孫椰望，張甲英，徐濱士，張之敬，董世運

(1.北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院，北京100081;2.裝甲兵工程學(xué)院再制造技術(shù)重點實驗室，北京 100072）

船用復(fù)合機床的環(huán)境適用性設(shè)計分析

孫椰望1，2，張甲英2，徐濱士2，張之敬1，董世運2

(1.北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院，北京100081;2.裝甲兵工程學(xué)院再制造技術(shù)重點實驗室，北京 100072）

針對船舶在海洋行駛中的特殊環(huán)境，提出了船用復(fù)合機床應(yīng)該根據(jù)船用機床的技術(shù)要求以及海洋環(huán)境的影響進行適用性設(shè)計的思路。為了實現(xiàn)船用復(fù)合機床優(yōu)異的適用性能，在分析近年來復(fù)合機床總體發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，詳細闡述了船用復(fù)合機床的設(shè)計應(yīng)該包含機床的緊湊性與輕量化設(shè)計、耐腐蝕性設(shè)計、系統(tǒng)可靠性設(shè)計、功能柔性化設(shè)計以及抗振性設(shè)計?；诖脧?fù)合機床適用性設(shè)計思路的分析，深入探討了高效、高質(zhì)和綠色船用復(fù)合機床的環(huán)境適用性設(shè)計方案。

船用機床;復(fù)合機床;環(huán)境適用性;輕量化設(shè)計;防腐

船舶在行駛過程中難免存在零部件的損傷與脫落，如何保障船舶長期正常的運行關(guān)系到船舶行業(yè)的重要經(jīng)濟與戰(zhàn)略利益。然而，面對船用機床的特殊工作環(huán)境以及技術(shù)要求 (例如工作空間、機床質(zhì)量與體積、海洋環(huán)境以及船舶行駛的顫振影響等），直到1995年船用多功能機床才在南通研發(fā)成功。自此國內(nèi)船用機床長期依賴進口的局面才得到改變［1－2］。伴隨近年來機床行業(yè)的迅速發(fā)展，特別是高效數(shù)控加工機床的高速發(fā)展，船用機床技術(shù)也亟待提高。

在高效加工機床行列，目前最突出的就是復(fù)合加工機床。復(fù)合機床是指能夠在一臺機床上盡可能完成工件的多種加工要素的機床。該類型機床能夠較好地適應(yīng)單件小批量的快捷生產(chǎn)需求以及新工藝的加工要求。自CCMT2010和CIMT2011以來，復(fù)合機床的高速化、高精度化、復(fù)合化、模塊化、智能化以及各種先進技術(shù)的應(yīng)用和多樣性的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新已經(jīng)成為復(fù)合機床的發(fā)展趨勢［3－7］?；趶?fù)合機床的發(fā)展情況與船用機床的技術(shù)要求，船用復(fù)合機床設(shè)計應(yīng)該包含機床整體結(jié)構(gòu)的緊湊性與輕量化設(shè)計、機床耐腐蝕性設(shè)計、機床運行穩(wěn)定性設(shè)計、機床功能多樣化設(shè)計以及機床的抗振性設(shè)計。

1 船用機床結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計

受到艦船環(huán)境的限制，船用機床結(jié)構(gòu)設(shè)計需要滿足緊湊性與輕量化的特點，其設(shè)計原則主要基于機床的輕量化設(shè)計。機床輕量化設(shè)計是在保證機床靜態(tài)和動態(tài)性能的前提下實現(xiàn)機床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)。在機床結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計范圍中，機床移動部件的輕量化設(shè)計是機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要發(fā)展方向。因為輕質(zhì)量的移動部件能夠較好地減小機床運動慣性力的影響，從而提高機床動態(tài)性能，并減小機床運行的驅(qū)動功率，最終實現(xiàn)機床設(shè)計的節(jié)能省材和輕量化的目標(biāo)。

