张 曙 张炳生 谭为民

张曙 同济大学教授、博士生导师，上海市科技功臣、全国优秀科技工作者、中国机械工程学会荣誉理事。

1 重型机床设计的共性

大型和重型机床用于加工大型零件，其共同特征是工件的重量大，可达数百吨，机床尺度大，可达数十米，切削力大，可达数千牛。这“三大”就造成大型和重型机床设计原则与中小型机床的有较大的差别。主要表现在机床结构件、导轨系统、驱动方式和加工工艺复合化4个方面。

1.1 重型机床的结构件设计

重型机床的结构件尺度大，受力大，既需要保证有足够的刚度，又不能无限制增加机床本身重量。特别是对于移动部件，更要在保证刚度的前提下轻量化，以减少功率消耗，提高机床动态性能。因此，对移动部件的结构优化，应该放在首要地位来考虑。以立柱为例，其优化原则和典型结构如图1所示。

从图中可见，实体的立柱固然具有最大的刚度，但材料耗费也最大，没有加强筋的薄壳柱体，材料最省，重量仅为实体的19%，但变形最大。设计者的任务是在两者之间选择相对刚度较大，材料用量相对较少的优化方案。图中列出不同机床厂家采取的措施：有网格形、隔板形、蜂窝或交叉形加强筋。重型机床的结构件不能仅凭经验设计，必须借助有限元分析和拓扑优化才能获得最佳的刚度重量比，保证机床良好的静态和动态性能。一个成功的加强筋案例（蓝点）材料耗费仅增加4%，而刚度却提高了350%，

1.2 导轨和驱动系统设计

重型机床不仅本身移动部件重，上百吨的工件重量不可忽视，而且工件重量不是固定不变的，这对工作台导轨系统设计提出了难题。……