安紅衛(wèi)

摘要：只有有效地優(yōu)化數(shù)控機床內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)才能夠更好地提升設(shè)計機床的效率，實際也可以更好地改進(jìn)機床自身的質(zhì)量。通過在實踐中有效地優(yōu)化關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)才能夠更好地改善設(shè)計的質(zhì)量，最終才能夠更好地提升機床本身的動態(tài)性能。本文重點分析數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造技術(shù)，以更好地達(dá)到理想的效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床;機械結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計;制造技術(shù)

0? 引言

廣大設(shè)計師只有更好地通過創(chuàng)新思維來提升設(shè)計制造的技術(shù)才能夠更好地優(yōu)化數(shù)控機床內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，為的是更好地增強數(shù)控機床的開發(fā)能力。因此，只有在實踐中有效地掌握與數(shù)控機床設(shè)計有關(guān)的原則才能夠更好地提升數(shù)控機床設(shè)計的效率。

1? 數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)概述

1.1 數(shù)控機床的概念

數(shù)控機床又被稱為數(shù)字控制機床，是一種直接裝有程序的自動化的機床。多數(shù)數(shù)控機械內(nèi)部的機械可以在第一時間更為高效地處理相關(guān)編碼合符號程序，并配合用代碼來處理相關(guān)的數(shù)字，最終更需要借助信息載體來控制整個數(shù)控裝置[1]。在經(jīng)過計算之后，多數(shù)數(shù)控裝置的內(nèi)部可以發(fā)出不同類型的控制信號，并按照不同圖形的形狀和要求來直接加工零件。

多數(shù)數(shù)控機床不僅可以更好地解決包括較為復(fù)雜、批量較小和其他不同的問題，而且還屬于一種柔性化技術(shù)，多數(shù)數(shù)控機床不僅代表著現(xiàn)代化機床的一種控制方向，更是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。

1.2 數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的特點

1.2.1 具有較高的柔性

數(shù)控機床內(nèi)部的加工零件實際和普通機床有著直接的不同，甚至不需要直接借助更多的程序就可以更好地調(diào)整整個機床。因此，更多的數(shù)控機床都可以被用來加工不同類型的零件，更可以被應(yīng)用于開發(fā)產(chǎn)品的過程中，實踐中不僅可以直接縮短生產(chǎn)的周期，更可以直接降低生產(chǎn)的成本。

1.2.2 加工精度較高

多數(shù)數(shù)控機床的實際精度可以達(dá)到0.05-0.1mm，實踐中可以借助不同的數(shù)字信號形式來直接輸出不同的脈沖信號。多數(shù)數(shù)控機床內(nèi)部的數(shù)控裝置都可以用來控制機床傳動鏈的間隙和絲桿螺之間存在的平均誤差，所以從實踐看更多數(shù)控機床的實際加工精度顯得較高。

1.2.3 實際質(zhì)量較為穩(wěn)定和可靠

如果可以運用合適的數(shù)控機床來直接加工零件，所涉及的工具、程序和工具的走向也是完全一樣的，最終數(shù)控機床所生產(chǎn)出來的零件的質(zhì)量顯得較為穩(wěn)定。

1.2.4 生產(chǎn)效率較高

通過使用數(shù)控機床可以更好地減少加工零件的時間，并讓數(shù)控機床在最大范圍內(nèi)進(jìn)行強力切削。目前已經(jīng)進(jìn)入了經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時代，多數(shù)存在于數(shù)控機床內(nèi)部的部件可以在較短的時間內(nèi)更好地提升生產(chǎn)效率。如果能夠讓加工中心內(nèi)部的刀具更好地相互配合，自然就可以實現(xiàn)在同一道工序中連續(xù)加工，并在減少產(chǎn)品周轉(zhuǎn)時間的基礎(chǔ)上更好地提升生產(chǎn)的效率。

1.2.5 充分借助現(xiàn)代化管理

在運用數(shù)控機床進(jìn)行加工時，專業(yè)人員可以先有效地估計加工的時間，并在充分使用刀具和夾具的基礎(chǔ)上更好地實現(xiàn)現(xiàn)代化管理。這種現(xiàn)代化管理的方式實際一直都在數(shù)控機床使用的過程中發(fā)揮重要角色。

1.3 數(shù)控機床主要機械構(gòu)造

常規(guī)的數(shù)控機床構(gòu)造重點是由如下幾個部分組成的：

1.3.1 加工程序載體

多數(shù)數(shù)控機床不需要讓工人直接參與在內(nèi)就可以實現(xiàn)高效工作，實際更需要將不同類型的編程程序更好地融入數(shù)控機床加工的過程中?？梢越柚欢ǖ母袷胶痛a將不同的加工程序存儲在同一程序載體內(nèi)部[2]。包括穿孔紙帶、軟磁盤和其他不同的內(nèi)容都可以借助數(shù)控機床來更好地發(fā)揮實際作用。

