張大衛(wèi), 高衛(wèi)國

（天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院裝備設(shè)計(jì)與制造技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300355）

精密臥式加工中心是制造精密機(jī)床和其他高精度機(jī)器，保證國防和尖端工業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)裝備，體現(xiàn)了一個國家先進(jìn)制造技術(shù)的綜合水平。精密臥式加工中心適用于箱體類、盤類、板件及模具類等復(fù)雜零件的精密加工，是軍工、航天、航空、刀具、模具及機(jī)器制造業(yè)等精密零件加工的必需設(shè)備。

了解精密臥式加工中心正向設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)國內(nèi)外的研究進(jìn)展，研究和掌握精密臥式加工中心正向設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)具有國際先進(jìn)水平的精密臥式加工中心，形成以用戶需求為出發(fā)點(diǎn)的自主研發(fā)體系和技術(shù)輻射能力，引領(lǐng)高檔機(jī)床設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展，對實(shí)現(xiàn)我國高檔數(shù)控機(jī)床的技術(shù)跨越具有重大意義。

國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1 正向設(shè)計(jì)方法和數(shù)字化軟件工具

在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，尚無系統(tǒng)的理論方法支撐，目前機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依靠類比，這種基于試湊的設(shè)計(jì)過程導(dǎo)致設(shè)計(jì)反復(fù)、周期長。在設(shè)計(jì)軟件工具方面，商用CAD/CAE軟件未提供機(jī)床設(shè)計(jì)專用模塊，機(jī)床設(shè)計(jì)人員使用通用模塊進(jìn)行機(jī)床設(shè)計(jì)時，部分時間拘泥于細(xì)節(jié)，設(shè)計(jì)效率低下。

針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了諸多設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)來集成設(shè)計(jì)知識和工具。Lee等[1]提出一種用于機(jī)床設(shè)計(jì)的推理機(jī)制，使得機(jī)床設(shè)計(jì)時的推理過程，尤其針對含有大量知識的推理變得高效。Liu等[2]提出用一種以知識為核心的機(jī)床設(shè)計(jì)過程管理框架來開發(fā)CNC機(jī)床產(chǎn)品。Park等[3]開發(fā)了可實(shí)現(xiàn)機(jī)床快速設(shè)計(jì)與優(yōu)化的集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)。Myon等[4]基于機(jī)床設(shè)計(jì)知識開發(fā)了一種加工中心智能設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。Maglie[5]開發(fā)了一套集成機(jī)床設(shè)計(jì)仿真平臺，旨在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中機(jī)床結(jié)構(gòu)的實(shí)時仿真分析。

天津大學(xué)基于最新的整機(jī)設(shè)計(jì)理論與方法，提出機(jī)床正向設(shè)計(jì)的思想。首先，通過構(gòu)建包含骨架模型、剛度模型和動力學(xué)模型[6-7]的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型庫，集成機(jī)床設(shè)計(jì)知識，用于初始階段的機(jī)床整機(jī)概略參數(shù)設(shè)計(jì)及剛度[6]與質(zhì)量匹配設(shè)計(jì)[8]；并以此作為目標(biāo)和約束，為后期的標(biāo)準(zhǔn)件選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)。其次，搭建支撐機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫[9-10]、結(jié)構(gòu)件模型庫[11]和筋板庫，幫助工程師通過較少的交互操作實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件和結(jié)構(gòu)件的高效選型與設(shè)計(jì)。最后，基于分析特征模型[12]和映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)CAD/CAE軟件的無縫集成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)床結(jié)構(gòu)的自動化FE建模和分析；并以iSIGHT為平臺進(jìn)行CAD/CAE集成，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)[13]。在上述理論方法基礎(chǔ)上，基于商用軟件PTC Creo、ANSYS/SAMCEF和iSIGHT開發(fā)了精密臥式加工中心專用數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)具備設(shè)計(jì)導(dǎo)航功能，包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫、標(biāo)準(zhǔn)零部件數(shù)據(jù)庫、結(jié)合面參數(shù)數(shù)據(jù)庫等，可支持精密臥式加工中心整機(jī)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)建模與多領(lǐng)域仿真/優(yōu)化設(shè)計(jì)。

