斜床身車床的導軌尺寸和床身結構優化設計

陳忠良 張連富

摘 要 機床作為工業體系的有機載體，是提升生產加工能力的重要設備。隨著我國工業形態的深刻變化，對機床的性能提出了更高的使用需求。基于此，本文以斜床身車床作為研究對象，從導軌尺寸計算、床身結構優化等角度出發，有針對性地完成斜床身車床的升級，逐步實現其內部結構的輕量化，為后續機床研發創新等活動的開展提供參考借鑒。

關鍵詞 斜床身車床 導軌尺寸 床身結構

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）01-0004-03

斜床身車床在使用過程中，對于零件加工的精準度、復雜度有著嚴格的要求。基于這種功能定位，現階段車床往往采取多軸聯動的方式，以確保零件加工任務的順利完成[1]。多軸聯動結構方案的使用，固然可以提升機床的實用屬性，但是造成了機床剛度以及調節能力的下降，無形中影響了斜床身車床的使用壽命，增加了故障發生的幾率。為兼顧斜床身車床加工能力與耐久度，筆者認為有必要針對性地開展結構優化設計等系列工作，從而實現斜床身車床加工能力的有效提升。

1 斜床身車床導軌尺寸和床身結構優化設計的基本思路

考慮到斜床身車床導軌尺寸、床身結構涉及多項參數指標，在優化設計環節，技術人員應當率先明確相關優化設計思路，以思路的轉變作為切入點，持續構建起完善的斜床身車床導軌尺寸和床身結構優化設計框架，為后續相關工作的開展奠定堅實基礎。

斜床身車床的零件加工能力與機床結合面、支承件之間有著密切的聯系，從以往經驗來看，斜床身車床整機性能的60%到80%受到結合面與支承件的影響。基于這種情況，工作人員在開展斜床身車床優化設計的過程中，將結合面以及支承件作為核心要點進行深度研究，旨在通過導軌尺寸的調控、床身結構優化等舉措，推動斜床身車床的智能化、輕量化以及精準化。從二十世紀九十年代以來，國內外相關研究團隊進行了相關領域的技術深耕，取得了一定的成就，斜床身車床導軌尺寸、床身結構更為合理[2]。為了更好地提升斜床身車床導軌尺寸、床身結構優化設計工作效能，工作人員應當確立起相關的設計思路，在結構優化理論等設計理論的驅動下，有目的地完成結構優化等相關工作。具體來看，結構優化理論依托數學規劃的方式，通過構建斜床身靈敏度構造近似模型，在小步長迭代的框架下，形成最優化的設計方案。基于多種因素的全面考量，工作人員在整個斜床身車床的床身結構優化設計環節中，為確保優化設計的有效性、科學性，需要充分遵循確定的設計目標，在設計目標的引導下，有序開展床身筋板布局優化、結構輕質化的設計思路，通過上述要點的引導規范，使得車床床身結構的實用性、耐久性得到持續提升。具體來看，設計目標的確定環節，工作人員應當以科學性原則、實用性原則為框架，將床身結構的最大靜態剛度作為優化調整的目標，將剛度性能的改善作為整體設計優化工作的出發點與落腳點，推動車床床身內部結構布局的最優化。筋板作為床身結構的重要構成，在確定床身結構優化設計目標后，工作人員可以利用計算機模擬、數學模型等多種輔助手段，開展系列優化試驗，借助優化試驗，對機床內部的筋板布局做出合理設置，實現支撐能力的全面提升。以斜床身車床導軌尺寸設計為例，工作人員在設計環節，利用設計軟件在較短的時間內，完成車軌尺寸的拓撲優化，在此基礎上，針對性地開展形狀優化以及尺寸優化等系列工作。結構優化理論作為目前成熟的斜床身車床導軌尺寸、床身結構優化理論，其可操作性強、設計效果符合預期，成為主流的斜床身車床設計優化基本思路。

2 斜床身車床導軌尺寸設計方案

斜床身車床導軌尺寸設計優化環節，工作人員需要整合現有技術資源，充分借鑒以往的理論經驗，著眼于斜床身車床的結構特點，有針對性地完成斜床身車床導軌尺寸設計工作，穩步提升車床導軌的運行

