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[摘 要]在经济发展的过程中，高速加工技术也得到了极大的发展，高速加工技术发展的同时，对机床结构件的轻量化要求也在逐渐的提升。为了能够满足现今高速加工技术发展的需求，我国各相关单位开始对机床结构件轻量化进行创新设计，从而更好的提高加工的精度以及速度。本文就机床结构件的轻量化设计进行了简要的探究，仅供同行交流。
[关键词]高速加工；轻量化设计；机床结构件；结构仿生
中图分类号：P32 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）31-0380-01
1.引言
在近年来，我国的经济得到了极大的发展，这就推进了我国高速加工技术的发展，而随着高速加工技术发展进程的加快，对于结构轻量化的需求也在不断的提升。机床结构在设计的过程中，设计的主要方向就是要对移动部件进行有效的减重处理，同时也对部件的刚性进行增强，因此，这就决定了传统的机床结构已经无法满足现今社会发展的需要，需要对机床结构件进行全面的轻量化创新设计，只有这样才能够更好的推动高速加工技术的发展。
2.机床结构件传统设计中存在的问题
2.1在我国的传统机床结构件设计中，主要采用的设计方法就是结构计算方法，这种方法在实际的应用中，主要是通过公式计算的方式来对机床结构件进行合理的规划，从而使得机床结构件能够更加的符合高速加工技术发展的需求，而公式计算法在实际的应用中具有较高的难度，这就对设计者的相关专业技术掌握能力有着更高的要求，但是就我国目前的相关设计者的综合素质来说，我国的相关设计人员的整体素质还不高，其在设计的过程中难免会出现一些问题，这就使得机床结构件的设计存在质量和安全隐患。
2.2就我国机床结构件的传统设计来说，在结构件设计的过程中，多是以设计者的相关设计经验为基础，结构件的设计存在一定的个人主观观念，这样就使得结构中很容易存在一些不稳定的因素，从而使得结构件在实际的应用中，会出现严重的安全问题。而且这种问题无法有效的遏制，只能够在应用的过程中，发现问题，进而采取有效的措施进行规避。
2.3我国传统的机床结构件在设计的过程中，也进行了一定的改进，但是这种改进只是在原有结构的基础上，采用重复设计的方式来对其中的一些结构基础部件进行改进，并没有从根本上进行创新和改造，而且传统机床结构件在设计时，没有遵循相关理论的指导，在对结构件进行改进的过程中，会花费大量的人力、物力和财力，而且改进的速度也相对较慢，这对相关企业的发展有着一定的阻碍作用。
2.4我国传统的机床结构件已经无法适应现今社会发展的需求，因此，只能够进行改进，而结构仿生的轻量化设计就能够有效的弥补传统机床结构件中设计的不足，但是我国目前对于结构仿生的应用相对较少，大多都是引进较为先进的算法以及设计理论来支持机床结构件的设计，这样的设计方法虽然会在表面上起到一定的修进作用，但是无法在根本上提升机床结构件设计的精确度和质量。
3.基于结构仿生的轻量化设计
我国的机床结构件传统设计已经无法满足现今社会发展的需求，因此，需要对结构件的设计方法进行创新，而就目前来说，基于结构仿生的轻量化设计的应用能够有效的保障机床结构件设计的精确度，从而对机床结构件的实际应用起到积极的作用。
我国的自然界中，结构形式都是依据环境中的各种原材料以及物质所形成的，这样的结构形式在实际上具有较强的精炼性和高效性。尤其是一些在刚度上以及强度上具有较高性质的生物结构，将其应用到机械产品的设计中，将会提升机械产品的质量。结构仿生设计突破了传统方法的局限性，代表了机床设计与制造的发展方向。设计者已经初步进行了相关的研究工作，逐步将生物体的优良结构应用于机床结构件的设计中。
3.1 典型蜂窝结构的应用
六边形的蜂窝结构在面积相同的几何图形中是空间利用率最高的，如今许多要求高比刚度、比强度的结构设计都运用了蜂窝结构特性，在机床结构的轻量化设计中也逐步受到重视。如：大连机车车辆厂引进的某龙门加工中心，其工作台和滑枕等大铸件的内腔系蜂巢式复合排列结构，设计先进，确保工件加工精度的稳定及机床寿命，提高了结构件的比刚度。
3.2 葉脉、根系等自然分支结构的应用
在给定的载荷及支撑条件下，薄板结构的加强筋从选定的一些种子出发，遵循自适应成长规律，沿着能使结构整体刚度最大的方向成长，结果表明，该方法比现有的设计方法简单而高效。如果能够在机床的典型板类结构件采用叶脉结构可能取得轻量化的结果。
3.3 生物网状结构的应用
有研究人员对高速机床工作台进行了仿生改进的研究，并基于生物体的网状结构特性进行了仿生设计，改进了工作台底面的筋板布置，设计结果表明：仿生工作台的质量和最大变形均减小，使得比刚度显著增大，仿生工作台的5阶以下固有频率略高于原型工作台。