機(jī)床設(shè)計(jì)活動涉及機(jī)床相關(guān)領(lǐng)域的各個方面，設(shè)計(jì)知識繁雜，具備管理和應(yīng)用機(jī)床設(shè)計(jì)領(lǐng)域復(fù)雜知識的專家系統(tǒng)將是未來發(fā)展的主要方向。

2 整機(jī)幾何精度設(shè)計(jì)

幾何精度是精密臥式加工中心重要的性能指標(biāo)之一。精度設(shè)計(jì)是保證機(jī)床加工精度的重要前提，可通過合理的機(jī)床設(shè)計(jì)、零部件加工、裝配來消除或減少誤差源，保證機(jī)床的基礎(chǔ)制造精度。建立刀具-工件相對位姿誤差與系統(tǒng)幾何誤差源之間的映射關(guān)系——誤差模型，是實(shí)現(xiàn)精度設(shè)計(jì)的重要前提。

在數(shù)控機(jī)床誤差建模方面，以多體系統(tǒng)理論結(jié)合齊次坐標(biāo)變換為基礎(chǔ)的誤差建模與分析方法已得到普遍應(yīng)用?；谠摲椒?，天津大學(xué)[14-15]、國防科技大學(xué)[16]和上海交通大學(xué)[17]等在機(jī)床誤差建模、誤差分析和誤差補(bǔ)償?shù)确矫嫒〉昧艘幌盗醒芯窟M(jìn)展。然而該建模方法不足之處在于無法有效分離影響機(jī)床可補(bǔ)償與不可補(bǔ)償位姿誤差的幾何誤差源。為此，天津大學(xué)提出一種基于旋量理論的誤差建模方法（如圖2所示）[18]，有效解決了這一問題，為針對不同類型誤差元分別采取適當(dāng)手段改善機(jī)床精度提供了理論依據(jù)。

由于各幾何誤差源對整機(jī)精度的影響規(guī)律不同，同時其控制難易程度也不同，故在滿足整機(jī)精度設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下，如何合理分配各誤差源的允許變動范圍，是數(shù)控機(jī)床幾何精度設(shè)計(jì)所需解決的關(guān)鍵問題。Parkinson從統(tǒng)計(jì)公差的角度出發(fā)，提出了統(tǒng)計(jì)公差綜合的觀點(diǎn)，認(rèn)為尺寸分布可從加工過程產(chǎn)生的樣品數(shù)據(jù)中得到，并以制造成本作為目標(biāo)函數(shù)，形成了一套程序化的優(yōu)化算法[19]。Lee 和 Woo[20-21]、劉玉生[22]將公差視為滿足某一分布規(guī)律的隨機(jī)變量，且將加工成本作為最終優(yōu)化目標(biāo)，將裝配和設(shè)計(jì)要求作為約束條件的公差分配，轉(zhuǎn)化為多元有約束非線性規(guī)劃問題。該模型廣泛應(yīng)用于公差分配過程中，但仍難以考慮特殊的裝配要求。目前為止，尚未形成體系完善的、可有效指導(dǎo)機(jī)床零部件加工裝配的數(shù)控機(jī)床幾何精度設(shè)計(jì)理論，該方向?qū)⒊蔀閿?shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)理論中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題之一。

圖1 精密機(jī)床數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of the digital design software system for precision machine tool

3 整機(jī)結(jié)構(gòu)靜動剛度設(shè)計(jì)

3.1 整機(jī)靜剛度匹配設(shè)計(jì)

靜剛度是精密臥式加工中心的重要指標(biāo)之一，對加工效率、加工精度和表面加工質(zhì)量有重要影響。國內(nèi)外學(xué)者針對主軸和刀具系統(tǒng)靜剛度對工件加工質(zhì)量的影響[23-24]、機(jī)床整機(jī)靜剛度對加工變形誤差的影響[25-26]、機(jī)床整機(jī)靜剛度建模[27-28]等方面開展了大量研究。主要研究思路是在構(gòu)建機(jī)床三維模型后進(jìn)行建模、仿真和試驗(yàn)測試，側(cè)重于對已有機(jī)床的靜剛度分析，并沒有從機(jī)床設(shè)計(jì)的角度建立整機(jī)靜剛度模型。

