機(jī)床設(shè)計(jì)中輕量化技術(shù)的應(yīng)用策略分析

趙金宇

（沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110142）

0 引言

該文結(jié)合數(shù)控機(jī)床自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能特點(diǎn)，介紹了輕量化數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的3種有效途徑，即數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、新型輕質(zhì)材料在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用以及多學(xué)科綜合優(yōu)化技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用設(shè)計(jì)，并以此為基礎(chǔ)，重整結(jié)構(gòu)化的優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容。在一定的約束條件下，按照實(shí)際的需求完成數(shù)控機(jī)床的功能化設(shè)計(jì)內(nèi)容，并最終選取最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案，滿足輕量化的需求。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)數(shù)控機(jī)床的輕量化設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)數(shù)控了大量的研究，并取得了一定的研究成果，韓國(guó)學(xué)者Kim開(kāi)發(fā)了1種“三明治”復(fù)合材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足了復(fù)合型結(jié)構(gòu)中的多個(gè)參數(shù)，進(jìn)而提升了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和實(shí)際性能，實(shí)現(xiàn)了輕量化的設(shè)計(jì)。德國(guó)學(xué)者Weule等通過(guò)虛擬仿真技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和對(duì)比，反復(fù)對(duì)照模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的輕量化設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)學(xué)者中，華南理工大學(xué)的姜衡應(yīng)用有限元仿真的模式，對(duì)數(shù)控機(jī)床在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2種狀態(tài)時(shí)的數(shù)值進(jìn)行模擬分析，并且利用數(shù)據(jù)挖掘算法對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)反演，優(yōu)化了機(jī)組的性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組設(shè)計(jì)的輕量化。同時(shí)，來(lái)自大連理工大學(xué)的閆軍提出了1種基于機(jī)組的周期性優(yōu)化拓?fù)浞椒?，通過(guò)均勻化的理論將數(shù)控機(jī)床的2種問(wèn)題模型集成到一個(gè)優(yōu)化模型當(dāng)中。進(jìn)而有效地減少了迭代計(jì)算的次數(shù)，節(jié)約了性能優(yōu)化的時(shí)間，減少了工作量。目前的研究都是圍繞設(shè)計(jì)變量的模型展開(kāi)的，并且切入點(diǎn)都是采用結(jié)構(gòu)化的模型進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)構(gòu)模型可以分為尺寸優(yōu)化以及形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化3個(gè)層次。這些都是輕量化模型設(shè)計(jì)較好的方法，最大限度地節(jié)約了制造的成本。

1 輕量化技術(shù)簡(jiǎn)介

輕量化的設(shè)計(jì)主要是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上完成的，其內(nèi)容主要包括2個(gè)方面：1） 在充分考慮剛度和強(qiáng)度需求的基礎(chǔ)上，對(duì)立柱以及床身的參數(shù)進(jìn)行輕量化的設(shè)計(jì)。2） 在考慮動(dòng)態(tài)性能的參數(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化的設(shè)計(jì)[1]。機(jī)床的制造材料中采用了需要優(yōu)質(zhì)的輕質(zhì)材料進(jìn)行應(yīng)用，例如采用蜂窩式的材料以及泡沫金屬材料作為結(jié)構(gòu)的外包圍保護(hù)性材料進(jìn)行保護(hù)，在能夠最大限度地減少噪聲的同時(shí)，還保證了設(shè)備運(yùn)行中受力的穩(wěn)定性，提升了結(jié)構(gòu)件原有的性能。此外，還可以應(yīng)用碳素纖維等新型材料，來(lái)增加機(jī)床材料的使用年限，達(dá)到省工和省料的基本目標(biāo)。目前機(jī)床的輕量化技術(shù)方法主要包括參數(shù)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)性能的拓?fù)鋬?yōu)化、綜合約束條件的多方法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及仿生學(xué)優(yōu)化方法。

2 數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床是先進(jìn)機(jī)械制造的“工業(yè)母機(jī)”，為我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)做出了卓越不朽的貢獻(xiàn)。提升數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性和制造水平是先進(jìn)制造的重要內(nèi)容。雖然我國(guó)的數(shù)控機(jī)床的加工制造商有一定的潛力，但是在數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定性和加工誤差上與國(guó)外的先進(jìn)制造領(lǐng)域存在較大的差距。其主要原因是機(jī)床設(shè)計(jì)僅僅依賴于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，尤其是設(shè)計(jì)的創(chuàng)新力度不夠。為了提高機(jī)床的加工精度，只能不斷地提升機(jī)床的剛度，導(dǎo)致機(jī)床各個(gè)零部件的壁厚和體積不斷增大，進(jìn)而造成機(jī)床的質(zhì)量過(guò)大。因此，如何在保證機(jī)床的加工精度和剛度的條件下對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行“減重”，成了學(xué)術(shù)研究中最有實(shí)踐意義的話題。其中，“輕量化”技術(shù)的應(yīng)用必不可少。

