船用复合机床的环境适用性设计分析.pdf

2 0 1 3年 5月 第 4 1卷 第9期 机床与液压 MACHI NE TOOL＆ HYDRAUL I CS Ma v 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 9 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 9 ． 0 4 6 船用复合机床的环境适用性设计分析 孙椰 望 ，张 甲英 ，徐 滨士 ，张之敬 ，董世运 1 ．北京理 工大学机械与车辆 学院，北京 1 0 0 0 8 1 ； 2 ．装甲兵工程学院再制造技术重点实验 室，北京 1 0 0 0 7 2 摘要针对船舶在海洋行驶中的特殊环境，提出了船用复合机床应该根据船用机床的技术要求以及海洋环境的影响进 行适用性设计的思路。为了实现船用复合机床优异的适用性能， 在分析近年来复合机床总体发展趋势的基础上，详细阐述 了船用复合机床的设计应该包含机床的紧凑性与轻量化设计、耐腐蚀性设计、系统可靠性设计、功能柔性化设计以及抗振 性设计。基于船用复合机床适用性设计思路的分析，深入探讨了高效、高质和绿色船用复合机床的环境适用性设计方案。 关键词 船用机床 ；复合机床 ；环境适用性 ；轻量化设计 ；防腐 中图分类号 T G 5 0 2 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 91 6 7 5 An a l y s i s o f t h e En v i r o n me nt Ada p t a b i l i t y o f M a r i n e Co mp o un d M a c h i n e De s i g n S UN Ye wa n g。 ，Z H A N G J i a y i n g ，X U B i n s h i ，Z HA N G Z h i j i n g ，D O N G S h i y u n 1 ． B e i j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ，C h i n a ；2 ． S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy o n R e ma n u f a c t u r i n g L a b o r a t o r y ，A c a d e my o f A r mo r e d F o r c e s E n g i n e e r i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 7 2 ，C h i n a Ab s t r a c t B e c a u s e o f t h e s p e c i a l e n v i r o n me n t o f t h e s h i p i n t h e o c e a n， t h e ma rin e c o mp o u n d ma c h i n e t o o l s h o u l d b e s u i t a b l e f o r t h e t e c h n i c al r e q u i r e me n t s o f t h e ma r i n e ma c h i n e i n t h e s h i p a n d t h e ma r i n e e n v i r o n me n t ．