车床轻量化设计数据库系统研究*

孙守林，张 龙，董惠敏，申会鹏，王德胜

（1.大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024；2.大连机床集团有限责任公司技术中心，辽宁大连 116620）

车床轻量化设计数据库系统研究*

孙守林1，张 龙1，董惠敏1，申会鹏1，王德胜2

（1.大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024；2.大连机床集团有限责任公司技术中心，辽宁大连 116620）

以Visual C#为开发工具，构建了基于C/S体系结构的车床轻量化设计数据库，其体系结构包括：数据库、数据源、数据评价验证系统和应用开发系统四方面。根据机床轻量化设计流程，建立了数据库应用系统框架，重点介绍了车床结构设计中的基本结构单元和结构件生命周期评价方法在车床轻量化设计数据库中的应用。文中建立的车床轻量化设计数据库系统涵盖了从切削工况分析、结构轻量化设计、性能分析计算到评价的全过程，满足了机床行业对专业分析软件的基本要求。

车床结构件；轻量化设计；数据库；结构单元

0 引言

随着国民经济的发展和绿色制造理念的推进，机床在保精度的情况下实现机床结构件轻量化设计已成为当今时代的主旋律［1-2］。机床轻量化设计是指，在满足机床性能的前提下减少结构件的重量，从而达到减少原材料和能源损耗，优化机床性能［3］，实现绿色制造的目的。此前，国内外学者在该领域中已经进行很多研究。赵玲、王婷、等分析了机床轻量化设计的研究现状与进展［4］；郭垒、王富强、赵东平等采用灵敏度分析和结构优化设计相结合的方法对不同类型加工中心和机床的立柱进行结构轻量化设计［5-7］；丁尚、赵二鑫、等对床鞍轻量化设计进行了研究［8-9］；邢俏芳等研究了壁板类基本单元的静动态性能，得到各种基本单元的拉、压、弯、扭静态性能以及动态基频分布规律［10］。

虽已取得了不少成果，但在机床轻量化设计支持系统方面的研究仍然有限，没有一套合理的机床轻量化正向设计方法，归根到底是缺少大量的数据支持。通过车床轻量化中有限元分析模型的验证试验和大量的有限元理论计算，获取系统的、可靠的数据依据与关系规律，以此构建车床轻量化设计数据库系统，能够为结构件设计、结构单元设计提供系统的数据参考，改变经验与模仿设计现状，推动绿色制造技术的可持续发展。

1 数据库系统体系结构

车床轻量化设计数据库系统为政府、企业管理者、设计人员推行和实施绿色制造提供了实用、统一、可靠的数据支持和标准依据，实现了车床结构件在保证性能前提下的轻量化设计，减少制造过程中的资源消耗和环境影响。

1.1 数据库系统体系结构

结合现有的机床轻量化设计系统发展状况，为了更好的实现系统各个模块的功能，车床轻量化设计数据库系统采用C/S结构。该结构具有分布式存储和处理数据的功能，可以自行保存或修改数据库中的数据，并能够以用户为中心，人机交互，对系统模块之间的数据进行共享与交换，实现系统内部顺利运作。如图1所示。

图1 车床轻量化设计数据库系统体系结构

1.2 数据库系统组成

车床轻量化设计数据库系统主要包括数据库、数据源、数据评价验证系统、应用开发系统、输出及用户等部分。

（1）数据库部分

车床轻量化设计数据库由物理模型建模库、结构优化设计库、结构单元设计库、性能分析与评价数据库四个分库组成。

①物理模型建模主要研究了适用于车床轻量化设计的结构件分类方法、各类结构件的物理功能与几何约束方式、机床结构件的载荷约束条件、兼顾多工况与约束条件的载荷约束等效方法。其中包括车床型谱、车床整机结构构型、车床设计参数、结构件间结构面连接形式，车削载荷计算公式、结构件间力学模型求解公式、功能部件选型。