輕量化的技術(shù)應(yīng)用主要集中在汽車(chē)制造領(lǐng)域當(dāng)中，例如在優(yōu)化汽車(chē)車(chē)身框架以及汽車(chē)底盤(pán)減重的過(guò)程中，應(yīng)用數(shù)控機(jī)床的情況較少[2]。所以目前輕量化技術(shù)的應(yīng)用主要包括3個(gè)主要方面：1） 優(yōu)化數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)。在保證數(shù)控機(jī)床的性能不變的前提下，最大限度地減少對(duì)于材料的使用。2） 積極采用新型的輕質(zhì)材料，在保證剛度和輕度的前提下，有效地減少數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)荷載，達(dá)到輕量化的目的。3） 通過(guò)多學(xué)科的評(píng)估和綜合優(yōu)化，積極地考慮多個(gè)學(xué)科之間的協(xié)同作用機(jī)制以及耦合作用，各個(gè)學(xué)科之間相互滲透取長(zhǎng)補(bǔ)短，進(jìn)而達(dá)到輕量化的設(shè)計(jì)目的。所以在輕量化的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，不僅要保證數(shù)控機(jī)床自身的剛度，同時(shí)還要有效地保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)真正的輕量化。

結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)主要是根據(jù)機(jī)械設(shè)備的重量，以優(yōu)化設(shè)備自身的負(fù)重為依據(jù)，找到適合機(jī)械設(shè)備的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)（如壁厚、橫截面參數(shù)以及纖維材料性能參數(shù)等），在結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上既要滿足靜態(tài)參數(shù)，同時(shí)又要滿足必要的動(dòng)態(tài)參數(shù)性能。其數(shù)學(xué)理論都是以主軸的參數(shù)為基本面域進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，其目的是在滿足一系列設(shè)計(jì)變量的約束條件下，找到最佳的設(shè)計(jì)變量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)總質(zhì)量指標(biāo)，其數(shù)學(xué)模型如公式（1）所示。

式中：矢量X為設(shè)計(jì)變量；W（x）為機(jī)床的總質(zhì)量；n為優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)；j為邊界條件的約束條件（涵蓋結(jié)構(gòu)尺寸的比例、頻率等）。

為了有效地提高數(shù)控加工技術(shù)的質(zhì)量水平，必須要緊隨世界前沿技術(shù)的腳步。尤其是在機(jī)床結(jié)構(gòu)、機(jī)床材料以及技術(shù)工藝等方面實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)領(lǐng)域的突破。并以此為基礎(chǔ)，在綠色設(shè)計(jì)和綠色制造方面實(shí)現(xiàn)更高水平的突破。充分地調(diào)動(dòng)資源，并最大限度地減少對(duì)環(huán)境的破壞和影響。數(shù)控機(jī)床的抗震性能以及質(zhì)量控制是考核機(jī)床質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)?？拐鹦阅苁峭ㄟ^(guò)機(jī)床的固有頻率、振幅以及振型來(lái)體現(xiàn)的，同時(shí)還要要求機(jī)床在反復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中不削弱交變電荷，完成運(yùn)動(dòng)部件之間的能量傳遞，優(yōu)化結(jié)構(gòu)[3]。得益于我國(guó)新材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，多孔材料能夠有效地使用在數(shù)控機(jī)床的部件當(dāng)中，其具有密度低、強(qiáng)度高、比表面積高和重量輕的特點(diǎn)。

