山紅偉

【摘 要】21世紀人類逐漸步入高科技信息時代，工業(yè)進程不斷加快，機械制造作為工業(yè)領域中重要的組成部分，其生產(chǎn)技術也在不斷更新進步中。數(shù)控機床是機械制造產(chǎn)業(yè)中一項裝有數(shù)字程序控制系統(tǒng)的自動化機床，主要由加工程序載體、數(shù)控裝置、機床主體以及其他輔助功能設備組成。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人類對數(shù)控機床技術及其性能也提出了更高的要求，數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特征逐漸向智能化、自動化、高速化、復合化、高精度化、并聯(lián)化以及網(wǎng)絡化發(fā)展。本文闡述數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特征，并針對其性能優(yōu)化提出有價值的參考建議。

【關鍵詞】數(shù)控機床；結(jié)構(gòu)特征；性能優(yōu)化

0 引言

數(shù)控機床技術首次出現(xiàn)于20世紀五六十年代，它的出現(xiàn)加速了機械制造業(yè)的發(fā)展，并大大提升了社會總體生產(chǎn)效率。在經(jīng)濟快速發(fā)展的趨勢下，機械制造領域所生產(chǎn)的產(chǎn)品種類越來越豐富、產(chǎn)品功能越來越多樣化，這也給數(shù)控機床的功能性和結(jié)構(gòu)性有了更嚴格、更高端的要求，人們迫切需要一種集高速化、智能化、復合化、高精度化、網(wǎng)絡化為一體的數(shù)控機床[1]。隨著科學技術的不斷發(fā)展進步，使數(shù)控機床的多功能性成為可能，從而也擴大數(shù)控機床在工業(yè)領域的應用范圍。本文主要針對當前的數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特征進行分析，并提出優(yōu)化數(shù)控機床性能的策略。

1 數(shù)控機床概述

數(shù)控機床是一種裝載數(shù)字控制程序的機電一體化產(chǎn)品，它通過控制系統(tǒng)編輯、處理控制編碼以及各種符號指令，將編碼用數(shù)字的形式代替，再通過信息處理設備輸入數(shù)控裝置，并在數(shù)控裝置的運算和處理后對機床的各個子部件發(fā)送控制信號，指導整個機床的運作，并根據(jù)要求和尺寸自動將零件加工出來。數(shù)控機床能夠有效完成一些品種多樣、結(jié)構(gòu)緊密復雜、小批量、頻繁改型、生產(chǎn)周期短的零件加工問題。數(shù)控機床主要由加工程序載體、數(shù)據(jù)控制裝置、機床主體以及其他輔助功能設備組成。數(shù)控機床綜合運用了計算機技術、微電子技術、測量技術、電氣自動化技術、傳感器技術等最新技術成果，在機械制造和加工領域應用廣泛。數(shù)控機床是由美國著名發(fā)明家約翰？帕森斯于20世紀中葉發(fā)明的，在計算機技術和電子通信技術的推動下，數(shù)控機床逐漸進入數(shù)字化智能控制時代[2]。數(shù)控技術是衡量機械制造生產(chǎn)水平的重要標準，同時也是衡量國家生產(chǎn)水平和綜合國力的標準，數(shù)控技術逐漸滲透到國民經(jīng)濟的各個領域。因此，數(shù)控機床具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的社會經(jīng)濟效益。

2 數(shù)控技術發(fā)展方向

2.1 全方位智能化

隨著計算機技術和人工智能技術的不斷發(fā)展，人們對數(shù)控機床中程序自動化、控制智能化有了更高的要求。具體表現(xiàn)在以下兩個方面。

第一，加工過程控制智能化。數(shù)控機床通過實時監(jiān)測加工系統(tǒng)中的主軸、進給電機功率、電流、電壓等信息，再通過智能算法識別刀具的受力、磨損狀況以及機床運行的穩(wěn)定性，從而及時調(diào)整加工過程中的各項參數(shù)。

第二，故障智能診斷和修復[3]。數(shù)控機床能夠根據(jù)以往的故障信息，智能化地推斷故障發(fā)生原因及發(fā)生部位，并仿真事故發(fā)生的過程，從而找出修復故障的方法。

2.2 配件高精度化

為了提高數(shù)控機床運行的穩(wěn)定性和精確性，機床的各類配件的選擇上遵循“高科技化、高精確化”原則，轉(zhuǎn)變以往的以幾何精度為主的觀念，數(shù)控機床的精度要求逐漸擴展到運行、熱變形、抗振等方面。以CNC系統(tǒng)控制精度為例，數(shù)控機床的精度控制采用當前最先進的高速差補技術，通過微小數(shù)控程序?qū)崿F(xiàn)控制，逐步細化CNC控制單元，并采用高分辨率的傳感器裝置，提升位置檢測和元件測量的精度。此外流行于國際上的網(wǎng)格解碼檢查技術在提升數(shù)控機床加工中心的運行軌跡精度方面具有顯著效果，它通過三維仿真預測數(shù)控機床的加工精度，幫助數(shù)控機床在不同加工條件下實現(xiàn)不同規(guī)格、不同類別的加工任務[4]。