②结构优化设计是通过建立物理模型，然后对物理模型进行拓扑优化，获取最佳力的传递路径，最后完成概念模型设计。其中包括拓扑优化指导文档、概念模型设计指导文档，其中拓扑优化设计指导文档载录了各类结构件轻量化设计的多目标优化性能评价方法以及多工况与约束条件的处理方法的研究成果；概念模型设计指导文档载录了多工况、多约束条件下的机床零部件概念模型设计理论和方法。

③结构单元设计是基于概念模型完成结构件的精细化设计。其包括主体结构设计流程、基本单元型谱库、单元结构设计流程。主体结构设计流程包括：主壁板构型和尺度设计、主筋板构型和尺度设计；基本单元型谱包括：不同基本单元构型图、基本单元性能分析图表；单元结构设计流程包括：单元构型和尺度设计。

④性能分析与评价实现结构件性能分析，为车床结构件数字化结构性能提供判断工具，以及减重后减少的环境污染。其包括结构件性能分析与评价流程、能耗计算公式以及图表。

（2）数据源部分

车床轻量化设计数据库所用数据的来源包括企业提供车床设计相关参数、结合面连接形式等数据；课题组与实验室提供车床结构件的构型设计与静动性能、资源消耗、工艺性能之间的关系，以及机床附着单元的构型、尺度、组合设计等数据；文献手册提供切削载荷求解公式、力学模型求解公式，能耗计算相关公式等数据。

（3）数据评价验证系统

为保证数据库系统的正确性、可靠性和可用性，需通过集成测试、试验验证及用户测试以检查和发现数据库中存在的缺陷和错误，最终形成车床轻量化设计数据库系统开发测试报告等。

（4）应用开发系统部分

完成数据查询、查看、更新、修改、删除、输入、输出、结构件优化设计、主体方案设计、性能分析与评价、数据库管理等应用功能。以下部分主要介绍了应用系统部分的开发，应用系统的框架结构及功能。

2 数据库系统开发

借助于计算机工具和有限元软件，利用结构分析和结构优化技术进行结构件结构数字化设计已成为数控机床结构件轻量化结构设计的必然趋势。与传统设计方法相比，它可以大幅提高设计效率，缩短设计周期，减少设计过程中的材料和能源消耗，显著提高经济效益。

2.1 数据库系统开发工具

车床轻量化设计数据库系统开发是基于Windows操作系统，通过Visual C#语言实现的，后台需要调用其他商用系统HyperMesh、Pro/E、ANSYS和MATLAB。考虑到尽可能使车床轻量化设计数据库系统具有通用性，及具有较好的移植性，车床轻量化设计数据库系统开发主要采用了可扩展的、高性能的、为分布式客户机/服务器计算所设计的数据库管理系统SQL SEVER；考虑到应用系统各个模块功能更好的实现，采用了应用服务器运行数据负荷较轻和数据的储存管理功能较为透明的C/S体系结构。

2.2 数据库应用系统架构

机床轻量化设计流程主要包括：确定设计指标、建立物理模型、概念模型设计、结构方案设计、性能分析与评价以及结构件方案结果确定［11］。按照机床轻量化设计流程和应用系统的功能，建立数据库应用系统架构，实现软件内部顺利运作，为数据库应用系统的建立提供约束和依据。系统以车床型谱作为分类依据，建立了平床身车床、斜床身车床的力学模型与等效计算方法，通过该软件能够方便的实现机床性能计算分析与轻量化设计后减少的环境污染，应用系统的框架如图2所示。

图2 数据库应用系统架构

2.3 数据库应用系统功能

车床轻量化设计数据应用系统以机床的正向设计过程为主线，将应用系统分解为四个功能模块，分别为物理模型建模、结构优化设计、结构单元设计、性能分析与评价。

通过已知的车床型谱、车床设计参数和结合面参数，首先，选择车床型号、调用对应车床型谱的数据库，依次输入“车床设计参数”、“车削参数”、“结合面参数”，完成车削载荷计算和结合面力学模型求解与约束等效，为建立车床结构件物理模型提供基础数据。

