斜床身車床的導(dǎo)軌尺寸和床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

陳忠良 張連富

（沈陽機床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110027）

斜床身車床在使用過程中，對于零件加工的精準(zhǔn)度、復(fù)雜度有著嚴(yán)格的要求。基于這種功能定位，現(xiàn)階段車床往往采取多軸聯(lián)動的方式，以確保零件加工任務(wù)的順利完成[1]。多軸聯(lián)動結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)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(fā)生的幾率。為兼顧斜床身車床加工能力與耐久度，筆者認(rèn)為有必要針對性地開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等系列工作，從而實現(xiàn)斜床身車床加工能力的有效提升。

1 斜床身車床導(dǎo)軌尺寸和床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本思路

考慮到斜床身車床導(dǎo)軌尺寸、床身結(jié)構(gòu)涉及多項參數(shù)指標(biāo)，在優(yōu)化設(shè)計環(huán)節(jié)，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)率先明確相關(guān)優(yōu)化設(shè)計思路，以思路的轉(zhuǎn)變作為切入點，持續(xù)構(gòu)建起完善的斜床身車床導(dǎo)軌尺寸和床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計框架，為后續(xù)相關(guān)工作的開展奠定堅實基礎(chǔ)。

斜床身車床的零件加工能力與機床結(jié)合面、支承件之間有著密切的聯(lián)系，從以往經(jīng)驗來看，斜床身車床整機性能的60%到80%受到結(jié)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(yōu)化設(shè)計的過程中，將結(jié)合面以及支承件作為核心要點進(jìn)行深度研究，旨在通過導(dǎo)軌尺寸的調(diào)控、床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化等舉措，推動斜床身車床的智能化、輕量化以及精準(zhǔn)化。從二十世紀(jì)九十年代以來，國內(nèi)外相關(guān)研究團(tuán)隊進(jìn)行了相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)深耕，取得了一定的成就，斜床身車床導(dǎo)軌尺寸、床身結(jié)構(gòu)更為合理[2]。為了更好地提升斜床身車床導(dǎo)軌尺寸、床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工作效能，工作人員應(yīng)當(dāng)確立起相關(guān)的設(shè)計思路，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論等設(shè)計理論的驅(qū)動下，有目的地完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化等相關(guān)工作。具體來看，結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論依托數(shù)學(xué)規(guī)劃的方式，通過構(gòu)建斜床身靈敏度構(gòu)造近似模型，在小步長迭代的框架下，形成最優(yōu)化的設(shè)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計環(huán)節(jié)中，為確保優(yōu)化設(shè)計的有效性、科學(xué)性，需要充分遵循確定的設(shè)計目標(biāo)，在設(shè)計目標(biāo)的引導(dǎo)下，有序開展床身筋板布局優(yōu)化、結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化的設(shè)計思路，通過上述要點的引導(dǎo)規(guī)范，使得車床床身結(jié)構(gòu)的實用性、耐久性得到持續(xù)提升。具體來看，設(shè)計目標(biāo)的確定環(huán)節(jié)，工作人員應(yīng)當(dāng)以科學(xué)性原則、實用性原則為框架，將床身結(jié)構(gòu)的最大靜態(tài)剛度作為優(yōu)化調(diào)整的目標(biāo)，將剛度性能的改善作為整體設(shè)計優(yōu)化工作的出發(fā)點與落腳點，推動車床床身內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局的最優(yōu)化。筋板作為床身結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)成，在確定床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)后，工作人員可以利用計算機模擬、數(shù)學(xué)模型等多種輔助手段，開展系列優(yōu)化試驗，借助優(yōu)化試驗，對機床內(nèi)部的筋板布局做出合理設(shè)置，實現(xiàn)支撐能力的全面提升。以斜床身車床導(dǎo)軌尺寸設(shè)計為例，工作人員在設(shè)計環(huán)節(jié)，利用設(shè)計軟件在較短的時間內(nèi)，完成車軌尺寸的拓?fù)鋬?yōu)化，在此基礎(chǔ)上，針對性地開展形狀優(yōu)化以及尺寸優(yōu)化等系列工作。結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論作為目前成熟的斜床身車床導(dǎo)軌尺寸、床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論，其可操作性強、設(shè)計效果符合預(yù)期，成為主流的斜床身車床設(shè)計優(yōu)化基本思路。