機(jī)床本身十分復(fù)雜，其運(yùn)行過(guò)程包括多種性能，這些性能參數(shù)不是一個(gè)學(xué)科類(lèi)別就能夠完整地覆蓋，是由多個(gè)零部件拼接而成的。數(shù)控機(jī)床的功能整合多門(mén)學(xué)科的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的現(xiàn)代化和數(shù)控化。在機(jī)床的設(shè)計(jì)過(guò)程中加入新材料將會(huì)提高各個(gè)材料之間的融合效果，完成最優(yōu)化的機(jī)床設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)完成后還可以對(duì)機(jī)床的數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性檢驗(yàn)和檢查，保證關(guān)鍵參數(shù)在合理的區(qū)間范圍內(nèi)運(yùn)行。同時(shí)進(jìn)行剖面、譜系等實(shí)驗(yàn)[4]。針對(duì)加工工藝以及機(jī)床的性能指標(biāo)進(jìn)行研究。在使用輕量化的技術(shù)設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)，不僅需要根據(jù)原有的機(jī)型進(jìn)行簡(jiǎn)單的放大和縮小，還要根據(jù)實(shí)際的使用功能進(jìn)行辯證的取舍，節(jié)約機(jī)床的設(shè)計(jì)內(nèi)容和成本，使機(jī)床更加有利于保養(yǎng)，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，其性能也會(huì)得到相應(yīng)的提升。

第1種常見(jiàn)的數(shù)控機(jī)床形式為立式車(chē)床，其模型結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。立式機(jī)床通常是由床身、立柱、橫梁、箱體等大型構(gòu)件，其形狀特點(diǎn)為形狀較為復(fù)雜，但是由于采用了輕量化的設(shè)計(jì)材料，所以自重較輕。能夠靈活地在三維空間內(nèi)完成零部件的加工和處理。

圖1 立式VTC8080數(shù)控車(chē)床

除此之外，臥式加工中心也是加工處理的一項(xiàng)重要內(nèi)容。其樣板圖如圖2所示。其中，立滑板是主要的運(yùn)動(dòng)部件，其質(zhì)量和自重較輕，將整個(gè)簡(jiǎn)支梁安裝在立柱上進(jìn)行操控，因此在整個(gè)的結(jié)構(gòu)體系中，其具有良好的穩(wěn)定性。在臥式結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)輕量化的優(yōu)化目標(biāo)是以結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小為目的，約束條件是使剛度和強(qiáng)度變化，進(jìn)而滿足結(jié)構(gòu)尺寸和工藝的實(shí)際需求。在優(yōu)化參數(shù)時(shí)，需要提升剛度的靈敏度，根據(jù)實(shí)際的產(chǎn)品需求，選擇靈敏度最大的尺寸。

圖2 臥式數(shù)控機(jī)床加工結(jié)構(gòu)

3 輕量化技術(shù)的應(yīng)用策略

3.1 多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)

輕量化的耦合技術(shù)離不開(kāi)多專(zhuān)業(yè)的工作協(xié)調(diào)，這是協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行的基礎(chǔ)。例如在零部件的接口方式可以實(shí)現(xiàn)端口傳輸協(xié)議上的統(tǒng)一，其主要內(nèi)容是根據(jù)機(jī)、電、液3種主要的基本理論，通過(guò)積極引入新型材料來(lái)不斷實(shí)現(xiàn)學(xué)科之間的交融和整合。同時(shí)也可以通過(guò)積極轉(zhuǎn)變?cè)械奶匦越Y(jié)構(gòu)來(lái)升級(jí)機(jī)器的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而有效地降低運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)輕量化的運(yùn)行。同時(shí)設(shè)計(jì)人員還要根據(jù)機(jī)床的整體功能進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，以多功能和多學(xué)科的耦合為基本面，探究能量的傳遞模式以及實(shí)際的做功情況。堅(jiān)持縮短傳動(dòng)鏈，控制零件的基本數(shù)量，進(jìn)而提高傳動(dòng)的精度，有效地減少空載功率的損失，還能夠?yàn)闄C(jī)床的維修和維護(hù)帶來(lái)便利。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化控制技術(shù)

同時(shí)在結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，針對(duì)部分零部件可能存在重量大、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的特點(diǎn)進(jìn)行整改。例如一般的機(jī)床中包括箱體、橫梁以及立柱等關(guān)鍵的控制節(jié)點(diǎn)，可以通過(guò)優(yōu)化控制方案來(lái)實(shí)現(xiàn)性能的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和評(píng)估。同時(shí)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化技術(shù)在機(jī)床大零件的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程的作用也在不斷地凸顯。增強(qiáng)機(jī)床的加工性能一定要分析機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，這是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程所不能夠滿足的，必須在機(jī)床設(shè)計(jì)中提升結(jié)構(gòu)的優(yōu)化技術(shù)，提升零部件的使用效率和使用效果，提高制造業(yè)的整體實(shí)力。

3.3 新材料設(shè)計(jì)技術(shù)

