陳忠良 張連富

（沈陽機床（集團）有限責任公司，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度、復雜度有著嚴格的要求。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，筆者認為有必要針對性地開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計等系列工作，從而實現(xiàn)斜床身車床加工能力的有效提升。

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

考慮到斜床身車床導軌尺寸、床身結(jié)構(gòu)涉及多項參數(shù)指標，在優(yōu)化設計環(huán)節(jié)，技術人員應當率先明確相關優(yōu)化設計思路，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軌尺寸和床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計框架，為后續(xù)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(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?；谶@種情況，工作人員在開展斜床身車床優(yōu)化設計的過程中，將結(jié)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(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、輕量化以及精準化。從二十世紀九十年代以來，國內(nèi)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(jié)構(gòu)更為合理[2]。為了更好地提升斜床身車床導軌尺寸、床身結(jié)構(gòu)優(yōu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化理論等設計理論的驅(qū)動下，有目的地完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化等相關工作。具體來看，結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論依托數(shù)學規(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)化的設計方案?；诙喾N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)化設計環(huán)節(jié)中，為確保優(yōu)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(yōu)化、結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化的設計思路，通過上述要點的引導規(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，設計目標的確定環(huán)節(jié)，工作人員應當以科學性原則、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，將剛度性能的改善作為整體設計優(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)化設計目標后，工作人員可以利用計算機模擬、數(shù)學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置，實現(xiàn)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(huán)節(jié)，利用設計軟件在較短的時間內(nèi)，完成車軌尺寸的拓撲優(yōu)化，在此基礎上，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軌尺寸、床身結(jié)構(gòu)優(yōu)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(yōu)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(yōu)化環(huán)節(jié)，工作人員需要整合現(xiàn)有技術資源，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軌尺寸設計工作，穩(wěn)步提升車床導軌的運行效果。

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。這種結(jié)構(gòu)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(fā)生率，影響生產(chǎn)加工活動的連續(xù)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(yōu)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(huán)節(jié)中，需要精準把握斜床身床身、滑板、床鞍、尾座等區(qū)域的載荷分布情況，以此為基礎，實現(xiàn)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(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(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(shù)學模型計算作為基礎，可以實現(xiàn)對導軌承受載荷的精準評估，為后續(xù)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(shù)據(jù)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(huán)節(jié)中，采取矩形導軌系統(tǒng)尺寸優(yōu)化的方式，將導軌接觸長度、導軌載荷分布等相關性能參數(shù)，納入到數(shù)學模型之中，通過對數(shù)學表達式中相關參數(shù)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?，F(xiàn)階段，在不改變斜床身車床導軌其他結(jié)構(gòu)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(xiàn)導軌運行軌跡最優(yōu)化的同時，促進了導軌的輕量化。

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，工作人員應當以科學性原則、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)驗設計、試驗設計以及計算機輔助設計等方式，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)建起完備的設計優(yōu)化方案，按照明確設計指標、建立物理模型、理順概念設計、構(gòu)建設計方案、性能分析的設計程序，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。在床身設計指標確定過程中，工作人員應當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。

在這一思路的指導下，以靜剛度、輕量化作為主要設計指標，引導床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作的有序開展。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計指標確認后，工作人員將結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論作為引導，進行床身拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作。優(yōu)化環(huán)節(jié)中仍舊需要建立數(shù)學模型，利用專業(yè)軟件將數(shù)學模型中獲取到的數(shù)據(jù)進行組合，形成幾何模型，工作人員通過對幾何模型進行結(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。

斜床身車床設計方案涵蓋多項不同的內(nèi)容，為確保相關工作的有序開展，降低工作誤區(qū)，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(yōu)化，以設計圖紙作為平臺，實現(xiàn)設計參數(shù)的靈活化、科學化調(diào)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(jié)構(gòu)布局，將設計目的以最為直觀的方式呈現(xiàn)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(jù)，以規(guī)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(xiàn)斜床身車床設計進度、斜床身車床設計進度的管控?；诖?，斜床身車床設計人員必須做好設計圖紙的優(yōu)化、調(diào)整。

一方面，要嚴格按照有關的規(guī)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(chǎn)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(zhì)量產(chǎn)生不良影響。斜床身車床設計圖紙需要開展細節(jié)處理，實現(xiàn)圖紙的科學性、高效性。斜床身車床設計隊伍的能力和素質(zhì)會對結(jié)構(gòu)設計的科學性、合理性產(chǎn)生直接的影響，因此必須要加強斜床身車床設計隊伍建設工作。

另一方面，要注重引進經(jīng)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(yè)道德素養(yǎng)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(xiàn)場的實際情況，并結(jié)合地質(zhì)勘查的有關結(jié)果，在相關設計工作經(jīng)驗的基礎上，對斜床身車床建筑有關構(gòu)件的承載力進行合理的計算，對幾種構(gòu)件的屬性進行充分的比對，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(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到相關要求。

為實現(xiàn)設計方案的精準呈現(xiàn)，設計團隊逐步轉(zhuǎn)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(xiàn)出來，充分展現(xiàn)基礎參數(shù)，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(fā)，結(jié)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(shù)進行錄入，在相關軟件程序的支持下，完成對設計對象的數(shù)字化處理。在此基礎上，利用VR 技術，將計算機內(nèi)存儲的設計對象的數(shù)字資源，以具象化的方式表現(xiàn)出來，打造出了三維設計空間。設計人員通過VR 技術，對三維模型進行針對性地調(diào)整，展現(xiàn)不同的設計方案，以達到實際的使用需求[4]，根據(jù)車床對象所處的環(huán)境以及使用場景，反復調(diào)整設計方案，對斜床身車床導軌尺寸、床身結(jié)構(gòu)進行合理化調(diào)整，確保了斜床身車床設計方案的最優(yōu)化。設計軟件可以將斜床身車床設計中涉及到的各類數(shù)據(jù)進行二維呈現(xiàn)，這種呈現(xiàn)盡管存在數(shù)據(jù)調(diào)取以及應用困難的情況，但是數(shù)據(jù)的精準度較高，數(shù)據(jù)分析與應用更為合理，從數(shù)據(jù)準確性的方面，符合虛擬仿真技術對于基礎數(shù)據(jù)的使用需求，減少了數(shù)據(jù)誤差對于整個技術應用效果的影響。在設計軟件應用環(huán)節(jié)，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(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，影響最終的技術應用。人工智能技術在斜床身車床設計的應用環(huán)節(jié)中，可以充分利用其學習能力，來實現(xiàn)設計方案的自我優(yōu)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(jié)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(diào)整優(yōu)化，提升設計方案與使用場景的趨同性。

4 結(jié)語

導軌尺寸設計以及床身結(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軌尺寸與床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計思路的前提下，采取多元化的策略防范，穩(wěn)步進行導軌尺寸設計、床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化等系列工作，通過導軌、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。