Ac c o r d i n g t o t h e a n a l y s i s o f t h e d e v e l o p me n t o f t h e c o mp o u n d ma c h i n e t o o l s i n r e c e n t y e a r s ， t h e d e s i g n o f ma r i n e c o mpo u n d ma c h i n e t o o l s h o u l d b e a p p l i c a b l e r e l i a b i l i t y ， a n d i t s h o u l d b e c o mp a t i b l e wi t h t h e l i g h t we i g h t d e s i g n，c o r r o s i o n r e s i s t a n c e d e s i g n，o p e r a t i o n s t a b i l i t y d e s i g n，f u n c t i o n a l fl e x i b l e d e s i gn ， a n d a n t i v i b r a t i o n s t r u c t u r e d e s i g n ． B a s e d o n t h e a n aly s i s o f t h e d e s i g n o f t h e ma r i n e c o mp o s i t e ma c h i n e t o o l s ，t h e d e s i g n i d e a s o f t h e ma r i n e c o mp o u n d ma c h i n e w i t h e ffi c i e n c y ， q u a l i t y ， a n d e n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o n we r e a n aly z e d ． Ke y wo r d s Ma ri n e ma c h i n e t o o l ； C o mp o u n d ma c h i n e t oo l ；En v i r o n me n t a d a p t a b i l i t y ； L i g h t w e i g h t d e s i g n；C o r r o s i o n r e s i s t a n c e 船舶在行驶过程 中难免存在零部件 的损伤与脱 落，如何保障船舶长期正常的运行关系到船舶行业的 重要经济与战略利益。然而，面对船用机床的特殊工 作环境以及技术要求 例如工作空间、机床质量与 体积、海洋环境以及船舶行驶的颤振影响等 ，直到 1 9 9 5年船用多功能机床才在南通研发成功。自此国 内船用机床长期依赖进口的局面才得到改变 。伴 随近年来机床行业的迅速发展，特别是高效数控加工 机床的高速发展 ，船用机床技术也亟待提高。 在高效加 工机床行列 ，目前 最突出的就是复合加 工机 床。复合机床是指能够在一台机床上尽可能完成 工件的多种加工要素的机床。该类型机床能够较好地 适应单件小批量的快捷生产需求以及新工艺的加工要 求。自C C MT 2 0 1 0和 C I M T 2 0 1 1以来 ，复合机床的高 速化、高精度化、复合化、模块化、智能化以及各种 先进技术 的应用 和多样性 的结构创新 已经成为 复合机 床的发展趋势 。基于复合机床的发展情况与船用 机床的技术要求，船用复合机床设计应该包含机床整 体结构的紧凑性与轻量化设计 、机床耐腐蚀性设计、 机床运行稳定性设计 、机床功能多样 化设计 以及机床 的抗振性设计 。 1 船用机床结构的轻量化设计 受到舰船环境的限制，船用机床结构设计需要满 足紧凑性与轻量化的特点，其设计原则主要基于机床 的轻量化设计。机床轻量化设计是在保证机床静态和 动态性能的前提下实现机床结构的优化 目标。在机床 结构轻量化优化设计范围 中，机床移动部件 的轻量化 设计是机床结构设计的重要发展方向。因为轻质量的 移动部件能够较好地减小机床运动惯性力的影响，从 而提高机床动态性能，并减小机床运行的驱动功率 ， 最终实现机床设计的节能省材和轻量化的目标。 