轻量化技术在数控机床设计中的应用阐述

赵庆，刘卫星

（海天国华（大连）精工机械有限公司，辽宁 大连 116300）

数控机床集成了多种先进技术，为人们的操作提供了便捷，满足企业的连续生产需求，为企业创造良好的经济效益。在传统设计工作中，材料应用、计算与设计方法等都存在一定的局限性，导致数控机床的运行可靠性无法得到保障，不仅对日常生产活动造成影响，而且存在一定的安全风险隐患。在设计中侧重于数控机床应力、刚度和强度等性能的关注，传统设计方案会使得成本加大，同时，只有通过应用更多的材料才能提高精度值。轻量化技术的出现，则能够有效解决上述问题，使数控机床的结构得到优化和改进，数控机床的重量得到控制，同时，确保良好的抵抗弹性形变的性能特点。在设计工作当中应该明确轻量化技术的原理及特点，以制定可行性的技术应用及设计方案。

1 轻量化技术的特点

1.1 结构优化设计技术

在设计数控机床的结构时，应该以静态性能和动态性能的优化为基础，降低其自身重量，从而控制生产制造的成本投入，使其整机性能得到改善。对结构件的分布特征和筋板类型加以调整，发挥结构优化设计技术的特点。在设计支撑构件时，应该满足刚度约束及强度约束条件，包括数控机床的立柱和床身等。在设计运动部件时，则应该明确动态性能的相关约束条件，对数控机床重量和刚度、强度的关系进行分析。明确能量传递特点及路径，实现对运动部件的优化，达到轻量化设计要求。

1.2 新材料设计技术

新材料设计技术的应用，也是轻量化技术在数控机床设计中的体现，主要是运用蜂窝材料和泡沫金属等降低数控机床的重量。其具有多孔的特点，因此，在控制噪音和均衡应力分布、减震等方面的效果较好，在滑块、移动工作台和移动导轨等部件中的应用较多。在减速箱和立柱中也可以运用新型轻质材料，以改善支撑结构的整体性能。混凝土和花岗岩可以分别应用于钢板焊接框架和大尺寸支撑件当中，能够降低成本投入，使数控机床的稳定性得到增强。市场中新型轻质材料的种类较多，应该根据实际设计要求进行针对性选择，保障良好的轻量化效果。

1.3 多学科综合优化设计技术

以整机性能的考量为重点，采用多学科综合优化设计技术，能够对数控机床的接口形式、连接形式等进行优化，使关键部件的性能更加可靠。使各个子系统之间能够形成协同配合，增进数控机床整体和局部的协调性，明确全局最优解。应该对不同学科的耦合作用特点进行分析，这是保障良好协

同效应的关键，以达到改善整体工程系统的目的，增强数控机床设计方案的合理性。

2 轻量化技术在数控机床设计中的应用措施

2.1 结构优化

重新设计是传统设计方式中的常用手段，运用轻量化技术设计数控机床的结构，应该明确其刚度和质量要求，遵循约束条件实现对结构方案的调整和优化。首先，应该进行数控机床的尺寸优化。通常无须进行过大的改动，通过细节处理使其尺寸参数更加标准化，使数控机床的性能得到改善。以壳体厚度和截面尺寸为重点，实现对设计变量的有效控制，获得最优值以控制设计成本，避免在生产制造中出现严重的资源浪费问题。除了应该改进算法外，还应该促进灵敏度的提高，这也是尺寸优化的重点。构建优化模型，运用轻量化技术取得良好的优化结果。其次，应该进行数控机床的形状优化。对数控机床边界控制点信息进行全面获取，以此为设计变量优化数控机床的形状，真正满足轻量化设计的标准要求。较大的优化变化量，也使得光滑度连续性受到影响，这是在设计中应该重点考量的问题。边界单元法的运用，可以对上述问题加以处理，同时，借助相对应力优化法和拓扑优化云图等，也能够对其边界形状和静态特性予以改善。最后，还应该进行数控机床的拓扑优化。数控机床的布局、材料和节点等，是拓扑优化的主要内容，能够与尺寸优化和形状优化形成互补，使数控机床的结构更加合理。其重点在结构空间连接方式的改善上，与前两者相比难度也较大。在确定结构最优配置时，需要对约束条件、荷载等进行综合分析，包括了连续体变量拓扑优化和离散结构拓扑优化两种形式。

2.2 新型轻质材料

除了应该在设计中关注数控机床的结构外，还应该从材料上予以优化，达到轻量化的目的，同时，确保其具有良好的强度和刚度。通过混合轻质材料的应用，能够对数控机床的零部件加以优化，实现对振动问题的处理，优化数控机床的运行。碳纤维夹层应用于导轨材料中，能够大大降低其自身重量，有助于提升数控机床阻尼。陶瓷和硅酸盐等共同组成中空球形复合材料，保障良好的静态特性，同时，其自重得到控制，避免重量过大给生产加工造成的不便。在数控机床中也可以运用泡沫金属材料，从而进行轻量化设计。为了能够分析复合材料在数控机床轻量化设计中的应用效果，可以进行有限元仿真和振动试验，有助于阻尼系数和结构刚度的优化，控制数控机床的能耗。此外，采用泡沫铝夹芯结构高速移动工作台，也能够提高固有频率、降低谐振响应幅值。在我国的数控机床设计及生产中，为了能够达到绿色化理念的标准，多采用HSC轻质材料、泡沫金属复合材料和蜂窝材料等，具有较小的密度，能够起到良好的隔热和隔音作用，有助于改善静态和动态性能。对于数控机床承重件的轻量化设计，也是降低其重量的关键点，可以运用树脂混凝土和花岗岩等替代，防止对其刚度造成影响。在零部件设计中，碳纤维也得到广泛应用，具有较小的密度和较大的强度，耐腐蚀性能也较好，有助于延长使用寿命。

2.3 多学科综合优化

数控机床的功能趋于复杂化，单一学科的优化设计无法满足其功能需求，因此，应该采用多学科综合优化技术，增进各个学科之间的密切联系，形成强大的耦合作用，达到最优设计目标，增强数控机床的综合性能。MDO方法是在多学科综合优化中的常用措施，通过协同机制的构建，使数控机床的各个功能保持有效协调。子空间优化方法能够对气动模块和运输机等进行优化设计，并行子空间优化在机械构件设计中的应用效果较好。运载器的优化设计，可以借助协同优化方法实现。部分学者提出了多目标遗传算法和响应面模型的方式，能够对当前数控机床的设计方案进行改进。数控机床的综合性能往往会受到结构刚度、强度、静态与动态性能、成本等因素的影响，因此，在运用多学科综合优化方法时应该对上述因素进行全面考量，降低耦合作用的负面影响，使模型更具可靠性。在设计中去掉多余的零件，通过控制传动系统的尺寸链数量，防止出现较大的能耗，同时，有助于精度的提高。此外，也应该明确能量转化的特点和零件的连接关系，对材料的加工精度和形式等予以深入分析，以提高设计方案的可行性与科学性。运用多学科综合优化技术，也能够有效控制数控机床的振动，符合现代化发展的趋势。

3 结语

结构优化设计技术、新材料设计技术和多学科综合优化设计技术的应用，可以对数控机床的设计方案进行不断改进，达到轻量化设计的目标要求，以减轻数控机床的重量，同时，使其刚度和强度得到保障，增强运行性能。随着新技术、新材料的不断出现，数控机床的设计也更加可靠，应该充分发挥轻量化技术的优势，在降低成本的同时，控制生产的能耗，为社会的可持续发展奠定基础。