效果。

斜床身車床區別于其他車床，其車床主體與床身結構之間呈45°的夾角，運行過程中利用兩軸聯動、半閉環控制系統來完成各類加工任務。這種結構布局，對于車床工作范圍、導軌尺寸提出了更為嚴格的要求，斜床身車床運行過程中，導軌的運動幅度更大，受到更大的外部荷載，進而增加了斜床身車床故障發生率，影響生產加工活動的連續性。為應對這種情況，工作人員可以對導軌的尺寸做出靈活優化，在實際操作中工作人員利用測量設備，對斜床身機床的整體長度、Z向行程以及最大切削長度進行測算，以獲取導軌最大接觸長度。最大接觸長度確定后，工作人員還需要綜合考量斜床身機床床鞍的寬度限度，從而判定導軌最小接觸長度，初步確定導軌的基礎尺寸[3]。為了保證導軌尺寸設計的精確度，工作人員還需借助導軌模型簡化等方式，對導軌空間布局以及載荷開展計算。具體操作環節中，需要精準把握斜床身床身、滑板、床鞍、尾座等區域的載荷分布情況，以此為基礎，實現導軌尺寸的精準計算。例如床身載荷主要分布在主軸箱、床鞍、尾座的連接區域;滑板與床鞍載荷主要分布在刀塔連接位置、滑板-床鞍導軌連接區域;主軸箱與尾座載荷主要分布在二者套筒分布區域。考慮到斜床身車床導軌的耐久性，工作人員可以使用功率求解法，采取極限計算的方式，確定上述相關區域的載荷承載能力。具體計算公式為：Fc=1000Pc/v=1000Peη/v，其中Fp=0.45·Fc，Ff=0.35Fc。Fc表示斜床身車床導軌承受的主切削力;Fp表示斜床身車床導軌承受的背向力;Ff表示斜床身車床導軌承受的進給切削力。同時Pe、Pc分別表示斜床身車床主軸電機功率、切削功率等指標。以數學模型計算作為基礎，可以實現對導軌承受載荷的精準評估，為后續導軌尺寸布局等活動的有序開展提供方向性引導。依托上述數據計算工作，工作人員劃定導軌尺寸計算的框架，排除了其他因素的干擾。在實際設計環節中，采取矩形導軌系統尺寸優化的方式，將導軌接觸長度、導軌載荷分布等相關性能參數，納入到數學模型之中，通過對數學表達式中相關參數對應關系的尺寸特征進行明確，進而達成軌道尺寸設計的目標。現階段，在不改變斜床身車床導軌其他結構模塊的前提下，通過改善導軌的接觸長度、導軌分布方案，可以保持導軌的剛度，在實現導軌運行軌跡最優化的同時，促進了導軌的輕量化。

3 斜床身車床床身結構優化策略

斜床身車床床身結構優化過程中，工作人員應當以科學性原則、實用性原則為框架，結合床身結構使用需求，采取針對性的方法舉措，有序推進床身結構優化工作的開展，定向強化斜床身車床床身結構的承載力。

斜床身車床床身作為車床的核心組成部分，對于斜床身車床加工精密度、加工可操性有深遠影響。基于這種內在聯系，在整個機床產業的發展過程中，技術人員要著眼于斜床身車床升級改造環節，將床身結構優化作為重點，利用經驗設計、試驗設計以及計算機輔助設計等方式，開展機床床身結構的定向優化。斜床身車床床身結構優化環節中，工作人員需要構建起完備的設計優化方案，按照明確設計指標、建立物理模型、理順概念設計、構建設計方案、性能分析的設計程序，推動斜床身車床床身結構優化工作的有序開展，實現床身結構性能的有效改善。在床身設計指標確定過程中，工作人員應當確立起正確的床身結構優化要求，合理判定機床精度，避免機床精度過高或者過低的情況發生。

在這一思路的指導下，以靜剛度、輕量化作為主要設計指標，引導床身結構優化工作的有序開展。結構優化設計指標確認后，工作人員將結構優化理論作為引導，進行床身拓撲結構優化工作。優化環節中仍舊需要建立數學模型，利用專業軟件將數學模型中獲取到的數據進行組合，形成幾何模型，工作人員通過對幾何模型進行結構分析、構成優化等工作，以推動床身結構優化工作的有序開展，逐步消除過往斜床身車床結構優化盲區，針對性地提升床身結構的靜剛度，強化床身的承載能力。

斜床身車床設計方案涵蓋多項不同的內容，為確保相關工作的有序開展，降低工作誤區，整合車床設計的主要資源，設計人員應當堅持做好設計圖紙的優化，以設計圖紙作為平臺，實現設計參數的靈活化、科學化調整，推動設計工作的有序開展。斜床身車床設計圖紙可以最為直接的反映出整體結構布局，將設計目的以最為直觀的方式呈現出來。斜床身車床設計圖紙作為斜床身車床設計的主要依據，以規范土木斜床身車床設計活動的順利開展，避免額外因素對于斜床身車床設計活動的影響，實現斜床身車床設計進度、斜床身車床設計進度的管控。基于此，斜床身車床設計人員必須做好設計圖紙的優化、調整。