2 斜床身車床導(dǎo)軌尺寸設(shè)計方案

斜床身車床導(dǎo)軌尺寸設(shè)計優(yōu)化環(huán)節(jié)，工作人員需要整合現(xiàn)有技術(shù)資源，充分借鑒以往的理論經(jīng)驗，著眼于斜床身車床的結(jié)構(gòu)特點，有針對性地完成斜床身車床導(dǎo)軌尺寸設(shè)計工作，穩(wěn)步提升車床導(dǎo)軌的運行效果。

斜床身車床區(qū)別于其他車床，其車床主體與床身結(jié)構(gòu)之間呈45°的夾角，運行過程中利用兩軸聯(lián)動、半閉環(huán)控制系統(tǒng)來完成各類加工任務(wù)。這種結(jié)構(gòu)布局，對于車床工作范圍、導(dǎo)軌尺寸提出了更為嚴(yán)格的要求，斜床身車床運行過程中，導(dǎo)軌的運動幅度更大，受到更大的外部荷載，進(jìn)而增加了斜床身車床故障發(fā)生率，影響生產(chǎn)加工活動的連續(xù)性。為應(yīng)對這種情況，工作人員可以對導(dǎo)軌的尺寸做出靈活優(yōu)化，在實際操作中工作人員利用測量設(shè)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(jìn)行測算，以獲取導(dǎo)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(dǎo)軌最小接觸長度，初步確定導(dǎo)軌的基礎(chǔ)尺寸[3]。為了保證導(dǎo)軌尺寸設(shè)計的精確度，工作人員還需借助導(dǎo)軌模型簡化等方式，對導(dǎo)軌空間布局以及載荷開展計算。具體操作環(huán)節(jié)中，需要精準(zhǔn)把握斜床身床身、滑板、床鞍、尾座等區(qū)域的載荷分布情況，以此為基礎(chǔ)，實現(xiàn)導(dǎo)軌尺寸的精準(zhǔn)計算。例如床身載荷主要分布在主軸箱、床鞍、尾座的連接區(qū)域；滑板與床鞍載荷主要分布在刀塔連接位置、滑板-床鞍導(dǎo)軌連接區(qū)域；主軸箱與尾座載荷主要分布在二者套筒分布區(qū)域。考慮到斜床身車床導(dǎo)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(guān)區(qū)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，F(xiàn)f=0.35Fc。Fc 表示斜床身車床導(dǎo)軌承受的主切削力；Fp 表示斜床身車床導(dǎo)軌承受的背向力；Ff 表示斜床身車床導(dǎo)軌承受的進(jìn)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(biāo)。以數(shù)學(xué)模型計算作為基礎(chǔ)，可以實現(xiàn)對導(dǎo)軌承受載荷的精準(zhǔn)評估，為后續(xù)導(dǎo)軌尺寸布局等活動的有序開展提供方向性引導(dǎo)。依托上述數(shù)據(jù)計算工作，工作人員劃定導(dǎo)軌尺寸計算的框架，排除了其他因素的干擾。在實際設(shè)計環(huán)節(jié)中，采取矩形導(dǎo)軌系統(tǒng)尺寸優(yōu)化的方式，將導(dǎo)軌接觸長度、導(dǎo)軌載荷分布等相關(guān)性能參數(shù)，納入到數(shù)學(xué)模型之中，通過對數(shù)學(xué)表達(dá)式中相關(guān)參數(shù)對應(yīng)關(guān)系的尺寸特征進(jìn)行明確，進(jìn)而達(dá)成軌道尺寸設(shè)計的目標(biāo)。現(xiàn)階段，在不改變斜床身車床導(dǎo)軌其他結(jié)構(gòu)模塊的前提下，通過改善導(dǎo)軌的接觸長度、導(dǎo)軌分布方案，可以保持導(dǎo)軌的剛度，在實現(xiàn)導(dǎo)軌運行軌跡最優(yōu)化的同時，促進(jìn)了導(dǎo)軌的輕量化。