近年來，隨著機床行業(yè)相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)機床輕量化的研究方面取得了不少成果。廈門大學(xué)的顏華生在機床結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化過程中，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射能力求遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)值，解決了求解遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)值時，必須進行結(jié)構(gòu)有限元重分析的問題，提高了機床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效率;并結(jié)合遺傳算法實現(xiàn)變量設(shè)計域內(nèi)的自動尋優(yōu)計算，利用遺傳算法的全局搜索能力，實現(xiàn)變量可行域內(nèi)的全局優(yōu)化［8］。合肥工業(yè)大學(xué)的翟華等人指出機床輕量化技術(shù)的發(fā)展趨勢需將機床結(jié)構(gòu)的等壽命設(shè)計、智能優(yōu)化算法、多目標(biāo)優(yōu)化、可靠性設(shè)計、動態(tài)設(shè)計、快速設(shè)計和應(yīng)用新材料與新結(jié)構(gòu)的方法融于一體，實現(xiàn)機床的全面優(yōu)化，并取得了較好的研究成果［9］。清華大學(xué)郭壘等人基于對機床結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏度分析，在機床結(jié)構(gòu)剛度和加工工藝性的約束下實現(xiàn)了部件的輕量化優(yōu)化目標(biāo)［10］。北京航空航天大學(xué)的趙嶺等人在分析輕質(zhì)高效生物體結(jié)構(gòu)的主要特點及其構(gòu)型規(guī)律的基礎(chǔ)上，研究總結(jié)出機床輕量化仿生設(shè)計的部分準則;并采用結(jié)構(gòu)仿生的設(shè)計方法為機械結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計提供了原型與方法，實現(xiàn)了機床的部分結(jié)構(gòu)件的仿生輕量化設(shè)計目標(biāo)，提出了工作臺筋板的仿生構(gòu)型［11－12］。

目前，機床結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的常用的方法主要集中在計算機仿真技術(shù)與機床新材料的使用方面。船用機床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法應(yīng)該基于這些結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，在滿足機床結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計的前提下進行針對性的輕量化設(shè)計。

(1）CAD/CAE結(jié)構(gòu)優(yōu)化。隨著計算機技術(shù)和相關(guān)CAE軟件的快速發(fā)展與應(yīng)用，借助有限元分析的仿真結(jié)果可以預(yù)測機床設(shè)計的靜態(tài)和動態(tài)性能，并進行機床結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化。優(yōu)化思路一般從兩個方面入手:一方面在滿足機床剛度前提下進行機床體積優(yōu)化，減輕機床質(zhì)量;另一方面在機床的體積要求范圍內(nèi)，優(yōu)化機床結(jié)構(gòu)從而提高機床的低階振動頻率，增強機床的動態(tài)性能。其中，拓撲優(yōu)化是最常用的機床結(jié)構(gòu)件優(yōu)化方法，該方法能夠在給定的設(shè)計空間中，根據(jù)指定的加載和邊界條件計算出最佳的設(shè)計方案。

(2）新材料的應(yīng)用。目前機床結(jié)構(gòu)件的材料主要是鑄鐵和鋼，兩者都具有良好的剛度質(zhì)量比和品質(zhì)價格比。近年來，面對現(xiàn)代工程技術(shù)和科學(xué)技術(shù)對材料性能要求的不斷提高，新材料的研究和應(yīng)用得到了迅速發(fā)展，以復(fù)合材料為代表的新材料已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域［13］。針對機床輕量化的設(shè)計要求，在機床結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用新材料可以起到減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、降低工藝執(zhí)行難度以及優(yōu)化機械部件功能的效果。例如，機床托板導(dǎo)軌面的聚四氟乙烯的使用，一方面極大地降低了鉗工的刮研難度，另一方面在粗加工導(dǎo)軌面上就能實現(xiàn)導(dǎo)軌耐磨性以及高精度的要求。