一方面，要嚴格按照有關的規范和要求進行圖紙設計，不能為了降低圖紙設計工作量或者是一時的方便，簡化斜床身車床設計圖紙中的部分重要信息標注，甚至是直接省略信息標準，這樣不僅不利于技術人員正確理解設計圖紙，而且還有可能對某些加工工序和操作產生誤導，進而對斜床身車床整體的加工改造進度和加工改造質量產生不良影響。斜床身車床設計圖紙需要開展細節處理，實現圖紙的科學性、高效性。斜床身車床設計隊伍的能力和素質會對結構設計的科學性、合理性產生直接的影響，因此必須要加強斜床身車床設計隊伍建設工作。

另一方面，要注重引進經驗豐富、能力強的設計人員，同時還要加強對斜床身車床設計人員的培訓教育力度，注重職業道德素養的提升，逐步提升設計人員的責任感，對于斜床身車床設計活動的推進有著極大的裨益。積極推進斜床身車床建筑設計的信息化，充分利用設計軟件，消除人為因素對于斜床身車床設計活動的影響。設計人員要深入到斜床身車床設計建設的一線去了解斜床身車床設計現場的實際情況，并結合地質勘查的有關結果，在相關設計工作經驗的基礎上，對斜床身車床建筑有關構件的承載力進行合理的計算，對幾種構件的屬性進行充分的比對，然后確定最優化的建筑構件。由于斜床身車床在實際應用過程中不僅要受到豎向荷載的影響，而且還需要承受相應的外力作用，因此在進行斜床身車床設計時，應當對這些影響要素進行綜合考慮，綜合分析后確定斜床身車床結構的布置方案、選型方法，從而確保斜床身車床的安全性達到相關要求。

為實現設計方案的精準呈現，設計團隊逐步轉變觀念，將虛擬仿真技術納入到設計之中，借助VR、人工智能技術等虛擬仿真手段，將設計方案的效果以更為直觀的方式呈現出來，充分展現基礎參數，有效消除了設計方式的局限性。VR技術作為虛擬仿真技術的重要組成部分，其在斜床身車床設計中的應用，要求設計人員從實踐角度出發，結合VR技術的特點，綜合考量斜床身車床設計的各類需求，將其作為設計工具、設計檢測工具，促進斜床身車床設計領域虛擬仿真模式的形成。

具體來看，設計人員利用計算技術，將設計對象的基礎參數進行錄入，在相關軟件程序的支持下，完成對設計對象的數字化處理。在此基礎上，利用VR技術，將計算機內存儲的設計對象的數字資源，以具象化的方式表現出來，打造出了三維設計空間。設計人員通過VR技術，對三維模型進行針對性地調整，展現不同的設計方案，以達到實際的使用需求[4]，根據車床對象所處的環境以及使用場景，反復調整設計方案，對斜床身車床導軌尺寸、床身結構進行合理化調整，確保了斜床身車床設計方案的最優化。設計軟件可以將斜床身車床設計中涉及到的各類數據進行二維呈現，這種呈現盡管存在數據調取以及應用困難的情況，但是數據的精準度較高，數據分析與應用更為合理，從數據準確性的方面，符合虛擬仿真技術對于基礎數據的使用需求，減少了數據誤差對于整個技術應用效果的影響。在設計軟件應用環節，設計人員仍舊按照以往的操作方式進行處理，但需要著重注意數據錄入、評估以及匯總的方式，避免上述環節出現差錯，影響最終的技術應用。人工智能技術在斜床身車床設計的應用環節中，可以充分利用其學習能力，來實現設計方案的自我優化，設計人員在完成斜床身車床設計的初稿后，利用人工智能技術，對設計方案的整體風格、細節等開展評估，通過設計方案的自查，有針對性地進行斜床身車床設計方案的調整優化，提升設計方案與使用場景的趨同性。

4 結語

導軌尺寸設計以及床身結構優化，對于斜床身車床使用性能的提升有著極大的裨益，是改善車床生產加工能力的核心舉措。本文從實際出發，在梳理斜床身車床導軌尺寸與床身結構優化設計思路的前提下，采取多元化的策略防范，穩步進行導軌尺寸設計、床身結構優化等系列工作，通過導軌、床身結構的強化，持續滿足現階段斜床身機床使用需求。

參考文獻：

[1] 梅雪峰，高瑞芳.機床床身結構優化設計方法研究[J].現代制造技術與裝備，2019（04）：141-142.

[2] 李典倫，黃華，鄧文強.數控機床液體靜壓導軌結構的優化設計[J].工程設計學報，2020（07）：132-133.

[3] 楊志賢，洪后緊，顧寄南.重型車床床身性能分析及多目標參數優化[J].機械設計與制造，2020（08）：47.

[4] 同[3].