3.4 动物骨架及壳体类结构
动物的骨架是承载体重的优良结构，如生物力学的相关研究表明，股骨在自适应生长过程中不断塑形，最终的承载结构具有很好的刚度。另外，动物的壳体类结构虽然厚度小、质量轻，却有很大的抗载荷能力，这些对结构件的轻量化都有很大的启发。
4、基于结构仿生的高速机床工作台轻量化设计
传统的机床结构件的设计一般只进行很粗略估算，或按经验类比设计，从而造成了余量过大、材料浪费等问题，且不能保证设计方案的良好动态特性。特别是对于机床立柱、工作台等铸造件来说，传统筋板的设计形式过于单一，多采用井字型、X型、W型等。研究发现，通过改变筋板的布置形式和结构参数能够达到提高动静态特性的目的，因此利用结构仿生的思想对筋板的设计及优化进行了探讨。
本研究的仿生优化对象为直线电机驱动的高加速度工作台。优化设计方法采用了生物体结构的中空夹层结构进行工作台筋板布置的仿生设计。图1为巴西巨型马尾草（高度达3米）的中空型茎秆，通过具有横向隔膜的节点等分，B、C为节点剖面图，外部为硬质层并具有加强筋作用的向心楔状突起，内部为软组织细胞层；D、E为荷兰灯心草的节点剖面图，亦为夹层结构，中间楔状组织联接内外硬质层。生物体的这种中空、夹层轻质高强结构在机械结构的优化上有借鉴意义。因此，基于此类轻质高效结构对传统筋板的布置形式进行了改进。
由于工作台的变形区域主要集中于初级安装面，因此按照生物的构型规律将筋板更多地布置在最大变形区域附件，同时采用生物茎杆的环形夹层结构。即将传统的平行筋板布置形式改变为双圆环型，并在滑块安装面与初级安装面之间布置起加强作用的对角筋（图1）。
5.结语
机床结构轻量化是高速加工中保证加工表面质量和提高刀具耐用度的基本要求。而在研究中，采用创新的思维方式有助于实现跨越式发展，用更短的时间提高国产机床设计水平。从自然界中成熟的生物体形态，并进行分析、提炼和复制，通过结构仿生设计，将会提高资源的利用率，产生更加精炼而合理的、节约材料和能源的、具有竞争力的绿色结构。
参考文献
[1] 郭彬.高速加工中心和敏感制造系统的结构发展及设计[J].数控机床市场，2006（9）：34—35.
[2] 赵岭，陈五一，马建峰.高速机床工作台筋板的结构仿生设计[J].机械科学与技术，2008，27（7）：871—875.
[3] 丁晓红，李国杰，张志忠.生物结构自适应性的力学研究及应用[J].力学进展，2006，36（1）：103—110.
[关键词]高速加工；轻量化设计；机床结构件；结构仿生
中图分类号：P32 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）31-0380-01
1.引言
在近年来，我国的经济得到了极大的发展，这就推进了我国高速加工技术的发展，而随着高速加工技术发展进程的加快，对于结构轻量化的需求也在不断的提升。机床结构在设计的过程中，设计的主要方向就是要对移动部件进行有效的减重处理，同时也对部件的刚性进行增强，因此，这就决定了传统的机床结构已经无法满足现今社会发展的需要，需要对机床结构件进行全面的轻量化创新设计，只有这样才能够更好的推动高速加工技术的发展。
2.机床结构件传统设计中存在的问题
2.1在我国的传统机床结构件设计中，主要采用的设计方法就是结构计算方法，这种方法在实际的应用中，主要是通过公式计算的方式来对机床结构件进行合理的规划，从而使得机床结构件能够更加的符合高速加工技术发展的需求，而公式计算法在实际的应用中具有较高的难度，这就对设计者的相关专业技术掌握能力有着更高的要求，但是就我国目前的相关设计者的综合素质来说，我国的相关设计人员的整体素质还不高，其在设计的过程中难免会出现一些问题，这就使得机床结构件的设计存在质量和安全隐患。
2.2就我国机床结构件的传统设计来说，在结构件设计的过程中，多是以设计者的相关设计经验为基础，结构件的设计存在一定的个人主观观念，这样就使得结构中很容易存在一些不稳定的因素，从而使得结构件在实际的应用中，会出现严重的安全问题。而且这种问题无法有效的遏制，只能够在应用的过程中，发现问题，进而采取有效的措施进行规避。
2.3我国传统的机床结构件在设计的过程中，也进行了一定的改进，但是这种改进只是在原有结构的基础上，采用重复设计的方式来对其中的一些结构基础部件进行改进，并没有从根本上进行创新和改造，而且传统机床结构件在设计时，没有遵循相关理论的指导，在对结构件进行改进的过程中，会花费大量的人力、物力和财力，而且改进的速度也相对较慢，这对相关企业的发展有着一定的阻碍作用。