1.3.2 數(shù)控裝置

所有數(shù)控裝置都是機床內(nèi)部的核心內(nèi)容，現(xiàn)代的數(shù)控機床主要可以配合CNC來更好地發(fā)揮實際作用。這種常見的CNC裝置往往可以在將多個微型處理器集中在一起的基礎(chǔ)上，再通過運用程序化的軟件來更好地控制功能，所以這一類裝置又被稱為軟件數(shù)控。多數(shù)數(shù)控機床內(nèi)部的裝置主要是由輸入設(shè)備、處理設(shè)備和輸出設(shè)備組成，這些不同的部分都會讓整個系統(tǒng)更好地發(fā)揮實際作用。

1.3.3 伺服與測量反饋系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)實際也是數(shù)控機床中非常重要的組成部分，重點是用來實現(xiàn)數(shù)控機床的控制過程。更多伺服系統(tǒng)本質(zhì)的作用就是將來自不同裝置中的指令信息在較短的時間內(nèi)放大，并在借助整形處理之后來直接轉(zhuǎn)換機床執(zhí)行的部件。伺服和測量反饋系統(tǒng)可以在比較實際不同指令的基礎(chǔ)上來讓伺服系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)定值達(dá)到所需的位移量。

1.3.4 數(shù)控機床輔助裝置

數(shù)控機床內(nèi)部的輔助裝置是為了發(fā)揮機床功能的必要裝置。數(shù)控機床內(nèi)部常用的輔助裝置主要是由液壓裝置、冷卻裝置、潤滑裝置和其他不同類型的裝置構(gòu)成。

數(shù)控機床是一種內(nèi)部裝有程序的自動化機床，更多的人可以在分析已經(jīng)編好的程序的基礎(chǔ)上讓機床高效地加工零件。多數(shù)存在于數(shù)控機床中的零件主要是由接近開關(guān)、溫度傳感器、電流傳感器、壓力傳感器和其他不同類型的傳感器組成的，實踐中主要是用來檢測不同的直線位移、角度位移、壓力和速度等不同的內(nèi)容。

2? 數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造技術(shù)優(yōu)化的措施

2.1 設(shè)計較為輕型化的結(jié)構(gòu)

在優(yōu)化數(shù)控機床設(shè)計的過程中注意讓整個機床能夠更好地達(dá)到動態(tài)和靜態(tài)的性能指標(biāo)，使得機床內(nèi)部的部件盡可能朝著輕型的方向發(fā)展。傳統(tǒng)數(shù)控機床設(shè)計的觀念下，機床的剛度越大越能夠發(fā)揮較大的作用，但是這樣一種觀念早就落伍了。如果能夠讓數(shù)控機床內(nèi)部構(gòu)造的剛度朝著更輕的方向發(fā)展，一方面可以減少驅(qū)動的功率，更可以有效地減少材料的使用量。

傳統(tǒng)背景下，多數(shù)制造商會選擇不斷地加大數(shù)控機床內(nèi)部材料的厚度，而數(shù)控機床結(jié)構(gòu)的壁厚和質(zhì)量呈現(xiàn)出一種立方關(guān)系，但是壁厚和剛度卻呈現(xiàn)出一種線性關(guān)系，而內(nèi)部存在的剛度質(zhì)量比實際也會發(fā)揮重要的作用。但是隨著數(shù)控機床內(nèi)部的壁厚不斷地增加，其機床內(nèi)部結(jié)構(gòu)的剛度其實也會不斷地降低。

因此，專業(yè)人員在設(shè)計數(shù)控機床時一定要準(zhǔn)確合理地設(shè)計整個數(shù)控機床的主要形狀，并讓其朝著輕型化的方向發(fā)展。圖1顯示了常規(guī)數(shù)控機床的主要結(jié)構(gòu)，多數(shù)數(shù)控機床都是一種較為扁平的結(jié)構(gòu)，在布置筋板的過程中需要重點考慮其整體結(jié)構(gòu)是否會產(chǎn)生變形的情況，并通過多選擇米字型的筋板來更好地預(yù)防產(chǎn)生變形的現(xiàn)象。

多數(shù)與數(shù)控機床有關(guān)的固有頻率計算公式為w=k/m，其中m表示數(shù)控機床本身的質(zhì)量，k則表示的是數(shù)控機床自身的剛度。從這樣一個式子中可以明顯看出如果數(shù)控機床的零件和結(jié)構(gòu)能夠相互匹配，其固有的頻率將會隨著質(zhì)量的變大而不斷地減少，必要時可以采用一字筋板來代替可以承受數(shù)控機床部位的材料。

2.2 對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的截面進(jìn)行優(yōu)化

多數(shù)截面優(yōu)化的方法已經(jīng)在數(shù)控機床結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在了很長一段時間，該方法實際已經(jīng)顯得非常成熟，但是這種傳統(tǒng)的方法是建立在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和幾何布局的基礎(chǔ)上的。先選擇結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的截面面積和截面厚度作為優(yōu)化設(shè)計的變量，為的是更好地提升結(jié)構(gòu)的剛度，最終再選擇最合適的參數(shù)來作為優(yōu)化設(shè)計時的重要目標(biāo)。

