孫椰望，張甲英，徐濱士，張之敬，董世運(yùn)

(1.北京理工大學(xué)機(jī)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072）

船用復(fù)合機(jī)床的環(huán)境適用性設(shè)計(jì)分析

孫椰望1，2，張甲英2，徐濱士2，張之敬1，董世運(yùn)2

(1.北京理工大學(xué)機(jī)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072）

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

船用機(jī)床;復(fù)合機(jī)床;環(huán)境適用性;輕量化設(shè)計(jì);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(zhǎng)期正常的運(yùn)行關(guān)系到船舶行業(yè)的重要經(jīng)濟(jì)與戰(zhàn)略利益。然而，面對(duì)船用機(jī)床的特殊工作環(huán)境以及技術(shù)要求 (例如工作空間、機(jī)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(jī)床才在南通研發(fā)成功。自此國(guó)內(nèi)船用機(jī)床長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的局面才得到改變［1－2］。伴隨近年來機(jī)床行業(yè)的迅速發(fā)展，特別是高效數(shù)控加工機(jī)床的高速發(fā)展，船用機(jī)床技術(shù)也亟待提高。

在高效加工機(jī)床行列，目前最突出的就是復(fù)合加工機(jī)床。復(fù)合機(jī)床是指能夠在一臺(tái)機(jī)床上盡可能完成工件的多種加工要素的機(jī)床。該類型機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)［3－7］?；趶?fù)合機(jī)床的發(fā)展情況與船用機(jī)床的技術(shù)要求，船用復(fù)合機(jī)床設(shè)計(jì)應(yīng)該包含機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的緊湊性與輕量化設(shè)計(jì)、機(jī)床耐腐蝕性設(shè)計(jì)、機(jī)床運(yùn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、機(jī)床功能多樣化設(shè)計(jì)以及機(jī)床的抗振性設(shè)計(jì)。

1 船用機(jī)床結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)

受到艦船環(huán)境的限制，船用機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿足緊湊性與輕量化的特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)原則主要基于機(jī)床的輕量化設(shè)計(jì)。機(jī)床輕量化設(shè)計(jì)是在保證機(jī)床靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的前提下實(shí)現(xiàn)機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)。在機(jī)床結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)范圍中，機(jī)床移動(dòng)部件的輕量化設(shè)計(jì)是機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要發(fā)展方向。因?yàn)檩p質(zhì)量的移動(dòng)部件能夠較好地減小機(jī)床運(yùn)動(dòng)慣性力的影響，從而提高機(jī)床動(dòng)態(tài)性能，并減小機(jī)床運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)功率，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)床設(shè)計(jì)的節(jié)能省材和輕量化的目標(biāo)。

近年來，隨著機(jī)床行業(yè)相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)機(jī)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(jī)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(shí)，必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元重分析的問題，提高了機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效率;并結(jié)合遺傳算法實(shí)現(xiàn)變量設(shè)計(jì)域內(nèi)的自動(dòng)尋優(yōu)計(jì)算，利用遺傳算法的全局搜索能力，實(shí)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(jī)床輕量化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)需將機(jī)床結(jié)構(gòu)的等壽命設(shè)計(jì)、智能優(yōu)化算法、多目標(biāo)優(yōu)化、可靠性設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、快速設(shè)計(jì)和應(yīng)用新材料與新結(jié)構(gòu)的方法融于一體，實(shí)現(xiàn)機(jī)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(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏度分析，在機(jī)床結(jié)構(gòu)剛度和加工工藝性的約束下實(shí)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(diǎn)及其構(gòu)型規(guī)律的基礎(chǔ)上，研究總結(jié)出機(jī)床輕量化仿生設(shè)計(jì)的部分準(zhǔn)則;并采用結(jié)構(gòu)仿生的設(shè)計(jì)方法為機(jī)械結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)提供了原型與方法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的部分結(jié)構(gòu)件的仿生輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出了工作臺(tái)筋板的仿生構(gòu)型［11－12］。

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

(1）CAD/CAE結(jié)構(gòu)優(yōu)化。隨著計(jì)算機(jī)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(cè)機(jī)床設(shè)計(jì)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，并進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。優(yōu)化思路一般從兩個(gè)方面入手:一方面在滿足機(jī)床剛度前提下進(jìn)行機(jī)床體積優(yōu)化，減輕機(jī)床質(zhì)量;另一方面在機(jī)床的體積要求范圍內(nèi)，優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)從而提高機(jī)床的低階振動(dòng)頻率，增強(qiáng)機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能。其中，拓?fù)鋬?yōu)化是最常用的機(jī)床結(jié)構(gòu)件優(yōu)化方法，該方法能夠在給定的設(shè)計(jì)空間中，根據(jù)指定的加載和邊界條件計(jì)算出最佳的設(shè)計(jì)方案。