3 斜床身車床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略

斜床身車床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，工作人員應(yīng)當(dāng)以科學(xué)性原則、實用性原則為框架，結(jié)合床身結(jié)構(gòu)使用需求，采取針對性的方法舉措，有序推進(jìn)床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作的開展，定向強化斜床身車床床身結(jié)構(gòu)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(yuǎn)影響。基于這種內(nèi)在聯(lián)系，在整個機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中，技術(shù)人員要著眼于斜床身車床升級改造環(huán)節(jié)，將床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化作為重點，利用經(jīng)驗設(shè)計、試驗設(shè)計以及計算機輔助設(shè)計等方式，開展機床床身結(jié)構(gòu)的定向優(yōu)化。斜床身車床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化環(huán)節(jié)中，工作人員需要構(gòu)建起完備的設(shè)計優(yōu)化方案，按照明確設(shè)計指標(biāo)、建立物理模型、理順概念設(shè)計、構(gòu)建設(shè)計方案、性能分析的設(shè)計程序，推動斜床身車床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作的有序開展，實現(xiàn)床身結(jié)構(gòu)性能的有效改善。在床身設(shè)計指標(biāo)確定過程中，工作人員應(yīng)當(dāng)確立起正確的床身結(jié)構(gòu)優(yōu)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(fā)生。

在這一思路的指導(dǎo)下，以靜剛度、輕量化作為主要設(shè)計指標(biāo)，引導(dǎo)床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作的有序開展。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計指標(biāo)確認(rèn)后，工作人員將結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論作為引導(dǎo)，進(jìn)行床身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化工作。優(yōu)化環(huán)節(jié)中仍舊需要建立數(shù)學(xué)模型，利用專業(yè)軟件將數(shù)學(xué)模型中獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，形成幾何模型，工作人員通過對幾何模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、構(gòu)成優(yōu)化等工作，以推動床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作的有序開展，逐步消除過往斜床身車床結(jié)構(gòu)優(yōu)化盲區(qū)，針對性地提升床身結(jié)構(gòu)的靜剛度，強化床身的承載能力。

斜床身車床設(shè)計方案涵蓋多項不同的內(nèi)容，為確保相關(guān)工作的有序開展，降低工作誤區(qū)，整合車床設(shè)計的主要資源，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)堅持做好設(shè)計圖紙的優(yōu)化，以設(shè)計圖紙作為平臺，實現(xiàn)設(shè)計參數(shù)的靈活化、科學(xué)化調(diào)整，推動設(shè)計工作的有序開展。斜床身車床設(shè)計圖紙可以最為直接的反映出整體結(jié)構(gòu)布局，將設(shè)計目的以最為直觀的方式呈現(xiàn)出來。斜床身車床設(shè)計圖紙作為斜床身車床設(shè)計的主要依據(jù)，以規(guī)范土木斜床身車床設(shè)計活動的順利開展，避免額外因素對于斜床身車床設(shè)計活動的影響，實現(xiàn)斜床身車床設(shè)計進(jìn)度、斜床身車床設(shè)計進(jìn)度的管控。基于此，斜床身車床設(shè)計人員必須做好設(shè)計圖紙的優(yōu)化、調(diào)整。

一方面，要嚴(yán)格按照有關(guān)的規(guī)范和要求進(jìn)行圖紙設(shè)計，不能為了降低圖紙設(shè)計工作量或者是一時的方便，簡化斜床身車床設(shè)計圖紙中的部分重要信息標(biāo)注，甚至是直接省略信息標(biāo)準(zhǔn)，這樣不僅不利于技術(shù)人員正確理解設(shè)計圖紙，而且還有可能對某些加工工序和操作產(chǎn)生誤導(dǎo)，進(jìn)而對斜床身車床整體的加工改造進(jìn)度和加工改造質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。斜床身車床設(shè)計圖紙需要開展細(xì)節(jié)處理，實現(xiàn)圖紙的科學(xué)性、高效性。斜床身車床設(shè)計隊伍的能力和素質(zhì)會對結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性、合理性產(chǎn)生直接的影響，因此必須要加強斜床身車床設(shè)計隊伍建設(shè)工作。

另一方面，要注重引進(jìn)經(jīng)驗豐富、能力強的設(shè)計人員，同時還要加強對斜床身車床設(shè)計人員的培訓(xùn)教育力度，注重職業(yè)道德素養(yǎng)的提升，逐步提升設(shè)計人員的責(zé)任感，對于斜床身車床設(shè)計活動的推進(jìn)有著極大的裨益。積極推進(jìn)斜床身車床建筑設(shè)計的信息化，充分利用設(shè)計軟件，消除人為因素對于斜床身車床設(shè)計活動的影響。設(shè)計人員要深入到斜床身車床設(shè)計建設(shè)的一線去了解斜床身車床設(shè)計現(xiàn)場的實際情況，并結(jié)合地質(zhì)勘查的有關(guān)結(jié)果，在相關(guān)設(shè)計工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對斜床身車床建筑有關(guān)構(gòu)件的承載力進(jìn)行合理的計算，對幾種構(gòu)件的屬性進(jìn)行充分的比對，然后確定最優(yōu)化的建筑構(gòu)件。由于斜床身車床在實際應(yīng)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(yīng)的外力作用，因此在進(jìn)行斜床身車床設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)對這些影響要素進(jìn)行綜合考慮，綜合分析后確定斜床身車床結(jié)構(gòu)的布置方案、選型方法，從而確保斜床身車床的安全性達(dá)到相關(guān)要求。