近年来，随着机床行业相关技术的快速发展，国 内机床轻量化的研究方面取得了不少成果。厦门大学 的颜华生在机床结构件的优化过程中，利用B P神经 收稿 日期 2 0 1 2 0 4一l 6 基金项目再制造技术重点实验室基金资助项目 作者简介孙椰望 1 9 8 5 一 ，男，博士研究生，工程师，主要研究方向为机械结构设计、机床设计制造。E ma i l s u n ． y e ． wa n g 1 6 3． c o mo 1 6 8 机床与液压 第4 l卷 网络的非线性映射能力求遗传算法的适应度函数值 ， 解决了求解遗传算法的适应度函数值时，必须进行结 构有限元重分析的问题，提高了机床结构 的优化效 率；并结合遗传算法实现变量设计域内的自动寻优计 算，利用遗传算法的全局搜索能力，实现变量可行域 内的全局优化 。合肥工业 大学 的翟华等人指出机床 轻量化技术的发展趋势需将机床结构的等寿命设计、 智能优化算法、多 目标优化、可靠性设计 、动态设 计 、快速设计 和应 用新 材料 与新 结构 的方法 融 于一 体 ，实现机 床 的全面优 化 ，并 取得 了较 好 的研究 成 果 。清华大学郭 垒等人基于对机床结构参数 的灵敏 度分析 ，在机床结构 刚度和加工工艺性 的约束下实现 了部件的轻量 化优化 目标 。北 京航 空航天 大学 的 赵岭等人在分析轻质高效生物体结构的主要特点及其 构型规律的基础上 ，研究总结出机床轻量化仿生设计 的部分准则 ；并采用结构仿生 的设计方法为机械结构 的轻量化设计提供了原型与方法 ，实现了机床 的部分 结构件 的仿生轻量化设计 目标 ，提 出了工作台筋板 的 仿 生构型⋯ 。 目前 ，机床结构轻量化设计的常用的方法主要集 中在计算机仿真技术与机床新材料 的使用方面。船用 机床的结构优化设计方法应该基 于这些结构优化设计 方法 ，在满足 机床结构刚度设计的前提下进行针对性 的轻量化设计。 1 C A D ／ C A E结构优化 。随着 计算机技术 和相 关 C A E软件的快速发展与应用 ，借助有限元分析的 仿真结果可 以预测机床设计 的静态和动态性能 ，并进 行机床结构 的设计优化。优化思路一般从两个 方面人 手一方面在满足机床刚度前提下进行机床体积优 化 ，减 轻机床质量 ；另一方面在机床 的体积要求范围 内，优化机床结构从而提高机床的低阶振动频率， 增强机床 的动态性 能 。其 中 ，拓 扑优 化是 最常 用 的 机床结构件优化方法 ，该方法能够在给定的设计空 间中，根据指定的加载和边界条件计算出最佳的设 计方案 。 2 新材料的应用。目前机床结构件的材料主 要是铸铁和钢，两者都具有良好的刚度质量比和品质 价格比。近年来，面对现代工程技术和科学技术对材 料性能要求的不断提高，新材料的研究和应用得到了 迅速发展，以复合材料为代表的新材料已经广泛地应 用于工业领域 。针对机床轻量化 的设计要求 ，在 机床结构设计 时采用 新材料 可以起到减 轻结构质 量 、 降低工艺执行难度 以及优化机械部件功能的效果 。例 如，机床托板导轨面的聚四氟乙烯的使用，一方面极 大地 降低 了钳工 的刮研难度 ，另一方 面在粗加工导轨 面上就能实现导轨耐磨性以及高精度的要求。 2船用机床的耐蚀性设计 船用机床在船舶行驶过程中使用，其设计受到海 洋环境的制约 ，机床的抗腐蚀性设计是关键的技术问 题。海洋环境是非常严酷 的腐蚀环境 ，海船 的腐蚀环 境可划 分为 海上大气区 、飞溅 区、潮差区 、全浸 区 和泥浆区。船舶的甲板室或上层建筑处在海上大气 区，暴 露在 海洋 盐雾大 气 中 j 。根据 舰船 的海 洋 腐蚀环境分析，船用机床会经常受到盐雾以及湿热环 境 因素 的影响。 目前海运设备 的防腐方式主要有 主动 防护和被动 防护两种手段 。主动 防护是指基于电化学原理的阴极 保护，也称为阴极保护法。其主要原理是当两种不 同金属在 电解质溶液中电性连结时 ，化学性质较活泼 的金属表现负 电位特性成 为阳极而受到腐蚀 ，而电极 电位为正的金属成为 阴极而不受 到腐蚀 。