2 船用機床的耐蝕性設(shè)計

船用機床在船舶行駛過程中使用，其設(shè)計受到海洋環(huán)境的制約，機床的抗腐蝕性設(shè)計是關(guān)鍵的技術(shù)問題。海洋環(huán)境是非常嚴酷的腐蝕環(huán)境，海船的腐蝕環(huán)境可劃分為:海上大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和泥漿區(qū)。船舶的甲板室或上層建筑處在海上大氣區(qū)，暴露在海洋鹽霧大氣中［14－15］。根據(jù)艦船的海洋腐蝕環(huán)境分析，船用機床會經(jīng)常受到鹽霧以及濕熱環(huán)境因素的影響。

目前海運設(shè)備的防腐方式主要有主動防護和被動防護兩種手段。主動防護是指基于電化學(xué)原理的陰極保護，也稱為陰極保護法。其主要原理是:當(dāng)兩種不同金屬在電解質(zhì)溶液中電性連結(jié)時，化學(xué)性質(zhì)較活潑的金屬表現(xiàn)負電位特性成為陽極而受到腐蝕，而電極電位為正的金屬成為陰極而不受到腐蝕。于是采用活潑性比鋼鐵更高的金屬與鋼鐵連接使鋼鐵成為陰極而被保護，或者采用補充電源激發(fā)保護電子的方法［14，16］。被動防護主要是指采用噴涂防護涂料。此方法實施方便，也是船用機床以及其金屬設(shè)備的常用防腐方法。只是在噴涂時對涂料的性能要求較高?？紤]鹽霧、潮濕、環(huán)境變化的影響，涂料必須有良好的耐水性、耐鹽霧、防銹性、耐干濕以及冷熱交替性等。同時，由于受到海浪的沖擊影響，涂層應(yīng)具有良好的機械強度、耐摩擦性和抗沖擊性能［17］。

對于船用機床的防腐問題，不僅要注意機械部件的防護，還要注重船用機床控制系統(tǒng)及電纜的防腐措施。船用機床在海洋的濕熱環(huán)境下工作時，電纜的浸水介電性能以及機械性能要求較高［18－19］。船用機床的電氣系統(tǒng)不僅需要滿足安全可靠、壽命長、體積小、質(zhì)量輕，還必須具備優(yōu)良的耐溫差、耐火、耐油、防潮和耐海水性能。

3 船用機床的系統(tǒng)可靠性設(shè)計

保證機床的高可靠性以及精度保持性一直是復(fù)合機床設(shè)計的核心要求。對于船用復(fù)合機床的設(shè)計制造，其可靠性設(shè)計也不例外。

近年來，伴隨計算機技術(shù)、信息技術(shù)等的快速發(fā)展，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)可靠性的研究取得了較大的成就。東南大學(xué)的邱紹虎等對國產(chǎn)數(shù)控機床可靠性現(xiàn)狀及其改善對策做了分析研究，指出了系統(tǒng)可靠性設(shè)計、零部件選型、制造與裝配工藝、機床使用與維護等是影響機床可靠性的主要因素［20］。重慶大學(xué)的許智對機床典型功能部件的可靠性技術(shù)進行了比較深入系統(tǒng)的研究，獲得了具有指導(dǎo)意義的研究成果［21］。上海交通大學(xué)的王智明提出了基于隨機點過程的多臺NC機床時間截尾的可靠性評估的可修系統(tǒng)方法，建立了故障時間的冪律模型;對于多故障模式和多原因的NC機床可靠性分析，提出了Weibull多重混合模型，并提出了系統(tǒng)任意維修質(zhì)量的不完全順序預(yù)防維修的混合模型［22］。重慶大學(xué)的唐賢進開發(fā)了數(shù)控機床運行可靠性監(jiān)控系統(tǒng)，為保障數(shù)控機床運行可靠性提供了可操作平臺，同時為國內(nèi)數(shù)控機床可靠性的提高打下了基礎(chǔ)，并提出了應(yīng)用故障占比方法建立數(shù)控機床維修保養(yǎng)項的重要度模型［23］。劉金超研究了機床運動副磨損對機床精度保持性能的影響，在深入分析多體系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了機床精度保持的可靠性模型［24］。