再进入“结构优化设计”模块，对车床结构件进行拓扑优化，根据扑优化获取结构件的最佳传力路径，构建结构件的概念模型，为结构方案设计提供依据。

然后，进入“结构单元设计库”模块，根据“主体结构设计流程”、“单元结构设计流程”完成结构精细化设计。

最后，进入“性能分析与评价”模块，通过性能分析、性能评价子模块完成结构件的性能对比，输出分析报告，根据分析报告确定车床结构件减少的质量，进行能耗计算，输出减少环境污染的各个数据。

3 基本结构单元型谱与性能分析

3.1 基本结构单元型谱

通过实际工程应用中机床结构件的内部结构特征，抽象出V型单元、米型单元、菱形单元、太阳型单元、十字型单元、N型单元、X型单元7种基本单元［10］，对结构单元特征进行分析、定义，建立壁板类基本单元型谱，如表1所示。

表1 基本结构单元型谱

3.2 基本结构单元性能分析

（1）基于基本结构单元型谱，对型谱中结构单元进行参数化建模。

采用多变量控制、单变量变化的方法对单元几何模型进行建立。结构单元型谱中的7个基本单元保证尺寸均相等，如表2所示，质量作为单一变化量进行建模。

表2 同尺寸结构单元几何模型参数

为研究同等质量情况下，结构单元模型的变形情况。取9.28kg作为单个单元的重量，筋板宽度变化如表3建模。

表3 同质量结构单元几何模型参数

（2）将模型导入ANSYS软件，进行加载约束，受载方式为拉、压、弯（水平面弯垂直面弯）和扭，约束方式为底面部分约束。

（3）在同尺寸和同质量模型下进行7种基本结构单元的静态性能与动态性能分析，得到基本结构单元的性能分布规律。

通过对基本结构单元型谱与性能分析获得的数据及规律，对单元结构设计模块提供数据支持，实现了对车床结构件单元设结构计的功能。单元结构设计模块界面如图3所示。

图3 结构单元设计界面

在单元性能规律数据的支持下，以减轻质量为目的，在保证结构件性能情况下，选择不同的单元以及单元组合进行单元结构设计，如下图4所示为斜床身车床结构件床鞍及立式车床立柱的单元结构设计。

图4 车床结构件单元结构设计

在进行单元结构设计时，根据拓扑优化结果，结合单元性能分析结果，床鞍适合采用“米”型结构单元，而立柱适合采用“井”型、“X”型、“太阳”型单元。

4 机床结构件生命周期评价

机床结构件生命周期过程包括矿石开采、生铁冶炼及毛坯铸造阶段、机加工和热处理阶段、装配调试与产品运输阶段。每一个阶段都伴随着能源物料的消耗和环境污染物的排放。

（1）矿石开采、生铁冶炼及毛坯铸造阶段

铁矿石的开采、生铁冶炼以及毛坯铸造过程消耗大量的资源和能源，同时也排放出大量的废气、废水和工业固体废弃物［12］，如下图5所示。

图5 矿石开采、生铁冶炼及铸造毛坯阶段输入输出数据

（2）机加工和热处理阶段

铸造出来的毛坯需要经过机加工和热处理才能达到设计要求。机加工是利用刀具和工件的相对运动从毛坯的切去多余的金属（加工余量），使零件达到形状、尺寸精度及表面质量方面的要求。对于所有毛坯而言，被切去材料重量仅占毛坯重量较小比例（0.1%～5%），所以本次评价不考虑机加工过程的材料损耗。