于是采用 活 泼性比钢铁更高的金属与钢铁连接使钢铁成为阴极而 被 保 护 ，或 者 采 用 补 充 电 源 激 发 保 护 电 子 的 方 ’ 。被 动防护 主要 是指采 用 喷涂 防护 涂料 。此 方法实施方便 ，也是船用机床以及其金属设备 的常用 防腐方法 。只是在 喷涂时对涂料的性能要求较高 。考 虑盐雾 、潮湿 、环境变化 的影响 ，涂料必须有 良好 的 耐水 性 、耐盐 雾 、防锈 性 、耐干 湿 以及 冷热 交替 性 等。同时 ，由于受到海浪的冲击影响 ，涂层应具有 良 好的机械强 度 、耐摩擦性和抗 冲击性能 。 对于船用机床 的防腐 问题 ，不仅要注意机械部件 的防护，还要注重船用机床控制系统及电缆的防腐措 施 。船用机床在海洋的湿热环境下工作时 ，电缆 的浸 水介电性能以及机械性能要求较高 。船用机床 的电气系统不仅需要满足安全可靠 、寿命长、体积 小 、质量 轻 ，还必 须具 备优 良的耐 温差 、耐火 、耐 油 、防潮和耐海水性能 。 3 船用机床的系统可靠性设计 保证机床的高可靠性以及精度保持性一直是复合 机床设计的核心要求。对于船用复合机床的设计制 造 ，其可靠性设计也不例外。 近年来，伴随计算机技术、信息技术等的快速发 展 ，国产数控系统可靠性的研究取得 了较大的成就。 东南大学的邱绍虎等对国产数控机床可靠性现状及其 改善对策做了分析研究，指出了系统可靠性设计、零 部件选型 、制造 与装配工艺 、机床使用 与维护等是影 响机床可靠性的主要因素 。重庆大学 的许智对机 床典型功能部件 的可靠性技术进行了比较深入 系统 的 研究 ，获得 了具 有指 导意义 的研究 成 果 。上海 交 通大学 的王智明提 出了基 于随机 点过程的多 台 N C机 床时间截尾的可靠性评估的可修系统方法，建立了故 障时间的幂律模型；对于多故障模式和多原因的 N C 第 9期 孙椰望 等 船用复合机床的环境适用性设计分析 1 6 9 机床可靠性分析，提出了 We i b u l l 多重混合模型，并 提出了系统任意维修质量的不完全顺序预防维修的混 合模型 。重庆大学的唐贤进开发了数控机床运行 可靠性监控系统，为保障数控机床运行可靠性提供了 可操作平台，同时为国内数控机床可靠性的提高打下 了基础，并提出了应用故障占比方法建立数控机床维 修保养项的重要度模型 。刘金超研究了机床运动 副磨损对机床精度保持性能的影响，在深入分析多体 系统理论的基础上，推导出了机床精度保持的可靠性 模型 。 船用机床的系统可靠性设计过程中，要整合国内 外数控技术取得的成果 ，开发先进的数控配套技术 ， 从而实现战略与技术领域的双项成果 。 4 船用机床的可重配置设计 船用机床加工对象为船舶的各种易损坏零件。由 于加工对象的多样性，船用复合机床的设计除了要求 机床轻量化、稳定性以及良好的工艺性外，还要具有 较高的柔性化。复合机床的可重配置设计可以根据不 同的加工对象，配置灵活的加工方案 ，从而实现零部 件的多工艺加工。因此，可重配置复合机床设计成为 船用复合机床设计的首选方案。 近年来 ，国内学者在可重配置机床研究方面取得 了一定成果。北京理工大学的周敏等人基于多 目标优 化分段基因遗传算法，提出了多 目标结构设计优化方 法的具体算法，并验证了基于多目标分段遗传算法的 可重配置车铣复合加工机床结构设计优化相关技术的 可靠一 J 。同济大学的段建国等提出了一种可重构 制造系统的多态可靠性建模方法，建立了存在非相邻 状态转移的可重构机床的马尔科夫模型和多零件族可 修的可重构制造系统多态可靠性模型，并验证了模型 的有效性 。浙江大学徐敬华等提出一种多域互用 的数控机床模块化配置设计方法 ，确定了模块的实例 化规则 ，实现了多域互用的模块化配置设计，并开发 了模块化 配置设 计原型系统 。 目前，可重配置机床的设计形式按可重配置的范 围分为全局可重配置和局部可重配置 ；按可重配置 的 方式分为同一模块多位姿可重配置和同一位置多模块 可重配置。