2.3 功能復合人性化

功能復合人性化是今后數(shù)控機床未來發(fā)展的趨勢，同時也是實現(xiàn)人性化操作的主要體現(xiàn)。功能復合化數(shù)控機床是指在一臺機床上能夠?qū)崿F(xiàn)多種程序、多重要素的加工，能夠?qū)崿F(xiàn)從原料到成品的多元素加工。根據(jù)數(shù)控機床的功能復合化的實現(xiàn)形式可以分為工序復合型以及工藝復合型。前者是將生產(chǎn)工序整合在一臺機床上，比如雙主軸車削中心；后者是將產(chǎn)品生產(chǎn)的各個工藝技術整合在一臺機床上，比如銑鏜鉆車復合——復合加工中心。功能復合化的數(shù)控機床能夠大大減少零部件的裝載卸載程序、縮短更換或調(diào)整刀具的時間，從而減少這些過程中產(chǎn)生的誤差，有效提升了加工精度，也成功縮減了產(chǎn)品生產(chǎn)周期。功能復合化的數(shù)控機床能夠減少人工操作的工序，解放勞動力，提高生產(chǎn)效率，因此功能復合化的數(shù)控機床也是一種遵循“人性化”的發(fā)展方向。

2.4 運行高速化

現(xiàn)在的數(shù)控機床運用了伺服傳動系統(tǒng)以及無級變速主軸，大大提升了數(shù)控機床各個部件的自動化水平，提升了數(shù)控機床在運行過程中的傳動性能。通過縮短傳輸鏈來達到簡化數(shù)控機床結(jié)構(gòu)的目的。由于數(shù)控機床是通過加工程序載體以及數(shù)控裝置發(fā)送數(shù)據(jù)代碼指令的，因此在數(shù)據(jù)傳輸和處理的速度、刀具運動速度、主軸轉(zhuǎn)速以及其他輔助裝置的配合速度方面必須實現(xiàn)全方位的并聯(lián)和貫通。而伺服傳動系統(tǒng)是一種自動化服務系統(tǒng)，能根據(jù)數(shù)控裝置給出的具體指令控制完成各項輔助服務，能夠調(diào)整主軸轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)主軸自主變速運動。數(shù)控機床的全面自動化還體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)布局方面，進給變速箱和主軸箱的整體結(jié)構(gòu)較為簡單，減少了連接軸承和齒輪的數(shù)量，縮短了電動機與主軸、滾珠絲杠的連接距離，從而提升了機械運行的速度。

2.5 驅(qū)動并聯(lián)化

驅(qū)動并聯(lián)化是指在數(shù)控機床的主軸與機座之間配置多桿并聯(lián)聯(lián)接機，數(shù)控裝置只要控制中間桿系中桿的長度來實現(xiàn)整個平臺的自由運行。并聯(lián)運動機解決了以往機床串聯(lián)移動部件質(zhì)量大的問題，同時提高了系統(tǒng)的剛度、擴大了刀具運動導軌的進給范圍，提升了整個機床的作業(yè)自由度，增加了加工設備的靈活性和機動性。并聯(lián)式驅(qū)動機的運用，使數(shù)控機床更能滿足多種型號、種類復雜的零件加工要求，且并聯(lián)機自身智能化程度高、運行速率快，成為提升數(shù)控機床整體生產(chǎn)加工速度的新型結(jié)構(gòu)。而在國際數(shù)控機床的生產(chǎn)制造領域，并聯(lián)機驅(qū)動設備是提升數(shù)控機床性能的關鍵技術，同時也是數(shù)控研究行業(yè)的重點研究方向，未來的數(shù)控機床中的并聯(lián)機驅(qū)動裝置的更新進步將是一大發(fā)展趨勢。

2.6 信息互動網(wǎng)絡化

在計算機網(wǎng)絡和通信技術高速發(fā)達的時代，實現(xiàn)數(shù)控機床的雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能是未來數(shù)控機床的發(fā)展方向。數(shù)控機床實現(xiàn)信息互動的網(wǎng)絡化能夠讓各項信息在制造業(yè)各個部門、各個車間之間流通，而通過網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)上傳和數(shù)據(jù)共享功能，又能夠?qū)?shù)控機床的加工運行過程進行遠程控制和在線監(jiān)督，同時實現(xiàn)數(shù)字化操控，能夠有效完成對數(shù)控機床的遠程故障診斷和故障修復工作。比如我國新一代的數(shù)控加工中心配置了一個信息塔，它的主要構(gòu)件是攝像頭、計算機、手機等，與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接，能夠在線傳輸聲音、圖片、視頻、文字等信息。