目前，在機(jī)床部件和整機(jī)設(shè)計(jì)階段，尚無法準(zhǔn)確獲知合理的整機(jī)和部件靜剛度值。針對此問題，天津大學(xué)提出了一種整機(jī)靜剛度正向設(shè)計(jì)的方法[6]。在設(shè)計(jì)初期，從機(jī)床的概念模型出發(fā)，建立整機(jī)靜剛度與各部件靜剛度間的映射關(guān)系模型；依據(jù)此映射關(guān)系，以滿足用戶要求的整機(jī)靜剛度為目標(biāo)，合理匹配各部件靜剛度目標(biāo)值；并用各部件的靜剛度目標(biāo)值指導(dǎo)結(jié)構(gòu)件詳細(xì)設(shè)計(jì)與功能部件選型，從而在設(shè)計(jì)階段保證整機(jī)靜剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 支撐點(diǎn)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

精密臥式加工中心床身支撐點(diǎn)的布局對其性能有著重要影響，合理的支撐點(diǎn)布局可保障機(jī)床具有良好的調(diào)平性、穩(wěn)定性、精度保持性和抗干擾性等。

圖2 基于旋量理論的數(shù)控機(jī)床幾何誤差建模方法Fig.2 Geometric error modeling of CNC machine tool based on screw theory

國內(nèi)外學(xué)者就支撐點(diǎn)布局對整機(jī)靜動態(tài)性能的影響[29-30]、支撐區(qū)域接觸剛度的仿真和測試[31-32]、支撐點(diǎn)布局的優(yōu)化設(shè)計(jì)[33-35]等方面開展了相關(guān)研究。目前，對支撐點(diǎn)布局的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是多方案對比優(yōu)化設(shè)計(jì)或在限制支撐點(diǎn)數(shù)量、支撐區(qū)域的條件下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于缺乏普適性的支撐點(diǎn)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)的工作量較大，支撐點(diǎn)布局的優(yōu)化設(shè)計(jì)尚未在機(jī)床制造企業(yè)廣泛應(yīng)用。精密臥式加工中心床身支撐點(diǎn)布局的發(fā)展趨勢是在保證床身靜動態(tài)性能和支撐靜定的最低3點(diǎn)支撐要求下，支撐方式越簡單越好[36]。

天津大學(xué)提出了精密臥式加工中心T型床身在3點(diǎn)支撐布局時的床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[37]，實(shí)現(xiàn)了精密臥式加工中心T型床身3點(diǎn)支撐布局和床身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[38]，如圖3所示。

3.3 整機(jī)動剛度匹配設(shè)計(jì)

精密臥式加工中心在切削載荷和驅(qū)動機(jī)構(gòu)的非平衡載荷等激勵作用下產(chǎn)生振動，對加工精度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。整機(jī)動剛度對精密臥式加工中心的抗振性和加工精度有著較大影響，國內(nèi)外學(xué)者針對機(jī)床整機(jī)動特性問題開展了大量研究。Yigit等[39]基于集中參數(shù)法建立機(jī)床整機(jī)動力學(xué)模型，并對整機(jī)結(jié)構(gòu)動態(tài)性能進(jìn)行評估，取得了較為理想的計(jì)算結(jié)果。Yoshimura等[40]利用分布質(zhì)量法，忽略機(jī)床結(jié)合部的影響，建立了單柱刨銑床動力學(xué)模型，從能量平衡角度對機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。有限元方法由于考慮了結(jié)構(gòu)件的變形情況,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)床結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能預(yù)估[41-42]。Patrick[43]等對機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模與動力學(xué)性能分析，總結(jié)出包括質(zhì)量參數(shù)在內(nèi)的全程參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，對機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，全面分析了變量參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)在機(jī)床結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。Kroll等[44]基于經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性考慮，從降低生產(chǎn)制造成本方向出發(fā)，利用有限元法與參數(shù)優(yōu)化方法，對機(jī)床結(jié)構(gòu)件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，提高機(jī)床生產(chǎn)效率。付俊濤[45]等考慮到機(jī)床整體結(jié)構(gòu)中橫梁承擔(dān)刀架重量、傳遞切削載荷，對機(jī)床結(jié)構(gòu)加工精度影響較大等因素，提出了一種基于有限元法的結(jié)構(gòu)分析和動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對橫梁進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)研究。

