōu)化數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行。碳纖維夾層應(yīng)用于導(dǎo)軌材料中，能夠大大降低其自身重量，有助于提升數(shù)控機(jī)床阻尼。陶瓷和硅酸鹽等共同組成中空球形復(fù)合材料，保障良好的靜態(tài)特性，同時(shí)，其自重得到控制，避免重量過大給生產(chǎn)加工造成的不便。在數(shù)控機(jī)床中也可以運(yùn)用泡沫金屬材料，從而進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。為了能夠分析復(fù)合材料在數(shù)控機(jī)床輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果，可以進(jìn)行有限元仿真和振動(dòng)試驗(yàn)，有助于阻尼系數(shù)和結(jié)構(gòu)剛度的優(yōu)化，控制數(shù)控機(jī)床的能耗。此外，采用泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)高速移動(dòng)工作臺(tái)，也能夠提高固有頻率、降低諧振響應(yīng)幅值。在我國的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)及生產(chǎn)中，為了能夠達(dá)到綠色化理念的標(biāo)準(zhǔn)，多采用HSC輕質(zhì)材料、泡沫金屬復(fù)合材料和蜂窩材料等，具有較小的密度，能夠起到良好的隔熱和隔音作用，有助于改善靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于數(shù)控機(jī)床承重件的輕量化設(shè)計(jì)，也是降低其重量的關(guān)鍵點(diǎn)，可以運(yùn)用樹脂混凝土和花崗巖等替代，防止對(duì)其剛度造成影響。在零部件設(shè)計(jì)中，碳纖維也得到廣泛應(yīng)用，具有較小的密度和較大的強(qiáng)度，耐腐蝕性能也較好，有助于延長(zhǎng)使用壽命。

2.3 多學(xué)科綜合優(yōu)化

數(shù)控機(jī)床的功能趨于復(fù)雜化，單一學(xué)科的優(yōu)化設(shè)計(jì)無法滿足其功能需求，因此，應(yīng)該采用多學(xué)科綜合優(yōu)化技術(shù)，增進(jìn)各個(gè)學(xué)科之間的密切聯(lián)系，形成強(qiáng)大的耦合作用，達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)目標(biāo)，增強(qiáng)數(shù)控機(jī)床的綜合性能。MDO方法是在多學(xué)科綜合優(yōu)化中的常用措施，通過協(xié)同機(jī)制的構(gòu)建，使數(shù)控機(jī)床的各個(gè)功能保持有效協(xié)調(diào)。子空間優(yōu)化方法能夠?qū)鈩?dòng)模塊和運(yùn)輸機(jī)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并行子空間優(yōu)化在機(jī)械構(gòu)件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果較好。運(yùn)載器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以借助協(xié)同優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)。部分學(xué)者提出了多目標(biāo)遺傳算法和響應(yīng)面模型的方式，能夠?qū)Ξ?dāng)前數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)。數(shù)控機(jī)床的綜合性能往往會(huì)受到結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)性能、成本等因素的影響，因此，在運(yùn)用多學(xué)科綜合優(yōu)化方法時(shí)應(yīng)該對(duì)上述因素進(jìn)行全面考量，降低耦合作用的負(fù)面影響，使模型更具可靠性。在設(shè)計(jì)中去掉多余的零件，通過控制傳動(dòng)系統(tǒng)的尺寸鏈數(shù)量，防止出現(xiàn)較大的能耗，同時(shí)，有助于精度的提高。此外，也應(yīng)該明確能量轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)和零件的連接關(guān)系，對(duì)材料的加工精度和形式等予以深入分析，以提高設(shè)計(jì)方案的可行性與科學(xué)性。運(yùn)用多學(xué)科綜合優(yōu)化技術(shù)，也能夠有效控制數(shù)控機(jī)床的振動(dòng)，符合現(xiàn)代化發(fā)展的趨勢(shì)。

3 結(jié)語

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、新材料設(shè)計(jì)技術(shù)和多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，可以對(duì)數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行不斷改進(jìn)，達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)要求，以減輕數(shù)控機(jī)床的重量，同時(shí)，使其剛度和強(qiáng)度得到保障，增強(qiáng)運(yùn)行性能。隨著新技術(shù)、新材料的不斷出現(xiàn)，數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)也更加可靠，應(yīng)該充分發(fā)揮輕量化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在降低成本的同時(shí)，控制生產(chǎn)的能耗，為社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。