(2）新材料的應(yīng)用。目前機(jī)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(jià)格比。近年來，面對(duì)現(xiàn)代工程技術(shù)和科學(xué)技術(shù)對(duì)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(duì)機(jī)床輕量化的設(shè)計(jì)要求，在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)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(jī)械部件功能的效果。例如，機(jī)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(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌耐磨性以及高精度的要求。

2 船用機(jī)床的耐蝕性設(shè)計(jì)

船用機(jī)床在船舶行駛過程中使用，其設(shè)計(jì)受到海洋環(huán)境的制約，機(jī)床的抗腐蝕性設(shè)計(jì)是關(guān)鍵的技術(shù)問題。海洋環(huán)境是非常嚴(yán)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(jī)床會(huì)經(jīng)常受到鹽霧以及濕熱環(huán)境因素的影響。

目前海運(yùn)設(shè)備的防腐方式主要有主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)兩種手段。主動(dòng)防護(hù)是指基于電化學(xué)原理的陰極保護(hù)，也稱為陰極保護(hù)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(shí)，化學(xué)性質(zhì)較活潑的金屬表現(xiàn)負(fù)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(hù)，或者采用補(bǔ)充電源激發(fā)保護(hù)電子的方法［14，16］。被動(dòng)防護(hù)主要是指采用噴涂防護(hù)涂料。此方法實(shí)施方便，也是船用機(jī)床以及其金屬設(shè)備的常用防腐方法。只是在噴涂時(shí)對(duì)涂料的性能要求較高。考慮鹽霧、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(shí)，由于受到海浪的沖擊影響，涂層應(yīng)具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、耐摩擦性和抗沖擊性能［17］。

對(duì)于船用機(jī)床的防腐問題，不僅要注意機(jī)械部件的防護(hù)，還要注重船用機(jī)床控制系統(tǒng)及電纜的防腐措施。船用機(jī)床在海洋的濕熱環(huán)境下工作時(shí)，電纜的浸水介電性能以及機(jī)械性能要求較高［18－19］。船用機(jī)床的電氣系統(tǒng)不僅需要滿足安全可靠、壽命長(zhǎng)、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(jī)床的系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

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

近年來，伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等的快速發(fā)展，國(guó)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(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床可靠性現(xiàn)狀及其改善對(duì)策做了分析研究，指出了系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)、零部件選型、制造與裝配工藝、機(jī)床使用與維護(hù)等是影響機(jī)床可靠性的主要因素［20］。重慶大學(xué)的許智對(duì)機(jī)床典型功能部件的可靠性技術(shù)進(jìn)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(jī)點(diǎn)過程的多臺(tái)NC機(jī)床時(shí)間截尾的可靠性評(píng)估的可修系統(tǒng)方法，建立了故障時(shí)間的冪律模型;對(duì)于多故障模式和多原因的NC機(jī)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(jìn)開發(fā)了數(shù)控機(jī)床運(yùn)行可靠性監(jiān)控系統(tǒng)，為保障數(shù)控機(jī)床運(yùn)行可靠性提供了可操作平臺(tái)，同時(shí)為國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)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(jī)床維修保養(yǎng)項(xiàng)的重要度模型［23］。劉金超研究了機(jī)床運(yùn)動(dòng)副磨損對(duì)機(jī)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(jī)床精度保持的可靠性模型［24］。

船用機(jī)床的系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)過程中，要整合國(guó)內(nèi)外數(shù)控技術(shù)取得的成果，開發(fā)先進(jìn)的數(shù)控配套技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略與技術(shù)領(lǐng)域的雙項(xiàng)成果。

4 船用機(jī)床的可重配置設(shè)計(jì)

船用機(jī)床加工對(duì)象為船舶的各種易損壞零件。由于加工對(duì)象的多樣性，船用復(fù)合機(jī)床的設(shè)計(jì)除了要求機(jī)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(jī)床的可重配置設(shè)計(jì)可以根據(jù)不同的加工對(duì)象，配置靈活的加工方案，從而實(shí)現(xiàn)零部件的多工藝加工。因此，可重配置復(fù)合機(jī)床設(shè)計(jì)成為船用復(fù)合機(jī)床設(shè)計(jì)的首選方案。