上述研究側(cè)重于對已有機(jī)床的動力學(xué)分析與局部的動特性優(yōu)化，如何在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行各結(jié)構(gòu)部件的靜動剛度分配和質(zhì)量分布匹配，以滿足預(yù)期的整機(jī)靜動剛度，是精密臥式加工中心結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)和方向。

4 整機(jī)系統(tǒng)阻尼設(shè)計(jì)

阻尼是機(jī)床結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析的重要參數(shù)之一，對機(jī)床的振動和加工精度有著極大的影響。數(shù)控機(jī)床存在多種阻尼形式，包括各結(jié)構(gòu)件的材料阻尼以及螺栓、導(dǎo)軌滑塊、絲杠螺母、軸承等處產(chǎn)生的結(jié)合面阻尼。

圖3 精密臥式加工中心的3點(diǎn)支撐布局設(shè)計(jì)Fig.3 Layout design of 3-points supporting of precision horizontal machine tool

在機(jī)床結(jié)合面的阻尼特性方面，堤正臣[46]基于結(jié)合面動態(tài)試驗(yàn)提出了結(jié)合面切向周期性的遲滯變形是結(jié)合面阻尼產(chǎn)生的主要原因。劉曉平、徐燕申等[47-48]將模態(tài)分析和有限元法相結(jié)合，提出了基于實(shí)測傳遞函數(shù)矩陣來識別結(jié)合面阻尼參數(shù)的方法，使其識別過程簡便并具有工程實(shí)用價值。黃玉美等對結(jié)合面靜、動態(tài)特性理論及其參數(shù)識別進(jìn)行了深入研究，提出結(jié)合面阻尼機(jī)理的本質(zhì)是結(jié)合面間的微觀滑移阻尼耗能的觀點(diǎn)，并基于分形理論提出了一種獲取結(jié)合面法向和切向阻尼參數(shù)的方法[49-51]。

在機(jī)床材料阻尼方面，20世紀(jì)70年代中期，瑞士和德國首先對樹脂混凝土在機(jī)床中的使用進(jìn)行了研究，兩國的機(jī)床制造企業(yè)在制造高精度磨床和高速銑床時首次采用高阻尼性能的環(huán)氧樹脂混凝土材料制造床身和一些主要基礎(chǔ)大件，大大改善了機(jī)床動態(tài)特性。20世紀(jì)80年代中期，北京機(jī)床研究所、同濟(jì)大學(xué)進(jìn)行了相似材料在機(jī)床上應(yīng)用的研究。除了改變機(jī)床材料本身，通過粘貼、噴涂或填充等手段在結(jié)構(gòu)件表面或內(nèi)部附著一些高阻尼材料來改變機(jī)床阻尼成為近年來國內(nèi)外研究的另一熱點(diǎn)。韓國學(xué)者[52-53]在這方面做了大量研究工作，將復(fù)合材料或粘彈阻尼材料粘貼在磨床或加工中心的立柱、主軸箱等關(guān)鍵部件表面，有效改善了機(jī)床動態(tài)性能。

雖然國內(nèi)外學(xué)者對機(jī)床阻尼做了大量的研究，但仍有諸多問題有待進(jìn)一步深入研究，如結(jié)合面的阻尼機(jī)理尚未完全明確，需進(jìn)一步解釋和完善；在采用新型材料制造機(jī)床時，如何平衡機(jī)床靜動熱和精度等特性；在機(jī)床結(jié)構(gòu)件上添加高阻尼材料時，添加位置和形狀的最優(yōu)化問題等。