在机床设计中，不同机床的设计要求对应 不同 的最优可重配置类型 。因此 ，船用适用性复合 机 床的可重配置设计应该根据相关技术要求有针对性地 选择最合适的可重配置类型，从而较好地实现机床总 体拓扑结构设计的前期定位。 5 船用机床的抗振性设计 船用机床运行于船体上 ，而船舶结构又是一种复 杂 的组合 弹性 体 ，并 且船 舶 是具 有多 振 源 的振动 系 统 。主要激振力包括螺旋桨 、船舶主机 、辅机 、动力 机械的运动力以及波浪等引起的外部激励等 ，这些激 励的存在总会引起船体的振动。其中，主机和螺旋桨 是船舶稳态振动的主要振源 ，螺旋桨噪声频率一般低 于1 0 0 H z 。表面力和轴承力是螺旋桨的主要激振力 ， 两者不仅激励力大，而且激励频率高 ，使得高速船的 振动问题比较突出 “ ] 。舰船船体的共振频率一般 为 1 O 一6 O H z ，近海小船的低阶振动频率一般在 3 O H z 以内 。由于船用机床的工作环境处于振荡状 态 ，并且机床本身也存在颤振，于是如何采取合适的 抑制颤振技术 ，实现颤振环境下机床的精度保持性成 为船用机床设计的注意问题。 机床是多自由度颤振系统，其振动主要有以下 3 个部分 机床和基础之间产生的振动，传动部分产生 的振动，刀具与被加工工件之间产生的相对振动 。 在机床运行中，能够判断出颤振主体环节，并采取有 效的抑振技术具有十分重要的意义。机床的振动问题 与消振技术研究一直受到关注， 2 0世纪 9 0年代中后 期，T E T S U Y U K I 提出将一种新的陶瓷树脂混凝土应 用在精密机床上，讨论了其热性能和机械特性变化， 并且用有限元法和试验分析法讨论了其颤振特性，得 出在 N C机床的刀架上使用这种刀具材料，其使用寿 命要比普通机床高 5倍 ，有效提高了机床的抗振性 能 。Z A T A R A I N阐述了一种 自适应调和型动态吸 振器，能够瞬时自适应调整获得最佳参数，提高了减 振效果 。近年来，国内机床消振技术也取得 明显 成果。2 0 0 4年，甘新基等利用仿真方法研究了镗削 加工过程中压电驱动颤振控制的原理方法 ，通过调整 附加在镗杆上的压电片的驱动电压，在一定程度上抑 制 了镗削加工过程 中的颤振 。2 0 0 6年 ，北 方工 业 大学韩志华探讨了通过控制主轴转速抑制颤振的原 理、方法和可行性，并提出了基于计算机仿真技术对 加工过程进行动态仿真的一般方法，从而为提高加工 效率提供可循的加工依据 。2 0 0 7年，曾立平通过 在刀具中心孔插入一个分层梁结构机械阻尼器来减少 颤振 ，其原理是 主要利用刀具和阻尼器间的相对运动 产生的摩擦力作功来减少颤振 。2 0 0 8年，王安采 用电磁激振器在刀具和工件之间施加与颤振相同振 幅 ，频率 、相位相反 的激振力和激振位移用来抵消工 件和刀架 之间的相对振 动 ，并且建立 了工件子系统和 刀具子系统相耦合的颤振模型 。张伟刚证 明了轴 承预紧有助于提高主轴 一轴承系统的固有频率 ，进而 提高机床系统的稳定性 。2 0 1 0年，哈尔滨工业大 学李晓瑞研究 了一类具有 时滞的机床再 生振颤模 型 。大连机床的黄付中使用异常负载检测功能实 现了车铣复合机床的碰撞保护。2 0 1 1年，沈阳机床 的于文东采用整机振动性能测试以及概率计算的方法 对机床振动可靠性进行了评估，明确了数控车床在振 1 7 0 机床与液压 第4 1 卷 动可靠性上的薄弱环节 ] 。东北大学朱立达等基于 正交车铣机床的加工原理，采用解析法提出三维颤振 稳定域的理论模型，有效地预测了正交车铣偏心加工 颤振稳定性 。 船用机床的抗振性设计不仅要考虑机床运动部件 的振动特性 ，而且要充分考虑机床所在 的船体振动环 境 。基于机床典型的抗振模型 以及方案 ，有针对性地 对机床的关键颤振部件进行抗振设计。 6讨论 1 复合机床是数控机床的一个充满活力的发 展方向，船用机床也必将向着这一方向发展。