毛坯经过机加工后达到形状尺寸精度和表面质量方面的要求，但是还需要进行热处理，以消除零件的残余应力、调整材料硬度、强度、塑性和韧性。热处理过程的资源消耗主要是电能的消耗，根据热处理工艺电耗定额计算公式以及查询表格，计算得出退火、正火、淬火、回火、时效的电能消耗［13］，最终得到1t的机床结构件经过热处理全部工艺消耗的电能1140kWh。

（3）装配调试与产品运输阶段

机床结构件的装配调试阶段能源消耗主要为零件搬运过程中的电能消耗，本次评价将装配调试阶段的能量消耗设为运输过程能量消耗的1%。

在机床结构件生命周期内，结构件制造过程中需要运输原材料，外购件以及成品产品。其运输方式主要为公路运输，公路运输的单位汽油消耗为0.07L/（tkm）。目前国内内燃机废气排放水平是载重1t汽油车每行驶1km排出CO2170g，NOX2.8g［14］。本次评价假设公路运输距离为1000km，则制造1t机床结构件运输阶段的汽油消耗与环境排放。

通过对以上阶段输入输出数据的收集，对机床结构件生命周期过程的能源消耗和环境排放的定量化分析。分析结果为每生产制造1t的机床结构件需要消耗能量29.36 x 106kJ，并向空气中排放3128.3kgCO2，10.89kgSOX，5.08kgNOX，产生26.94kg的废水，以及11530kg的固体废弃物。

基于对机床结构件生命周期评价方法的研究，开发了车床轻量化设计数据库能耗计算模块，实现了减重后对能量消耗、有害气体排放、废水及固体废弃物等数据计算的功能。其界面如图6所示。

图6 能耗计算界面

将车床轻量化设计的方法应用在大型平床身车床的床身结构件上，可得到床身减重0.454t，根据能耗计算模块可得到轻量化设计后减少的能量消耗为1.33 x 107kJ，减少的有害气体排放合计1427.45kg，减少生产的废水以固体废弃物分别为12.21kg和5234.62kg。

5 结论

（1）以Visual C#为开发工具，构建了基于C/S体系结构的车床轻量化设计数据库，主要将其成功的应用在车床结构件轻量化设计中。

（2）车床轻量化设计数据库系统包含了从切削工况分析至性能分析计算与评价的全过程，满足机床行业对专业分析软件的基本要求。

（3）建立基本结构单元型谱及其性能结构设计模块，指导车床结构件单元设计。

（4）对机床结构件生命周期进行了评价，开发了能耗计算模块，输入减重质量得到能量消耗、有害气体、废水及固体废弃物排放量等数据。

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（编辑 赵蓉）

Study on the Database System of Lathe Lightweight Design

SUN Shou-lin1，ZHANG Long1，DONG Hui-min1，SHEN Hui-peng1，WANG De-sheng2
（1.School of Mechanical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024，China；2. Technology Center，Dalian Machine Tool Group Co.，LTD，Dalian Liaoning 116620，China）

In this article a database system of lathe structural parts lightweight design based on the Client/ Server is developed，mainly using Visual C#as development tool.There are four aspects in the database system，including database，data source，data evaluation verification system and application development system.According to the lathe lightweight design process，a framework of the database application system is established，which mainly introduces the application of basic structural units and structural parts life cycle assessment method of the lathe structural design in the lathe lightweight design database.The database system

lathe structural parts；lightweight design；database；structural unit

TH166；TG506

A

1001-2265（2015）10-0076-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.10.021

2014-12-15；

2015-01-14

863计划"机电产品绿色制造基础数据库与采集评测系统开发-机床轻量化设计数据库技术研究"（2012AA040101-3）

孙守林（1964—），男，辽宁大连人，大连理工大学副教授，研究方向为机械设计及其理论，（E-mail）sunsl34@dlut.edu.cn。

of lathe structural parts lightweight design covers the cutting condition analysis，structural parts lightweight design，performance analysis and calculation，performance evaluation，and it meets the basic requirements of professional analysis software for machine tool industry.