5 整機(jī)熱平衡設(shè)計(jì)與溫度場主動控制

5.1 整機(jī)熱平衡設(shè)計(jì)

機(jī)床的精度越高，熱誤差的影響越大，所以減少熱誤差是提高精密機(jī)床加工精度的關(guān)鍵。減少熱誤差的方法主要有3種：溫度控制、熱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和熱誤差補(bǔ)償[54]。

由于測溫點(diǎn)的局限性以及熱變形測量的復(fù)雜性，需要建立等效的機(jī)床有限元分析模型。孫振宏[55]等綜合考慮主軸轉(zhuǎn)速、預(yù)緊力、冷卻液流量、溫度變化等工況對電主軸發(fā)熱量的影響，建立電主軸生熱模型，進(jìn)行了電主軸的溫升、變形和應(yīng)力測試等熱特性試驗(yàn)。Liu等[56]考慮不同進(jìn)給速度、冷卻液溫度及速度，并結(jié)合試驗(yàn)分析對進(jìn)給系統(tǒng)建模及仿真。Mian等[57]分析了機(jī)床接觸熱阻以及環(huán)境對流換熱系數(shù)理論，建立機(jī)床的整機(jī)熱特性仿真模型，并通過環(huán)境溫度的試驗(yàn)驗(yàn)證該方法的正確性。

針對整機(jī)的熱特性建模以及仿真分析，主要問題在于確定機(jī)床的熱邊界條件，要研究不同的環(huán)境溫度對機(jī)床熱誤差的影響，機(jī)床內(nèi)生熱源的隔熱以及熱傳遞控制方法，同時需要研究不同工況下各熱源向機(jī)床大件的熱量傳遞大小以及規(guī)律。張大衛(wèi)等[58]提出了一種基于整機(jī)的熱特性仿真分析結(jié)果進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)熱誤差與工作空間熱誤差關(guān)系建模的方法。

針對機(jī)床的熱源不對稱性，基于有限元模型，對機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，可減少熱源的不對稱性導(dǎo)致的機(jī)床熱誤差。Mori等[59]采用有限元方法針對主軸箱進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效降低了機(jī)床的熱誤差。

5.2 整機(jī)與核心部件溫度場主動控制

內(nèi)外熱源共同作用而產(chǎn)生的機(jī)床熱變形誤差是影響精密臥式加工中心精度和精度穩(wěn)定性的重要因素。作為一種常見的動態(tài)熱平衡/熱誤差控制方法，循環(huán)冷卻液換熱已被廣泛采用。其基本思想是通過對精密臥式加工中心整機(jī)/關(guān)鍵功能部件內(nèi)部冷卻循環(huán)液供液工況的調(diào)控，減少生熱部件和環(huán)境及結(jié)構(gòu)的熱交換[60-61]，以保持精密臥式加工中心結(jié)構(gòu)溫度場的均恒性，從而降低其結(jié)構(gòu)熱變形[62]。然而，目前循環(huán)冷卻裝備多采用分流閥等實(shí)現(xiàn)多回路的并行循環(huán)換熱，這使得對精密臥式加工中心結(jié)構(gòu)不同部位的溫度場控制實(shí)行了開環(huán)/同一化控制策略，可部分帶走精密臥式加工中心內(nèi)生熱源生熱量，但其不足之處在于開環(huán)/同一化的控溫模式難以適應(yīng)精密加工熱態(tài)工況變化對溫控能力差異化的動態(tài)時變需求，由此導(dǎo)致了精密臥式加工中心啟動-熱穩(wěn)定過程周期長，溫控能力不均衡等問題。

為解決上述問題，天津大學(xué)提出了一種多回路差異化主動溫控方法[63-64]，開發(fā)了適用于精密機(jī)床溫度場主動控制的分層獨(dú)立差異化主動溫控裝置[65]。基于該裝置搭建了包含結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測的精密臥式加工中心溫度場閉環(huán)主動控制試驗(yàn)平臺（如圖4所示），對精密臥式加工中心溫度場閉環(huán)自調(diào)節(jié)控制策略進(jìn)行了初步探索，取得了一定效果。