船用機床的系統(tǒng)可靠性設(shè)計過程中，要整合國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)取得的成果，開發(fā)先進的數(shù)控配套技術(shù)，從而實現(xiàn)戰(zhàn)略與技術(shù)領(lǐng)域的雙項成果。

4 船用機床的可重配置設(shè)計

船用機床加工對象為船舶的各種易損壞零件。由于加工對象的多樣性，船用復(fù)合機床的設(shè)計除了要求機床輕量化、穩(wěn)定性以及良好的工藝性外，還要具有較高的柔性化。復(fù)合機床的可重配置設(shè)計可以根據(jù)不同的加工對象，配置靈活的加工方案，從而實現(xiàn)零部件的多工藝加工。因此，可重配置復(fù)合機床設(shè)計成為船用復(fù)合機床設(shè)計的首選方案。

近年來，國內(nèi)學(xué)者在可重配置機床研究方面取得了一定成果。北京理工大學(xué)的周敏等人基于多目標(biāo)優(yōu)化分段基因遺傳算法，提出了多目標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的具體算法，并驗證了基于多目標(biāo)分段遺傳算法的可重配置車銑復(fù)合加工機床結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化相關(guān)技術(shù)的可靠性［25］。同濟大學(xué)的段建國等提出了一種可重構(gòu)制造系統(tǒng)的多態(tài)可靠性建模方法，建立了存在非相鄰狀態(tài)轉(zhuǎn)移的可重構(gòu)機床的馬爾科夫模型和多零件族可修的可重構(gòu)制造系統(tǒng)多態(tài)可靠性模型，并驗證了模型的有效性［26］。浙江大學(xué)徐敬華等提出一種多域互用的數(shù)控機床模塊化配置設(shè)計方法，確定了模塊的實例化規(guī)則，實現(xiàn)了多域互用的模塊化配置設(shè)計，并開發(fā)了模塊化配置設(shè)計原型系統(tǒng)［27］。

目前，可重配置機床的設(shè)計形式按可重配置的范圍分為全局可重配置和局部可重配置;按可重配置的方式分為同一模塊多位姿可重配置和同一位置多模塊可重配置。在機床設(shè)計中，不同機床的設(shè)計要求對應(yīng)不同的最優(yōu)可重配置類型。因此，船用適用性復(fù)合機床的可重配置設(shè)計應(yīng)該根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求有針對性地選擇最合適的可重配置類型，從而較好地實現(xiàn)機床總體拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計的前期定位。

5 船用機床的抗振性設(shè)計

船用機床運行于船體上，而船舶結(jié)構(gòu)又是一種復(fù)雜的組合彈性體，并且船舶是具有多振源的振動系統(tǒng)。主要激振力包括螺旋槳、船舶主機、輔機、動力機械的運動力以及波浪等引起的外部激勵等，這些激勵的存在總會引起船體的振動。其中，主機和螺旋槳是船舶穩(wěn)態(tài)振動的主要振源，螺旋槳噪聲頻率一般低于100 Hz。表面力和軸承力是螺旋槳的主要激振力，兩者不僅激勵力大，而且激勵頻率高，使得高速船的振動問題比較突出［28－33］。艦船船體的共振頻率一般為10～60 Hz，近海小船的低階振動頻率一般在30 Hz以內(nèi)［33－34］。由于船用機床的工作環(huán)境處于振蕩狀態(tài)，并且機床本身也存在顫振，于是如何采取合適的抑制顫振技術(shù)，實現(xiàn)顫振環(huán)境下機床的精度保持性成為船用機床設(shè)計的注意問題。