為實現(xiàn)設(shè)計方案的精準(zhǔn)呈現(xiàn)，設(shè)計團(tuán)隊逐步轉(zhuǎn)變觀念，將虛擬仿真技術(shù)納入到設(shè)計之中，借助VR、人工智能技術(shù)等虛擬仿真手段，將設(shè)計方案的效果以更為直觀的方式呈現(xiàn)出來，充分展現(xiàn)基礎(chǔ)參數(shù)，有效消除了設(shè)計方式的局限性。VR 技術(shù)作為虛擬仿真技術(shù)的重要組成部分，其在斜床身車床設(shè)計中的應(yīng)用，要求設(shè)計人員從實踐角度出發(fā)，結(jié)合VR 技術(shù)的特點，綜合考量斜床身車床設(shè)計的各類需求，將其作為設(shè)計工具、設(shè)計檢測工具，促進(jìn)斜床身車床設(shè)計領(lǐng)域虛擬仿真模式的形成。

具體來看，設(shè)計人員利用計算技術(shù)，將設(shè)計對象的基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行錄入，在相關(guān)軟件程序的支持下，完成對設(shè)計對象的數(shù)字化處理。在此基礎(chǔ)上，利用VR 技術(shù)，將計算機內(nèi)存儲的設(shè)計對象的數(shù)字資源，以具象化的方式表現(xiàn)出來，打造出了三維設(shè)計空間。設(shè)計人員通過VR 技術(shù)，對三維模型進(jìn)行針對性地調(diào)整，展現(xiàn)不同的設(shè)計方案，以達(dá)到實際的使用需求[4]，根據(jù)車床對象所處的環(huán)境以及使用場景，反復(fù)調(diào)整設(shè)計方案，對斜床身車床導(dǎo)軌尺寸、床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理化調(diào)整，確保了斜床身車床設(shè)計方案的最優(yōu)化。設(shè)計軟件可以將斜床身車床設(shè)計中涉及到的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行二維呈現(xiàn)，這種呈現(xiàn)盡管存在數(shù)據(jù)調(diào)取以及應(yīng)用困難的情況，但是數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度較高，數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用更為合理，從數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的方面，符合虛擬仿真技術(shù)對于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的使用需求，減少了數(shù)據(jù)誤差對于整個技術(shù)應(yīng)用效果的影響。在設(shè)計軟件應(yīng)用環(huán)節(jié)，設(shè)計人員仍舊按照以往的操作方式進(jìn)行處理，但需要著重注意數(shù)據(jù)錄入、評估以及匯總的方式，避免上述環(huán)節(jié)出現(xiàn)差錯，影響最終的技術(shù)應(yīng)用。人工智能技術(shù)在斜床身車床設(shè)計的應(yīng)用環(huán)節(jié)中，可以充分利用其學(xué)習(xí)能力，來實現(xiàn)設(shè)計方案的自我優(yōu)化，設(shè)計人員在完成斜床身車床設(shè)計的初稿后，利用人工智能技術(shù)，對設(shè)計方案的整體風(fēng)格、細(xì)節(jié)等開展評估，通過設(shè)計方案的自查，有針對性地進(jìn)行斜床身車床設(shè)計方案的調(diào)整優(yōu)化，提升設(shè)計方案與使用場景的趨同性。

4 結(jié)語

導(dǎo)軌尺寸設(shè)計以及床身結(jié)構(gòu)優(yōu)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(chǎn)加工能力的核心舉措。本文從實際出發(fā)，在梳理斜床身車床導(dǎo)軌尺寸與床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計思路的前提下，采取多元化的策略防范，穩(wěn)步進(jìn)行導(dǎo)軌尺寸設(shè)計、床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化等系列工作，通過導(dǎo)軌、床身結(jié)構(gòu)的強化，持續(xù)滿足現(xiàn)階段斜床身機床使用需求。