基于溫度場閉環(huán)自適應(yīng)調(diào)控的熱態(tài)特性主動控制模式有望成為精密加工裝備溫度場控制方式發(fā)展的主要趨勢。與傳統(tǒng)的熱誤差補(bǔ)償方法相比，熱態(tài)特性主動控制方式具有不依賴于數(shù)控系統(tǒng)、可同步抑制多項(xiàng)熱誤差等優(yōu)勢。熱態(tài)特性主動控制方法的研究將在一定程度上降低精密加工對恒溫環(huán)境的依賴性，對我國加工裝備設(shè)計(jì)/制造水平的提升及精密加工成本的降低均具有重要的理論意義和工程價值。

圖4 精密臥式加工中心溫度場閉環(huán)主動控制試驗(yàn)平臺Fig.4 Platform of closed actvie control for temperature field of precision horizontal machine tool

6 切削動力學(xué)建模與仿真

在實(shí)際切削過程中，自激振動（顫振）對加工系統(tǒng)的影響很大。切削顫振形成的原因比較復(fù)雜，自 1950年 代 后 期 Tobias[66]、Koenigsberger[67]等開創(chuàng)性地進(jìn)行機(jī)床再生型顫振研究以來，諸多學(xué)者對切削顫振機(jī)理、數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)定性求解、顫振抑制等問題開展了持續(xù)研究，提出了多種切削顫振理論。Merritt[68]基于反饋控制理論提出了基于再生型顫振效應(yīng)的穩(wěn)定性葉瓣圖。隨后，諸多學(xué)者通過對切削過程進(jìn)行動力學(xué)建模，提出了不同的穩(wěn)定性求解方法，其中具有代表性的有直接數(shù)值求解法、零階近似頻域法、時域半離散法、時域全離散法以及試驗(yàn)法等[69-73]。結(jié)合不同的穩(wěn)定性求解方法，繪制的穩(wěn)定葉瓣圖對于切削參數(shù)優(yōu)選和提高加工效率具有指導(dǎo)意義。目前，切削穩(wěn)定性求解算法依然是切削顫振領(lǐng)域內(nèi)的一個熱點(diǎn)問題和具有代表性的研究方向。

近年來，依據(jù)用戶需求，考慮切削工藝的機(jī)床整機(jī)設(shè)計(jì)方法，即機(jī)床設(shè)計(jì)-加工的集成設(shè)計(jì)方法逐漸盛行。該方法由Mohit[74]以及Zulaika[75]等相繼提出，其核心思想為：將切削穩(wěn)定性與機(jī)床機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床設(shè)計(jì)與加工的統(tǒng)一，現(xiàn)已形成一個全新的機(jī)床設(shè)計(jì)理念。天津大學(xué)以精密臥式加工中心為研究對象，結(jié)合實(shí)際切削工藝要求，對機(jī)床整個工作空間位置的銑削穩(wěn)定性進(jìn)行了快速評估，從而為機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了理論和方法基礎(chǔ)[76]，如圖5所示。在未來的一段時期內(nèi)，機(jī)床設(shè)計(jì)-加工的集成設(shè)計(jì)方法將引領(lǐng)機(jī)床設(shè)計(jì)及綠色制造的潮流，具有巨大研究潛力和社會價值。

7 主軸單元設(shè)計(jì)技術(shù)

高速精密主軸是精密臥式加工中心的核心功能部件，其靜、動態(tài)特性對整機(jī)的影響至關(guān)重要，因此主軸的靜、動態(tài)設(shè)計(jì)是主軸研發(fā)過程中的一個重要環(huán)節(jié)[77]。主軸的跨距、軸承配組形式和預(yù)緊力是對主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)特性優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要因素。主軸的動態(tài)特性優(yōu)化設(shè)計(jì)是實(shí)物建模、物理建模、測試驗(yàn)證、模型優(yōu)化等的反復(fù)擬合過程，應(yīng)該貫穿設(shè)計(jì)的每一個階段，而不是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最后驗(yàn)證[78]。