機床是多自由度顫振系統(tǒng)，其振動主要有以下3個部分:機床和基礎(chǔ)之間產(chǎn)生的振動，傳動部分產(chǎn)生的振動，刀具與被加工工件之間產(chǎn)生的相對振動［35］。在機床運行中，能夠判斷出顫振主體環(huán)節(jié)，并采取有效的抑振技術(shù)具有十分重要的意義。機床的振動問題與消振技術(shù)研究一直受到關(guān)注，20世紀90年代中后期，TETSUYUKI提出將一種新的陶瓷樹脂混凝土應(yīng)用在精密機床上，討論了其熱性能和機械特性變化，并且用有限元法和試驗分析法討論了其顫振特性，得出在NC機床的刀架上使用這種刀具材料，其使用壽命要比普通機床高5倍，有效提高了機床的抗振性能［36］。ZATARAIN闡述了一種自適應(yīng)調(diào)和型動態(tài)吸振器，能夠瞬時自適應(yīng)調(diào)整獲得最佳參數(shù)，提高了減振效果［37］。近年來，國內(nèi)機床消振技術(shù)也取得明顯成果。2004年，甘新基等利用仿真方法研究了鏜削加工過程中壓電驅(qū)動顫振控制的原理方法，通過調(diào)整附加在鏜桿上的壓電片的驅(qū)動電壓，在一定程度上抑制了鏜削加工過程中的顫振［38］。2006年，北方工業(yè)大學(xué)韓志華探討了通過控制主軸轉(zhuǎn)速抑制顫振的原理、方法和可行性，并提出了基于計算機仿真技術(shù)對加工過程進行動態(tài)仿真的一般方法，從而為提高加工效率提供可循的加工依據(jù)［39］。2007年，曾立平通過在刀具中心孔插入一個分層梁結(jié)構(gòu)機械阻尼器來減少顫振，其原理是主要利用刀具和阻尼器間的相對運動產(chǎn)生的摩擦力作功來減少顫振［40］。2008年，王安采用電磁激振器在刀具和工件之間施加與顫振相同振幅，頻率、相位相反的激振力和激振位移用來抵消工件和刀架之間的相對振動，并且建立了工件子系統(tǒng)和刀具子系統(tǒng)相耦合的顫振模型［41］。張偉剛證明了軸承預(yù)緊有助于提高主軸－軸承系統(tǒng)的固有頻率，進而提高機床系統(tǒng)的穩(wěn)定性［42］。2010年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)李曉瑞研究了一類具有時滯的機床再生振顫模型［43］。大連機床的黃付中使用異常負載檢測功能實現(xiàn)了車銑復(fù)合機床的碰撞保護。2011年，沈陽機床的于文東采用整機振動性能測試以及概率計算的方法對機床振動可靠性進行了評估，明確了數(shù)控車床在振動可靠性上的薄弱環(huán)節(jié)［44］。東北大學(xué)朱立達等基于正交車銑機床的加工原理，采用解析法提出三維顫振穩(wěn)定域的理論模型，有效地預(yù)測了正交車銑偏心加工顫振穩(wěn)定性［45］。

船用機床的抗振性設(shè)計不僅要考慮機床運動部件的振動特性，而且要充分考慮機床所在的船體振動環(huán)境?；跈C床典型的抗振模型以及方案，有針對性地對機床的關(guān)鍵顫振部件進行抗振設(shè)計。

6 討論

(1）復(fù)合機床是數(shù)控機床的一個充滿活力的發(fā)展方向，船用機床也必將向著這一方向發(fā)展。復(fù)合機床包含眾多技術(shù)領(lǐng)域，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，機床的設(shè)計開發(fā)已經(jīng)是集眾多行業(yè)于一體的大開發(fā)。在行業(yè)集成化與設(shè)計協(xié)作化的環(huán)境下，復(fù)合機床的全生命周期設(shè)計將會更加重要。同時，新型機床的研發(fā)必須充分結(jié)合機床組件開發(fā)商的研發(fā)進程、新材料等技術(shù)的應(yīng)用，并充分結(jié)合單位固有產(chǎn)品的狀況，實現(xiàn)機床的高效開發(fā)。