與此同時(shí)，新材料的應(yīng)用也是機(jī)床輕量化創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要研究?jī)?nèi)容，在機(jī)床的設(shè)計(jì)中采用多功能的復(fù)合型號(hào)材料來(lái)保證實(shí)際的應(yīng)用效果，例如復(fù)合材料、陶瓷材料和碳素纖維等材料。與傳統(tǒng)的混凝土材料相比，樹(shù)脂混凝土與傳統(tǒng)鑄鐵零件相比具有優(yōu)良的性能參數(shù)，具有約為10倍的阻尼系數(shù)值，并且具有良好的熱穩(wěn)定性和較強(qiáng)的抗震性能。同時(shí)數(shù)控機(jī)床的輔助構(gòu)件也可以采用以下創(chuàng)新的材料，例如在減速箱以及導(dǎo)軌和立柱上引入纖維基增強(qiáng)型的復(fù)合材料以及蜂窩金屬材料等，這些材料都具有剛性程度高并且質(zhì)量輕的特點(diǎn)。

3.4 輕量化技術(shù)的策略展望

綜上所述，機(jī)床結(jié)構(gòu)是機(jī)床輕量化技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，輕量化技術(shù)研究已經(jīng)逐漸從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)走向參數(shù)化設(shè)計(jì)，到現(xiàn)在以實(shí)際應(yīng)用性能為導(dǎo)向的節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，輕量化的設(shè)計(jì)逐漸向微觀世界探索。未來(lái)對(duì)輕量化技術(shù)的研究將主要圍繞以下3個(gè)方面展開(kāi)。

3.4.1 結(jié)構(gòu)體系與輕質(zhì)材料耦合實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)

機(jī)械機(jī)床材料的輕量化與機(jī)床結(jié)構(gòu)輕量化一樣重要，2種輕量化方法的耦合能夠有效地降低材料性能的約束，在構(gòu)件中應(yīng)用各向異性的復(fù)合材料能夠突破結(jié)構(gòu)材料之間的界定范圍。

3.4.2 優(yōu)化輕量化結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)中，其設(shè)計(jì)內(nèi)容受到制造工藝的約束，不能夠增加材料的種類(lèi)，在實(shí)際的生產(chǎn)加工過(guò)程中受制于加工材料的邊界條件的限制。例如鑄造機(jī)床的零件最小筋板厚度為約束條件下，才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)體系的最優(yōu)化。隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化體系的不斷優(yōu)化，邊界條件限值將逐漸增大，隨著探索空間的不斷提升，輕量化的設(shè)計(jì)方案將不斷增多。從以往的部件優(yōu)化體系逐漸升級(jí)為整機(jī)的拓?fù)鋬?yōu)化，在設(shè)計(jì)平臺(tái)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)綜合優(yōu)化。

3.4.3 機(jī)床功能變化帶來(lái)新的輕量化結(jié)構(gòu)件和構(gòu)型需求

機(jī)床的應(yīng)用已經(jīng)逐漸從傳統(tǒng)的金屬削切式的加工機(jī)床轉(zhuǎn)向?yàn)椤叭奔庸て占?，從單一功能的機(jī)床發(fā)展成為多功能耦合機(jī)床，直至機(jī)器人技術(shù)集成的一體化機(jī)床，機(jī)床的工作空間和加工性質(zhì)發(fā)生了巨大的變化，無(wú)論是結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型還是數(shù)值計(jì)算方法，都需要依據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)和功能特性進(jìn)行處理，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真以及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的發(fā)展，逐漸完善功能的需求，其設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 多學(xué)科優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

4 結(jié)語(yǔ)

輕量化的機(jī)床設(shè)計(jì)和應(yīng)用不僅能夠大幅度提升數(shù)控機(jī)床中綠色建造的認(rèn)識(shí)，同時(shí)還能有效地提升再加工和可回收利用的產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計(jì)和研發(fā)適用于環(huán)保特征的新型機(jī)床設(shè)備，開(kāi)發(fā)出新型加工工藝和工藝設(shè)備，減少在實(shí)際加工中的能耗和廢液排放，通過(guò)輕量化的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)資源利用效率的最大化，以扎實(shí)的理論方法為基礎(chǔ)，采用有效的方法作為基本的實(shí)踐工具，促進(jìn)大型設(shè)備的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程的轉(zhuǎn)型和升級(jí)。隨著機(jī)床深加工技術(shù)的發(fā)展，為了提升機(jī)床的加工性能，需要重點(diǎn)研究機(jī)床的靜剛度和動(dòng)態(tài)性能，高精度、高表面以及高效率的發(fā)展模式已經(jīng)成了設(shè)計(jì)的主流，將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)床行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。