主軸轉(zhuǎn)子支撐技術(shù)是高速精密主軸系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。主軸的支撐必須滿足高速、高回轉(zhuǎn)精度和高剛度的要求。目前，國內(nèi)外高速精密主軸所采用的軸承有滾動軸承、液體滑動軸承、氣體軸承和磁懸浮軸承。相對于液體滑動軸承和氣體軸承，角接觸球軸承具有低成本、較高的剛度和精度，且能同時承受軸向和徑向載荷的優(yōu)點(diǎn)，因此仍然是大多數(shù)高速主軸制造商的首選。然而，角接觸球軸承的剛度隨著承受的載荷和轉(zhuǎn)速呈非線性變化，為了提高軸承的剛度、旋轉(zhuǎn)精度及使用壽命等，主軸軸承組需要進(jìn)行適量的預(yù)緊[79]。對于高速精密主軸中的角接觸球軸承，徑向預(yù)緊和軸向預(yù)緊同時存在，軸承內(nèi)圈與主軸轉(zhuǎn)子之間的過盈配合以及工況下軸承內(nèi)外圈的溫差會使軸承產(chǎn)生一定程度的徑向預(yù)緊。對于軸向預(yù)緊，可以根據(jù)主軸的工況條件采用定位預(yù)緊、定壓預(yù)緊和非均勻預(yù)緊方式[80]。主軸的性能由主軸所執(zhí)行的加工工藝決定，并且軸承的預(yù)緊力受工作溫度的影響顯著，機(jī)床主軸在進(jìn)行高速切削時，在高速效應(yīng)和切削載荷的作用下，軸承及主軸轉(zhuǎn)子的動態(tài)特性、熱態(tài)特性相對靜止?fàn)顟B(tài)會發(fā)生改變，軸承的動態(tài)支撐剛度由離心力軟化效應(yīng)和熱誘導(dǎo)預(yù)緊力硬化效應(yīng)聯(lián)合作用決定[81-82]，故傳統(tǒng)的定位預(yù)緊和定壓預(yù)緊難以滿足精密臥式加工中心的要求。為保證主軸在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的動態(tài)、熱態(tài)特性全局兼優(yōu)，主軸軸承預(yù)緊力的在線監(jiān)測與智能控制顯得尤為重要。

目前，國內(nèi)對主軸預(yù)緊力在線監(jiān)測與智能控制已有一些初步研究，主要體現(xiàn)在主軸預(yù)緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和最佳預(yù)緊力的判定或計(jì)算[83-85]。如何通過定量化的方法確定主軸在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的動態(tài)、熱態(tài)特性全局兼優(yōu)的最佳預(yù)緊力，并綜合考慮主軸的動態(tài)特性和熱態(tài)特性對預(yù)緊力實(shí)施智能控制以及主軸預(yù)緊力智能控制算法，目前還缺乏系統(tǒng)研究。同時開發(fā)主軸預(yù)緊力評估系統(tǒng)，對于高速精密主軸的高質(zhì)量裝配具有重要的指導(dǎo)意義。

圖5 基于響應(yīng)面模型的機(jī)床空間銑削穩(wěn)定性快速評估方法Fig.5 Rapid evaluation method of position-dependent milling stability of machine tool based on response surface model

結(jié)束語

本文綜述了精密臥式加工中心正向設(shè)計(jì)方法與數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件、幾何精度設(shè)計(jì)、靜剛度設(shè)計(jì)、整機(jī)阻尼設(shè)計(jì)、熱平衡設(shè)計(jì)與溫度場主動控制、切削動力學(xué)建模與仿真、主軸單元設(shè)計(jì)技術(shù)等方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，探討了相關(guān)領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢。其中部分研究方法和成果具有通用性，亦適用于其他高檔數(shù)控機(jī)床的正向設(shè)計(jì)。對于更加廣泛的精密機(jī)床而言，從用戶需求開始的正向設(shè)計(jì)理念和方法，提高精度和精度穩(wěn)定性的方法和技術(shù)，智能機(jī)床與智能制造技術(shù)等有望成為未來的主要發(fā)展趨勢。

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