史紅霞 王國棟

（山東萊克工程設(shè)計有限公司 山東省東營市 257000）

數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代科技技術(shù)發(fā)展過程中加工機械與電子信息融合的產(chǎn)物。數(shù)控技術(shù)自誕生以來被廣泛應用在我國的農(nóng)業(yè)、工業(yè)、制造業(yè)等多個領(lǐng)域，通過使用數(shù)控設(shè)備能夠有效降低人力資源成本的消耗和人為操作的失誤，同時也降低了技術(shù)工作人員在金屬加工過程中的人身安全風險，在此基礎(chǔ)上提升了企業(yè)的生產(chǎn)效率和質(zhì)量?，F(xiàn)代化機械金屬構(gòu)件加工過程，數(shù)控銑床將傳統(tǒng)機床的優(yōu)勢和數(shù)字化技術(shù)進行了融合，確保加工質(zhì)量的同時也提升了加工的效率。因此，企業(yè)更加需要注重數(shù)控銑床的機械自動化控制技術(shù)的應用和發(fā)展，從技術(shù)的角度進行合理的優(yōu)化和改良。

1 數(shù)控銑床金屬構(gòu)件加工工藝應用

1.1 平面加工

我國的工業(yè)制造業(yè)在不斷的升級和優(yōu)化，市場對金屬構(gòu)件的精細程度與性能也有了更高的要求，為對粗放加工工藝進行進一步的優(yōu)化，降低產(chǎn)品需求和產(chǎn)品性能中間的差異度，從加工技術(shù)著手對操控工藝和相關(guān)技術(shù)之間的差異性進行深度研究，強化技術(shù)的應用范圍。數(shù)控銑床在金屬構(gòu)件的加工方面，平面加工屬于較為常見的工藝，通常指的是構(gòu)件的縱向和橫向水平的加工模式，或者與水平面能夠呈現(xiàn)一定的角度的加工面。

1.2 曲面加工

金屬構(gòu)件加工中另一個較為常見的結(jié)構(gòu)是曲面結(jié)構(gòu)，曲面的結(jié)構(gòu)能夠在金屬構(gòu)件組合時提升整體的穩(wěn)定性，提升工業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量。數(shù)控銑床在對曲面結(jié)構(gòu)進行加工時主要依靠程序參數(shù)與加工參數(shù)的實時對比來確保能夠精準地進行加加工。加工過程中加工的空間主要呈曲面的運動路徑，但其路徑與直線運行的路徑并沒有較大的差異性，主要差異性是刀具的路徑，一般可以分為直紋加工和曲紋加工。

1.3 立體加工

數(shù)控銑床能夠進行多軸的聯(lián)動操作，設(shè)定不同的空間坐標，對金屬構(gòu)件進行立體的加工。數(shù)控銑床的立體加工功能可以讓金屬構(gòu)件在三個坐標點的加工軸上進行同時加工，且每一個軸體都能夠進行單獨的路徑驅(qū)動，有效避免了刀具在加工的過程中出現(xiàn)碰撞的情況。基于空間三聯(lián)動的坐標，三個軸體能夠進行同步的運行，有效實現(xiàn)了多軸向的操控，可以進行球形、半球形、空間直線穿插等金屬結(jié)構(gòu)的加工。

2 數(shù)控銑床主要零部件設(shè)計

2.1 床身設(shè)計

床身是機床的主體部分，也是整體機床的支撐部分，其功能性在于連接工作臺和支撐零件。床身通常用來放置主軸箱、連接導軌等重要的零部件。為提升數(shù)控銑床的精度、速度、效率、穩(wěn)定性、自動化程度，進行機床設(shè)計時需要考慮到床身的抗震性、剛度、熱穩(wěn)定性等相關(guān)機械性能，加深分析和研究，這樣才能夠滿足機床設(shè)計的實際需求。機床的類型各不相同，床身在結(jié)構(gòu)和形式方面也存在著差異性。廣泛應用的數(shù)控銑床的床身結(jié)構(gòu)主要采用固定立柱形式和移動立柱形式。固定立柱的形式主要針對中小型的立式或者臥式的銑床設(shè)計使用。這類銑床的床身結(jié)構(gòu)通常較小，可以采用整體結(jié)構(gòu)的形式。移動立柱形式的銑床主要可以分為整體T形和分開組裝T形這兩種床身結(jié)構(gòu)。T形的床身組成包括水平橫向的前部分和垂直的后部分兩部分。整體的T形床身具備較高的精度和剛度，但成本較高，建造過程較為復雜。分開組裝的T形床身制造過程更簡單便利，也能夠有效提升其工藝性?？梢詰迷谥写笮偷你姶苍O(shè)計當中。