近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者在可重配置機(jī)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(jì)優(yōu)化方法的具體算法，并驗(yàn)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(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化相關(guān)技術(shù)的可靠性［25］。同濟(jì)大學(xué)的段建國(guó)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(jī)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(yàn)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(jī)床模塊化配置設(shè)計(jì)方法，確定了模塊的實(shí)例化規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了多域互用的模塊化配置設(shè)計(jì)，并開發(fā)了模塊化配置設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)［27］。

目前，可重配置機(jī)床的設(shè)計(jì)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(jī)床設(shè)計(jì)中，不同機(jī)床的設(shè)計(jì)要求對(duì)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(jī)床的可重配置設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求有針對(duì)性地選擇最合適的可重配置類型，從而較好地實(shí)現(xiàn)機(jī)床總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前期定位。

5 船用機(jī)床的抗振性設(shè)計(jì)

船用機(jī)床運(yùn)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(dòng)系統(tǒng)。主要激振力包括螺旋槳、船舶主機(jī)、輔機(jī)、動(dòng)力機(jī)械的運(yùn)動(dòng)力以及波浪等引起的外部激勵(lì)等，這些激勵(lì)的存在總會(huì)引起船體的振動(dòng)。其中，主機(jī)和螺旋槳是船舶穩(wěn)態(tài)振動(dòng)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(lì)力大，而且激勵(lì)頻率高，使得高速船的振動(dòng)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(dòng)頻率一般在30 Hz以內(nèi)［33－34］。由于船用機(jī)床的工作環(huán)境處于振蕩狀態(tài)，并且機(jī)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(shí)現(xiàn)顫振環(huán)境下機(jī)床的精度保持性成為船用機(jī)床設(shè)計(jì)的注意問題。

機(jī)床是多自由度顫振系統(tǒng)，其振動(dòng)主要有以下3個(gè)部分:機(jī)床和基礎(chǔ)之間產(chǎn)生的振動(dòng)，傳動(dòng)部分產(chǎn)生的振動(dòng)，刀具與被加工工件之間產(chǎn)生的相對(duì)振動(dòng)［35］。在機(jī)床運(yùn)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(jī)床的振動(dòng)問題與消振技術(shù)研究一直受到關(guān)注，20世紀(jì)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(jī)床上，討論了其熱性能和機(jī)械特性變化，并且用有限元法和試驗(yàn)分析法討論了其顫振特性，得出在NC機(jī)床的刀架上使用這種刀具材料，其使用壽命要比普通機(jī)床高5倍，有效提高了機(jī)床的抗振性能［36］。ZATARAIN闡述了一種自適應(yīng)調(diào)和型動(dòng)態(tài)吸振器，能夠瞬時(shí)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(guó)內(nèi)機(jī)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(dòng)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(dòng)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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)加工過程進(jìn)行動(dòng)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(gè)分層梁結(jié)構(gòu)機(jī)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(duì)振動(dòng)，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(jìn)而提高機(jī)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(shí)滯的機(jī)床再生振顫模型［43］。大連機(jī)床的黃付中使用異常負(fù)載檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)了車銑復(fù)合機(jī)床的碰撞保護(hù)。2011年，沈陽機(jī)床的于文東采用整機(jī)振動(dòng)性能測(cè)試以及概率計(jì)算的方法對(duì)機(jī)床振動(dòng)可靠性進(jìn)行了評(píng)估，明確了數(shù)控車床在振動(dòng)可靠性上的薄弱環(huán)節(jié)［44］。東北大學(xué)朱立達(dá)等基于正交車銑機(jī)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(cè)了正交車銑偏心加工顫振穩(wěn)定性［45］。

船用機(jī)床的抗振性設(shè)計(jì)不僅要考慮機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的振動(dòng)特性，而且要充分考慮機(jī)床所在的船體振動(dòng)環(huán)境?；跈C(jī)床典型的抗振模型以及方案，有針對(duì)性地對(duì)機(jī)床的關(guān)鍵顫振部件進(jìn)行抗振設(shè)計(jì)。

6 討論

(1）復(fù)合機(jī)床是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)充滿活力的發(fā)展方向，船用機(jī)床也必將向著這一方向發(fā)展。復(fù)合機(jī)床包含眾多技術(shù)領(lǐng)域，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床的設(shè)計(jì)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(jì)協(xié)作化的環(huán)境下，復(fù)合機(jī)床的全生命周期設(shè)計(jì)將會(huì)更加重要。同時(shí)，新型機(jī)床的研發(fā)必須充分結(jié)合機(jī)床組件開發(fā)商的研發(fā)進(jìn)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(shí)現(xiàn)機(jī)床的高效開發(fā)。