在實際優(yōu)化結(jié)構(gòu)內(nèi)部截面的過程中，需要采用專業(yè)的方式來直接計算約束梯度。但是在實踐中只要能夠適當(dāng)?shù)馗淖儍?nèi)部的變量就能夠更好地提升優(yōu)化的效率。在截面的優(yōu)化過程中多數(shù)是以特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的，其優(yōu)化的結(jié)果勢必會受到二者的限制，其主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖2（a）中可以看出，實踐中需要結(jié)合機床的實際情況來計算出合適的結(jié)果，其中靜態(tài)和動態(tài)的性能約束已經(jīng)達(dá)到了臨界值，但是模型內(nèi)部的尺寸中有大部分的下限還存在明顯的距離，這直接反映出多數(shù)優(yōu)化截面的方法實際更具有著一定的缺陷，只有有效地優(yōu)化整個結(jié)構(gòu)才能夠更好地解決實際存在的缺陷。從圖2（b）中的內(nèi)容來看，只有將合適的節(jié)點坐標(biāo)來看作幾何設(shè)計中的變量才能夠提升優(yōu)化設(shè)計的效率[3]。實際在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計之后，內(nèi)部尺寸的內(nèi)容會在較短的時間內(nèi)減少，其重量更會不斷地減輕。

2.3 對機床結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和仿真優(yōu)化設(shè)計

在實際設(shè)計機床時，專業(yè)的人員需要在較短的時間內(nèi)先考慮存在于機床內(nèi)部產(chǎn)品的性能，并在設(shè)計的過程中尋找設(shè)計產(chǎn)品的思路。例如，在進(jìn)行實體建模時可以先分析整個床內(nèi)部的不同要求再直接建立對應(yīng)的模型。更可以通過次要改靜力學(xué)分析、動態(tài)設(shè)計和其他分析方法來設(shè)計不同類型的機床結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)，最終才能夠使得整個機床的結(jié)構(gòu)變得更加合理。

例如，如果數(shù)控機床內(nèi)部的剛度沒有發(fā)生變化，如果體積變得更小，則可以在一定程度上更好地減輕整個機床的質(zhì)量。如果數(shù)控機床自身的體積沒有直接發(fā)生變化，卻讓其剛度達(dá)到最大化，則會在最短的時間內(nèi)防止機床出現(xiàn)變形的現(xiàn)象。而如果直接保持?jǐn)?shù)控機床的體積不變，再直接提高其內(nèi)部的固有頻率，自然就可以直接提升整體的動態(tài)性能。因此，實踐中需要通過不斷地優(yōu)化不同的設(shè)計過程才能夠保證數(shù)控機床的整體性能。

2.4 以模塊化思想為基礎(chǔ)來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新

模塊化建設(shè)實際是實現(xiàn)機床大規(guī)模設(shè)計的重要方式。所謂的模塊化就是指的先通過將不同的機床分解成不同的模塊，之后再結(jié)合實際的產(chǎn)品需求來重新組合。從機床布局來看，專業(yè)人員可以在具體分析產(chǎn)品需求的基礎(chǔ)上來實現(xiàn)高效組合。但是常規(guī)機床的模塊主要是由不同的硬件和軟件組成的，不同的模塊更有著統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化界面對其進(jìn)行支撐。因此，在實際設(shè)計機床時需要先分析不同的產(chǎn)品需求，再根據(jù)實際情況來改變機床的功能。

高模塊化的結(jié)構(gòu)不僅使得產(chǎn)品具有更高的柔性，更能夠在較短的時間內(nèi)縮短產(chǎn)品更新?lián)Q代的時間，最終不僅可以更好地滿足產(chǎn)品加工的需求，更可以將機床內(nèi)部的功能更好地結(jié)合在一起，最終讓大規(guī)模的生產(chǎn)發(fā)揮更好的作用。另外，內(nèi)部模塊化的結(jié)構(gòu)可以在第一時間引進(jìn)各類模塊的新技術(shù)，包括直線機電技術(shù)和滾動導(dǎo)軌技術(shù)都可以很好地提升模塊自身的性能，實際也可以更好地在簡化機床結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)模塊的重組。

3? 結(jié)束語

綜上所述，當(dāng)前我國的高端機床和國外先進(jìn)廠家之間確實存在著不小的差距。因此需要在實踐中通過采用各類研究方法來開展基礎(chǔ)性研究的工作，并在創(chuàng)新機床設(shè)計結(jié)構(gòu)理念的基礎(chǔ)上更好地通過運用先進(jìn)的數(shù)控機床技術(shù)來為客戶提供更加高效的服務(wù)，最終自然可以保證數(shù)控機床具有較高的性能。

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