3 數(shù)控機床的性能優(yōu)化策略

3.1 科學布局機械各機構(gòu)

要提升數(shù)控機床的整體性能必須要從機床的各個部件的配置和布局方面著手， 合理布局各個子系統(tǒng)和零部件，盡量簡化機械的結(jié)構(gòu)，加強數(shù)控機床布局的合理控制，從而提高整個機床的剛性度，提升機床運行的受力水平，維護機床的熱穩(wěn)定系統(tǒng)，最終實現(xiàn)數(shù)控機床的科學管理。

3.2 提高各零部件的剛度和韌性

數(shù)控機床的的零部件剛度關系到整個機床運行的速率以及安全可靠性，而零部件的剛度是由零件的自身質(zhì)量、固有頻率以及阻尼等相關參數(shù)決定。要想提升各個零部件的剛度和韌性，可以從以下幾個方面著手：第一，科學合理地布局機床內(nèi)部各個零部件的結(jié)構(gòu)，盡量減少零部件因負載過度而引起彎曲或扭轉(zhuǎn)問題；第二，零部件截面體現(xiàn)高度科學性，筋板放置位置要合理，并選擇性能佳的焊接部件；第三，合理連接各個零部件，縮短傳送鏈的長度，提升機械運行的速度。

3.3 避免熱變形產(chǎn)生

像一些低能耗的運行配件（主軸電動機、變量泵等）可以減少其熱量的產(chǎn)生，同時一些高能耗的運行配件（傳動齒輪、傳送鏈、傳動軸）可盡量減少，減少摩擦后熱量自然降低。此外對一些易于發(fā)熱的部件可以進行適當?shù)睦鋮s處理，加快部件的散熱，從而避免熱變形的產(chǎn)生。

3.4 提高機械的抗振性能

數(shù)控機床中高速旋轉(zhuǎn)控件不在少數(shù)，然而這些旋轉(zhuǎn)部件在運行過程中會產(chǎn)生較大的振動，這嚴重影響整個機床的運行效率，還增加了機床的噪音。為了減少旋轉(zhuǎn)部件的振動，可以采用平衡處理法提升旋轉(zhuǎn)部件的抗振性能，通過減少傳動部件之間的空隙，削弱機床運行的應激振動力，然后將機床的各個旋轉(zhuǎn)部件的運行頻率控制在一定的頻率，提升部件的靜態(tài)剛度。此外提升機械的抗振性能可以通過在機床各個部件中添加阻尼材料，削弱振動力量。

4 結(jié)束語

總而言之，在社會經(jīng)濟和科學技術飛速發(fā)展的前提下，數(shù)控機床已經(jīng)逐漸實現(xiàn)全方位自動化、配件高精度化、功能復合化、運行高速化、驅(qū)動并聯(lián)化以及信息互動網(wǎng)絡化。中國在進入改革開放時代以后，機械制造業(yè)發(fā)展迅猛，但是難以改變以勞動力、資源、價格等為主市場競爭力的局面，在產(chǎn)品技術方面缺乏自主開發(fā)和自主創(chuàng)新的能力。數(shù)控機床作為衡量制造業(yè)生產(chǎn)水平的市場競爭力的關鍵評估標準，其重要性不言而喻。我國要想轉(zhuǎn)變生產(chǎn)制造業(yè)發(fā)展方式，必須要從革新數(shù)控機床著手，早日實現(xiàn)數(shù)控機床從低端到高端、從初級產(chǎn)品制造到高級產(chǎn)品制造的轉(zhuǎn)變，不斷提高數(shù)控機床產(chǎn)品的性能，從而為促進我國制造業(yè)發(fā)展奠定堅實的技術基礎。

【參考文獻】

[1]王叔平.淺談數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特征與性能提高策略[J].科技向?qū)В?012（26）.

[2]徐敬華.基于多域互用的數(shù)控機床模塊化配置設計[J].機械工程學報，2011（17）.

[3]王麗.有限元分析法在數(shù)控機床結(jié)構(gòu)設計分析中的應用[J].科技信息，2011（29）.

[4]盛伯浩.我國數(shù)控機床現(xiàn)況與技術發(fā)展策略[J].數(shù)控技術，2010（2）.

[責任編輯：許麗]