(2）船用復(fù)合機(jī)床的研發(fā)設(shè)計(jì)，要在明確加工對(duì)象的前提下，以可重配置機(jī)床設(shè)計(jì)理念代替?zhèn)鹘y(tǒng)多功能機(jī)床的設(shè)計(jì)思路。同時(shí)，機(jī)床的設(shè)計(jì)效率與效益要一起考慮，復(fù)合過多功能常常會(huì)出現(xiàn)機(jī)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(jī)床剛性的不足和誤差的累積，直接影響機(jī)床的工作精度與機(jī)床運(yùn)行的可靠性。機(jī)床的設(shè)計(jì)研發(fā)應(yīng)該根據(jù)特定的技術(shù)要求以及加工對(duì)象的不同特點(diǎn)有針對(duì)性地進(jìn)行。

(3）根據(jù)船舶振動(dòng)性設(shè)計(jì)研究以及船舶振動(dòng)頻率的分析，船用機(jī)床設(shè)計(jì)必須避免受到外部激振而產(chǎn)生共振現(xiàn)象。在考慮機(jī)床顫振問題的同時(shí)，需要密切關(guān)注船用機(jī)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(jī)床的設(shè)計(jì)過程應(yīng)該根據(jù)其工作環(huán)境和加工對(duì)象的特殊要求進(jìn)行適用性設(shè)計(jì)。適時(shí)整合與機(jī)床行業(yè)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念與研發(fā)手段達(dá)到船用機(jī)床結(jié)構(gòu)的緊湊型與輕量化目標(biāo)。時(shí)刻關(guān)注新材料以及新工藝的應(yīng)用，較好地改進(jìn)機(jī)床設(shè)計(jì)制造工藝，促進(jìn)機(jī)床的高質(zhì)、高效、環(huán)保、節(jié)約的設(shè)計(jì)開發(fā)。

針對(duì)船用機(jī)床的防腐問題，不拘泥于機(jī)床行業(yè)的發(fā)展空間，要統(tǒng)籌防腐技術(shù)領(lǐng)域的動(dòng)向，時(shí)刻以高效設(shè)計(jì)與綠色設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)船用機(jī)床的綠色防腐設(shè)計(jì)。

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

【1】盛伯浩．我國(guó)數(shù)控機(jī)床現(xiàn)況與技術(shù)發(fā)展策略［J］．制造技術(shù)與機(jī)床，2006(2）:17－22．

【2】多功能船用機(jī)床在南通問世［J］．船舶物資與市場(chǎng)，1995(5）:41．

【3】2011－2015年中國(guó)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)調(diào)研及發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)報(bào)告［EB/OL］．2011－10－21．

【4】焦炬淺．析數(shù)控機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀［J］．機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，24(3）:16 －18．

【5】王先逵．我國(guó)機(jī)床數(shù)字控制技術(shù)的回顧和發(fā)展［J］．現(xiàn)代制造工程，2011(1）:1－7．

【6】陳循介．世界機(jī)床發(fā)展態(tài)勢(shì)分析與預(yù)測(cè)［J］．現(xiàn)代零部件，2011(8）:64－67．

【7】沈福金．結(jié)合CIMT2011探討機(jī)床發(fā)展的新動(dòng)向［J］．制造技術(shù)與機(jī)床，2011(7）:19－22．

【8】顏華生．機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用［D］．廈門:廈門大學(xué)，2008．

【9】翟華，王玉山，李貴閃，等．鍛壓機(jī)床輕量化研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］．機(jī)床與液壓，2011，39(20）:113 －117．

【10】郭壘，張輝，葉佩青，等．基于靈敏度分析的機(jī)床輕量化設(shè)計(jì)［J］．清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，51(6）:846－850．

【11】趙嶺，陳五一，馬建峰．高速機(jī)床工作臺(tái)筋板的結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)［J］．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008，27(7）:871 －875．

【12】趙嶺，陳五一，馬建峰．基于結(jié)構(gòu)仿生的高速機(jī)床工作臺(tái)輕量化設(shè)計(jì)［J］．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2008(1）:1－4．

【13】孫璐．復(fù)合加工中心的發(fā)展趨勢(shì)［J］．世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2011(4）:71－72．

【14】劉冬．艦船材料的電偶腐蝕與防護(hù)研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2002．

【15】王茹．鋼制海船如何防腐［J］．中國(guó)船檢，2010(6）:92－93．

【16】陳聰，龔沈光，李定國(guó)．基于電偶極子的艦船腐蝕防腐相關(guān)靜態(tài)磁場(chǎng)研究［J］．兵工學(xué)報(bào)，2010，31(1）:113－118．