2.4我国传统的机床结构件已经无法适应现今社会发展的需求，因此，只能够进行改进，而结构仿生的轻量化设计就能够有效的弥补传统机床结构件中设计的不足，但是我国目前对于结构仿生的应用相对较少，大多都是引进较为先进的算法以及设计理论来支持机床结构件的设计，这样的设计方法虽然会在表面上起到一定的修进作用，但是无法在根本上提升机床结构件设计的精确度和质量。
3.基于结构仿生的轻量化设计
我国的机床结构件传统设计已经无法满足现今社会发展的需求，因此，需要对结构件的设计方法进行创新，而就目前来说，基于结构仿生的轻量化设计的应用能够有效的保障机床结构件设计的精确度，从而对机床结构件的实际应用起到积极的作用。
我国的自然界中，结构形式都是依据环境中的各种原材料以及物质所形成的，这样的结构形式在实际上具有较强的精炼性和高效性。尤其是一些在刚度上以及强度上具有较高性质的生物结构，将其应用到机械产品的设计中，将会提升机械产品的质量。结构仿生设计突破了传统方法的局限性，代表了机床设计与制造的发展方向。设计者已经初步进行了相关的研究工作，逐步将生物体的优良结构应用于机床结构件的设计中。
3.1 典型蜂窝结构的应用
六边形的蜂窝结构在面积相同的几何图形中是空间利用率最高的，如今许多要求高比刚度、比强度的结构设计都运用了蜂窝结构特性，在机床结构的轻量化设计中也逐步受到重视。如：大连机车车辆厂引进的某龙门加工中心，其工作台和滑枕等大铸件的内腔系蜂巢式复合排列结构，设计先进，确保工件加工精度的稳定及机床寿命，提高了结构件的比刚度。
3.2 葉脉、根系等自然分支结构的应用
在给定的载荷及支撑条件下，薄板结构的加强筋从选定的一些种子出发，遵循自适应成长规律，沿着能使结构整体刚度最大的方向成长，结果表明，该方法比现有的设计方法简单而高效。如果能够在机床的典型板类结构件采用叶脉结构可能取得轻量化的结果。
3.3 生物网状结构的应用
有研究人员对高速机床工作台进行了仿生改进的研究，并基于生物体的网状结构特性进行了仿生设计，改进了工作台底面的筋板布置，设计结果表明：仿生工作台的质量和最大变形均减小，使得比刚度显著增大，仿生工作台的5阶以下固有频率略高于原型工作台。
3.4 动物骨架及壳体类结构
动物的骨架是承载体重的优良结构，如生物力学的相关研究表明，股骨在自适应生长过程中不断塑形，最终的承载结构具有很好的刚度。另外，动物的壳体类结构虽然厚度小、质量轻，却有很大的抗载荷能力，这些对结构件的轻量化都有很大的启发。
4、基于结构仿生的高速机床工作台轻量化设计
传统的机床结构件的设计一般只进行很粗略估算，或按经验类比设计，从而造成了余量过大、材料浪费等问题，且不能保证设计方案的良好动态特性。特别是对于机床立柱、工作台等铸造件来说，传统筋板的设计形式过于单一，多采用井字型、X型、W型等。研究发现，通过改变筋板的布置形式和结构参数能够达到提高动静态特性的目的，因此利用结构仿生的思想对筋板的设计及优化进行了探讨。
本研究的仿生优化对象为直线电机驱动的高加速度工作台。优化设计方法采用了生物体结构的中空夹层结构进行工作台筋板布置的仿生设计。图1为巴西巨型马尾草（高度达3米）的中空型茎秆，通过具有横向隔膜的节点等分，B、C为节点剖面图，外部为硬质层并具有加强筋作用的向心楔状突起，内部为软组织细胞层；D、E为荷兰灯心草的节点剖面图，亦为夹层结构，中间楔状组织联接内外硬质层。生物体的这种中空、夹层轻质高强结构在机械结构的优化上有借鉴意义。因此，基于此类轻质高效结构对传统筋板的布置形式进行了改进。
由于工作台的变形区域主要集中于初级安装面，因此按照生物的构型规律将筋板更多地布置在最大变形区域附件，同时采用生物茎杆的环形夹层结构。即将传统的平行筋板布置形式改变为双圆环型，并在滑块安装面与初级安装面之间布置起加强作用的对角筋（图1）。
5.结语
机床结构轻量化是高速加工中保证加工表面质量和提高刀具耐用度的基本要求。而在研究中，采用创新的思维方式有助于实现跨越式发展，用更短的时间提高国产机床设计水平。从自然界中成熟的生物体形态，并进行分析、提炼和复制，通过结构仿生设计，将会提高资源的利用率，产生更加精炼而合理的、节约材料和能源的、具有竞争力的绿色结构。
参考文献
[1] 郭彬.高速加工中心和敏感制造系统的结构发展及设计[J].数控机床市场，2006（9）：34—35.
[2] 赵岭，陈五一，马建峰.高速机床工作台筋板的结构仿生设计[J].机械科学与技术，2008，27（7）：871—875.
[3] 丁晓红，李国杰，张志忠.生物结构自适应性的力学研究及应用[J].力学进展，2006，36（1）：103—110.