复合机 床包含众多技术领域，随着相关技术的发展，机床的 设计开发已经是集众多行业于一体的大开发。在行业 集成化与设计协作化的环境下 ，复合机床的全生命周 期设计将会更加重要。同时，新型机床的研发必须充 分结合机床组件开发商的研发进程、新材料等技术的 应用，并充分结合单位固有产品的状况，实现机床的 高效 开发 。 2 船用 复合 机床 的研 发设 计 ，要在 明确加工 对象的前提下 ，以可重配置机床设计理念代替传统多 功能机床的设计思路。同时，机床的设计效率与效益 要 一起考虑 ，复合过多功能常 常会 出现机床功能的冗 余以及偏高的成本。并且 ，过多的叠加结构必然造成 机床刚性的不足和误差的累积，直接影响机床的工作 精度与机床运行的可靠性。机床的设计研发应该根据 特定 的技术要求以及加工对象 的不 同特点有 针对性地 进行 。 3 根据 船舶振 动性设 计研究 以及 船舶 振动频 率的分析，船用机床设计必须避免受到外部激振而产 生共振现象。在考虑机床颤振问题的同时，需要密 切关注船用机床结构件在海洋环境下受到的外界阶 跃载荷作用或者冲击载荷作用产生的应力激发变形 问题 。 7结束语 船用复合机床的设计过程应该根据其工作环境和 加工对象的特殊要求进行适用性设计。适时整合与机 床行业相关技术 的发展 ，利用先进的设计理念与研 发 手段达到船用机床结构的紧凑型与轻量化 目标。时刻 关注新材料以及新工艺的应用，较好地改进机床设计 制造工艺，促进机床的高质、高效、环保、节约的设 计开发 。 针对船用机床的防腐问题 ，不拘泥于机床行业的 发展空间，要统筹防腐技术领域的动向，时刻以高效 设计与绿色设计为出发点，实现船用机床的绿色防腐 设计 。 船用复合机床设计需要整合数控系统的稳定性研 发 、抗振性设计方案以及柔性加工理念 ，并 以先进工 艺再制造的研发设计过程，采用先进的机械加工工艺 技术实现机床的典型结构设计，最终实现船用机床的 环境适用性 目标 。 参考文献 【 1 】 盛伯浩． 我国数控机床现况与技术发展策略[ J ] ． 制造 技术与机床， 2 0 0 6 2 1 7 2 2 ． 【 2 】 多功能船用机床在南通问世[ J ] ． 船舶物资与市场， 1 9 9 5 5 4 1 ． 【 3 】 2 0 1 l 一 2 0 1 5 年中国数控机床市场调研及发展趋势预测 报告[ E B ／ O L ] ． 2 0 1 1 1 02 1 ． 【 4 】焦炬浅． 析数控机床发展现状[ J ] ． 机电产品开发与创 新 ， 2 0 1 1 ， 2 4 3 1 61 8 ． 【 5 】王先逵． 我国机床数字控制技术的回顾和发展 [ J ] ． 现 代制造工程， 2 0 1 1 1 1 7 ． 【 6 】陈循介． 世界机床发展态势分析与预测 [ J ] ． 现代零部 件 ， 2 0 1 l 8 6 4 6 7 ． 【 7 】沈福金． 结合 C I M T 2 0 1 1 探讨机床发展的新动向[ J ] ． 制 造技术与机床， 2 0 1 l 7 1 9 2 2 ． 【 8 】颜华生． 机床结构动态设计与优化关键技术研究与应用 [ D] ． 厦门 厦门大学， 2 0 0 8 ． 【 9 】翟华 ， 王玉山， 李贵闪， 等． 锻压机床轻量化研究现状和 发展趋势[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 2 0 1 1 31 1 7 ． 【 1 0 】郭垒， 张辉， 叶佩青， 等． 基于灵敏度分析的机床轻量化 设计[ J ] ． 清华大学学报 自然科学版， 2 0 1 1 ， 5 1 6 8 4 68 5 0 ． 【 1 1 】赵岭， 陈五一， 马建峰． 高速机床工作台筋板的结构仿 生设计[ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 8 ， 2 7 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