【17】船舶防腐防污涂料可持續(xù)發(fā)展方向［J］．船舶工業(yè)，2005，2(3）:45 －46．

【18】王壽泰，劉鈞，壁芳．船用電纜浸水介電性能的研究［J］．上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1981(3）:29 －44．

【19】姚志．船用電纜絕緣老化的研究［D］．大連:大連理工大學(xué)，2007．

【20】邱紹虎，吳必才，蘇春．國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床可靠性現(xiàn)狀及其改善對(duì)策研究［J］．中國(guó)制造業(yè)信息化，2009，38(13）:1－8．

【21】許智．加工中心及其功能部件可靠性技術(shù)研究［D］．重慶:重慶大學(xué)，2011．

【22】王智明．?dāng)?shù)控機(jī)床的可靠性評(píng)估與不完全預(yù)防維修及其應(yīng)用［D］．上海:上海交通大學(xué)，2011．

【23】唐賢進(jìn)．?dāng)?shù)控機(jī)床運(yùn)行可靠性控制技術(shù)研究［D］．重慶:重慶大學(xué)，2011．

【24】劉金超．基于多體運(yùn)動(dòng)學(xué)的超重型數(shù)控機(jī)床精度保持可靠性研究［D］．秦皇島:燕山大學(xué)，2011．

【25】周敏，張之敬，金鑫．基于自適應(yīng)遺傳算法的局部可重配置機(jī)床碰撞檢驗(yàn)方法［J］．北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(4）:400 －404．

【26】段建國(guó)，李愛平．可重構(gòu)制造系統(tǒng)多態(tài)可靠性建模與分析［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47(14）:104 －111．

【27】徐敬華，張樹有，李焱．基于多域互用的數(shù)控機(jī)床模塊化配置設(shè)計(jì)［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47(17）:127－134．

【28】張紅星．船體自由振動(dòng)虛擬測(cè)試技術(shù)研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2008．

【29】曹正林，彭勇．高速船的振動(dòng)特點(diǎn)及船底結(jié)構(gòu)形式振動(dòng)特性優(yōu)化分析［J］．中國(guó)水運(yùn)，2006，4(12）:17 －19．

【30】趙德有，林哲．船舶上層建筑整體縱向固有頻率算法研究［J］．中國(guó)造船，2001(9）:22－27．

【31】欒劍．船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)迫振動(dòng)虛擬測(cè)試技術(shù)研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2009．

【32】吳衛(wèi)國(guó)．高速船的振動(dòng)特點(diǎn)及預(yù)報(bào)［J］．江蘇船舶，2000，17(14）:5 －7．

【33】朱石堅(jiān)，何琳．船舶機(jī)械振動(dòng)控制［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006．

【34】邵新丹．某散貨船全船振動(dòng)分析［D］．大連:大連海事大學(xué)，2011．

【35】張巧云．淺析機(jī)床的振動(dòng)及防治［J］．科技傳播，2011(6）:106－107．

【36】TETSUYUKI Hongo，IKUO Tanabe．Development of Ceramics Resin Concrete for Precision Machine Tool Structure［J］．Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers，Part C，1996，60:333 －337．

【37】ZATARAIN M，LEIZAOLA J．Improvement of the Dynamic Stiffness ofMachine Tools by Adaptively Tuned Dynamic Absorbers［J］．Noise and Vibration World wide，1998，29(3）:12－17．

【38】甘新基．鏜削加工過程的顫振控制研究［D］．長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2004．

【39】韓志華．?dāng)?shù)控機(jī)床切削加工過程顫振抑制技術(shù)的研究［J］．北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，18(1）:25 －29．

【40】曾立平．用于銑削顫振的的抑制機(jī)械阻尼器數(shù)值模擬及參數(shù)優(yōu)化［D］．長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2007．

【41】王安．機(jī)床切削顫振的動(dòng)力學(xué)問題研究［D］．蘭州:蘭州理工大學(xué)，2008．

【42】張偉剛．機(jī)床主軸滾動(dòng)軸承系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)分析［J］．振動(dòng)與沖擊，2008，27(9）:72 －75．

【43】李曉瑞．一類具時(shí)滯的機(jī)床再生振顫模型的穩(wěn)定性和Hopf分支分析［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010．

【44】于文東．?dāng)?shù)控車床整機(jī)振動(dòng)可靠性評(píng)估研究［J］．機(jī)械工程師，2011(12）:43－44．

【45】朱立達(dá)，王宛山，李鶴，等．正交車銑偏心加工三維顫振穩(wěn)定性的研究［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47(23）:186 －192．

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目

孫椰望 (1985—），男，博士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)床設(shè)計(jì)制造。E－mail:sun-yewang@163.com。