2.2 立柱設(shè)計

數(shù)控銑床立柱的功能性主要為對主軸箱進行支撐和連接床身。常見的立柱形式主要由立式和臥式兩種。立式的銑床立柱主軸箱位于立柱的側(cè)面，因此采用封閉式的箱型結(jié)構(gòu)。內(nèi)部采用井字形或者米字形的助板。臥式的銑床立柱通常采用雙立柱的框架結(jié)構(gòu)，具有較強的穩(wěn)定性、剛性和熱對稱性，但其工藝性較差，不便于進行安裝和調(diào)試。本次研究主要針對加工工藝自動化，因此采用立柱橫梁組建的立式龍門機械結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強、精度更高、剛度更高且受力更均勻。

2.3 橫梁設(shè)計

前面提到的立式龍門結(jié)構(gòu)在橫梁方面的結(jié)構(gòu)形式主要包括梯形、工字形以及矩框形三種。龍門銑床的橫梁在設(shè)計方面要考慮到機床的強度和剛度，且盡量確保結(jié)構(gòu)能夠質(zhì)量更輕，綜合多方面后選擇了梯形的機床橫梁。

2.4 實體建模

近幾年，人工智能虛擬技術(shù)得到了快速的發(fā)展。計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被廣泛應用在機械制造生產(chǎn)當中。通過構(gòu)建虛擬環(huán)境和進行運動仿真，能夠極大程度降低設(shè)計的成本，縮短設(shè)計周期，提升生產(chǎn)質(zhì)量。虛擬設(shè)計中的實體建?？梢酝ㄟ^三維軟件來進行零部件和整機的3D數(shù)字建?！，F(xiàn)階段我國在機械產(chǎn)品設(shè)計中主要采用三維設(shè)計軟件用以進行產(chǎn)品外形的設(shè)計，通過運動仿真來對裝配、應力等進行分析，生成數(shù)控代碼，提升產(chǎn)品的質(zhì)量。市場上常見的三維設(shè)計軟件包括CATIA、Pro/Engineer、3D MAX、Solid Works、UG等。本次研究采用有限元軟件結(jié)合三維設(shè)計軟件對數(shù)控銑床自動控制技術(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行了分析和研究。

3 數(shù)控銑床的自動控制技術(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 自動控制系統(tǒng)故障診斷

3.1.1 故障分類

主機：自動刀具和工件的交換裝置出現(xiàn)故障、液壓系統(tǒng)故障、氣動管道系統(tǒng)故障、冷卻系統(tǒng)故障、潤滑系統(tǒng)故障；

電氣裝置：包含強電和弱電兩部分，主要為弱電故障（數(shù)字控制裝置、編程控制裝置）：硬件故障，包括顯示器、運行器、存儲器、接插件、開關(guān)；軟件故障，系統(tǒng)、參數(shù)、運算、程序；

驅(qū)動裝置：主軸驅(qū)動、進給驅(qū)動，主要故障：位置控制、速度控制、過熱報警；

位置檢測：位置檢測故障、定位超差等。

3.1.2 診斷方法

數(shù)控銑床采用自動化控制系統(tǒng)能夠在機床運行的過程中對其運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控和自動掃描，一旦出現(xiàn)故障能夠通過PLC系統(tǒng)進行自檢，確定故障原因和故障方位，反饋給顯示系統(tǒng)，協(xié)助技術(shù)人員及時解決問題。

3.2 優(yōu)化設(shè)計模型構(gòu)建

對數(shù)控銑床進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化時需要構(gòu)建優(yōu)化設(shè)計模型，通過數(shù)學來對優(yōu)化工程中復雜的問題進行描述，采用優(yōu)化算法進行尋優(yōu)能夠有效提升設(shè)計效率和效果。該模型主要包含三項要素，即設(shè)計變量、約束條件、目標函數(shù)。

3.2.1 設(shè)計變量

通過選擇適合的優(yōu)化參數(shù)來對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，這項參數(shù)的變化能夠?qū)Y(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生直接的影響。這一參數(shù)即為設(shè)計變量，通常為截面的幾何參數(shù)、薄殼類的結(jié)構(gòu)厚度、單元密度、桿系長度、幾何尺寸等。數(shù)學式為：

x=[xxx…x]

3.2.2 約束條件

優(yōu)化過程具備一定的約束條件，這也是尋優(yōu)的標準。通常這一約束條件可以分為幾何約束和性能約束兩個方面，幾何約束主要針對設(shè)計變量中的尺寸，性能約束主要針對結(jié)構(gòu)的應變、應力、體積、質(zhì)量以及固有頻率等。數(shù)學式為：

g(x)≤0 q=1,2,3…z

h(x)=0 j=1,2,3…m

式中：g(x)：等式約束；h(x)：不等式約束

3.2.3 目標函數(shù)

優(yōu)化的過程中需要篩選出最適合的方案，為區(qū)別這些方案的優(yōu)缺點，可以構(gòu)建一個或一個以上的評價函數(shù)，用以判斷方案的優(yōu)劣，這就是目標函數(shù)。數(shù)學式為：

minf(x)=f(xxx…x)