(2）船用復(fù)合機床的研發(fā)設(shè)計，要在明確加工對象的前提下，以可重配置機床設(shè)計理念代替?zhèn)鹘y(tǒng)多功能機床的設(shè)計思路。同時，機床的設(shè)計效率與效益要一起考慮，復(fù)合過多功能常常會出現(xiàn)機床功能的冗余以及偏高的成本。并且，過多的疊加結(jié)構(gòu)必然造成機床剛性的不足和誤差的累積，直接影響機床的工作精度與機床運行的可靠性。機床的設(shè)計研發(fā)應(yīng)該根據(jù)特定的技術(shù)要求以及加工對象的不同特點有針對性地進行。

(3）根據(jù)船舶振動性設(shè)計研究以及船舶振動頻率的分析，船用機床設(shè)計必須避免受到外部激振而產(chǎn)生共振現(xiàn)象。在考慮機床顫振問題的同時，需要密切關(guān)注船用機床結(jié)構(gòu)件在海洋環(huán)境下受到的外界階躍載荷作用或者沖擊載荷作用產(chǎn)生的應(yīng)力激發(fā)變形問題。

7 結(jié)束語

船用復(fù)合機床的設(shè)計過程應(yīng)該根據(jù)其工作環(huán)境和加工對象的特殊要求進行適用性設(shè)計。適時整合與機床行業(yè)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，利用先進的設(shè)計理念與研發(fā)手段達到船用機床結(jié)構(gòu)的緊湊型與輕量化目標(biāo)。時刻關(guān)注新材料以及新工藝的應(yīng)用，較好地改進機床設(shè)計制造工藝，促進機床的高質(zhì)、高效、環(huán)保、節(jié)約的設(shè)計開發(fā)。

針對船用機床的防腐問題，不拘泥于機床行業(yè)的發(fā)展空間，要統(tǒng)籌防腐技術(shù)領(lǐng)域的動向，時刻以高效設(shè)計與綠色設(shè)計為出發(fā)點，實現(xiàn)船用機床的綠色防腐設(shè)計。

船用復(fù)合機床設(shè)計需要整合數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性研發(fā)、抗振性設(shè)計方案以及柔性加工理念，并以先進工藝再制造的研發(fā)設(shè)計過程，采用先進的機械加工工藝技術(shù)實現(xiàn)機床的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計，最終實現(xiàn)船用機床的環(huán)境適用性目標(biāo)。

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Analysis of the Environment Adaptability of Marine Com pound Machine Design

SUN Yewang1，2，ZHANG Jiaying2，XU Binshi2，ZHANG Zhijing1，DONG Shiyun2
(1.Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China;2.Science and Technology on Remanufacturing Laboratory，Academy of Armored Forces Engineering，Beijing 100072，China）

Because of the special environment of the ship in the ocean，themarine compound machine tool should be suitable for the technical requirements of themarinemachine in the ship and themarine environment．According to the analysis of the development of the compound machine tools in recent years，the design ofmarine compound machine tool should be applicable reliability，and it should be compatible with the lightweight design，corrosion resistance design，operation stability design，functional flexible design，and anti-vibration structure design．Based on the analysis of the design of themarine compositemachine tools，the design ideas of the marine compound machine with efficiency，quality，and environmental protection were analyzed．

Marinemachine tool;Compoundmachine tool;Environmentadaptability;Lightweight design;Corrosion resistance

TG502.1

A

1001－3881(2013）9－167－5

10．3969/j.issn.1001 －3881.2013.09.046

2012－04－16

再制造技術(shù)重點實驗室基金資助項目

孫椰望 (1985—），男，博士研究生，工程師，主要研究方向為機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、機床設(shè)計制造。E－mail:sun-yewang@163.com。