3.3 采用靈敏度分析的尺寸優(yōu)化

使用有限元軟件對數(shù)控銑床的各項尺寸進行靈敏度的測試和分析，根據(jù)分析結(jié)果選出關(guān)鍵的尺寸，通過尺寸優(yōu)化技術(shù)優(yōu)化整機的尺寸。根據(jù)不同方案得出的優(yōu)化結(jié)果，選擇最適合的方案，其流程表如圖1所示。

圖1：優(yōu)化流程圖

3.3.1 靈敏度分析

數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標是提升自動化控制系統(tǒng)的運行效率，選擇最適合的設(shè)計變量值能夠在確保性能達到約束條件的狀態(tài)下達到最優(yōu)的目標函數(shù)。設(shè)計人員通過靈敏度的分析能夠確定哪一些優(yōu)化參數(shù)能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的性能產(chǎn)生巨大的影響，能夠為結(jié)構(gòu)優(yōu)化打下良好的基礎(chǔ)。將影響力最大的參數(shù)作為設(shè)計變量的關(guān)鍵，進而進行優(yōu)化設(shè)計。這種分析法能夠有效提升優(yōu)化的效率還能夠降低計算資源的消耗。設(shè)靈敏度函數(shù)為F(x)，其計算公式為：

各項性能指標針對設(shè)計變量進行靈敏度分析的計算公式為：

A代表ω（固有頻率）的對應模態(tài)；A代表特征向量所構(gòu)建的空間組基；

3.3.2 構(gòu)建近似模型

結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中因目標函數(shù)和約束條件與設(shè)計變量之間存在著隱性的關(guān)系，設(shè)計變量的每一次改變都需要考慮到是否符合（響應）目標函數(shù)與約束條件，需要通過重啟求解器來對有限元模型進行求解，進而判斷是否符合設(shè)計要求。為提升結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效率，通過靈敏信息來將目標函數(shù)和約束條件與設(shè)計變量之間的顯性關(guān)系顯示出來，后進行方案尋優(yōu)。常規(guī)情況下，優(yōu)化模塊可以根據(jù)實際情況選擇幾個近似模型進行分析，近似模型方式包含以下幾種：

線性近似：

倒近似：

凸近似：

設(shè)：

3.3.3 尋優(yōu)的條件和收斂的準則

通過優(yōu)化模型來進行尋優(yōu)需要滿足優(yōu)化設(shè)計的相關(guān)條件，采用拉格朗日乘子法來對目標函數(shù)和約束條件進行優(yōu)化，公式為：

設(shè)定迭代后的目標函數(shù)值與上一個目標函數(shù)值之間的差值為收斂容差，以此為基礎(chǔ)來對優(yōu)化問題是否存在收斂進行判斷。優(yōu)化模塊常規(guī)的默認收斂容差值是0.5%，也可以根據(jù)用戶的實際情況來進行自定義。用戶也可以根據(jù)生產(chǎn)需求來對迭代步數(shù)進行設(shè)置，以此來控制優(yōu)化收斂條件。

3.3.4 分析結(jié)果

采用有限元軟件對數(shù)控銑床的壁厚、筋板厚度等尺寸進行性能指標靈敏度分析，篩選出關(guān)鍵的尺寸。結(jié)構(gòu)對應參數(shù)范圍見表1。

表1：參數(shù)對應表

選擇有限元軟件中的靈敏度分析卡，對結(jié)構(gòu)尺寸進行分析，可以得出靈敏度圖。如果數(shù)值在零刻度線的上方就表示對應的尺寸出現(xiàn)增加或者減小的情況其結(jié)構(gòu)的性能指標也會存在增加或者減少的情況。相反，如果數(shù)值在零刻度線以下，則會隨著尺寸的增加或者減小其結(jié)構(gòu)性能指標會存在減少或者增加的情況。

3.3.5 優(yōu)化結(jié)果分析

以銑床整機的靈敏度分析結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對整機的尺寸進行優(yōu)化，數(shù)學模型為：

設(shè)計變量：

T=TTTTTTTTTTTTT

約束條件：Freq1>45Hz；Freq2>55Hz；T=T=T

目標函數(shù)：min mass

采用尺寸優(yōu)化模塊對數(shù)學模型進行設(shè)置后進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4 結(jié)束語

我國正式進入“十四五”階段，機械制造行業(yè)在數(shù)控技術(shù)、自動化控制技術(shù)方面得到了突飛猛進的發(fā)展。通過各種類型的數(shù)控設(shè)備能夠更加高效地完成生產(chǎn)的任務，提升產(chǎn)品的質(zhì)量。數(shù)控銑床進行金屬構(gòu)件加工的過程中通過自動控制系統(tǒng)進行平面、曲面和立體的加工能夠充分體現(xiàn)出數(shù)控設(shè)備的設(shè)定與管理之間存在著差異性。企業(yè)應當加大對數(shù)控技術(shù)和程序的完善與更新，對數(shù)控銑床進行定期的檢修與維護，這樣才能夠確保高質(zhì)量與高效能地穩(wěn)定生產(chǎn)。對數(shù)控銑床進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化能夠進一步提升機械生產(chǎn)效率與效果，滿足市場需求的同時也能夠推動企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。