數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特征與性能優(yōu)化策略研究

山紅偉

【摘 要】21世紀(jì)人類逐漸步入高科技信息時(shí)代，工業(yè)進(jìn)程不斷加快，機(jī)械制造作為工業(yè)領(lǐng)域中重要的組成部分，其生產(chǎn)技術(shù)也在不斷更新進(jìn)步中。數(shù)控機(jī)床是機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)中一項(xiàng)裝有數(shù)字程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床，主要由加工程序載體、數(shù)控裝置、機(jī)床主體以及其他輔助功能設(shè)備組成。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人類對(duì)數(shù)控機(jī)床技術(shù)及其性能也提出了更高的要求，數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特征逐漸向智能化、自動(dòng)化、高速化、復(fù)合化、高精度化、并聯(lián)化以及網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。本文闡述數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特征，并針對(duì)其性能優(yōu)化提出有價(jià)值的參考建議。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控機(jī)床；結(jié)構(gòu)特征；性能優(yōu)化

0 引言

數(shù)控機(jī)床技術(shù)首次出現(xiàn)于20世紀(jì)五六十年代，它的出現(xiàn)加速了機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，并大大提升了社會(huì)總體生產(chǎn)效率。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的趨勢(shì)下，機(jī)械制造領(lǐng)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(jī)床的功能性和結(jié)構(gòu)性有了更嚴(yán)格、更高端的要求，人們迫切需要一種集高速化、智能化、復(fù)合化、高精度化、網(wǎng)絡(luò)化為一體的數(shù)控機(jī)床[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，使數(shù)控機(jī)床的多功能性成為可能，從而也擴(kuò)大數(shù)控機(jī)床在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。本文主要針對(duì)當(dāng)前的數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，并提出優(yōu)化數(shù)控機(jī)床性能的策略。

1 數(shù)控機(jī)床概述

數(shù)控機(jī)床是一種裝載數(shù)字控制程序的機(jī)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(hào)指令，將編碼用數(shù)字的形式代替，再通過信息處理設(shè)備輸入數(shù)控裝置，并在數(shù)控裝置的運(yùn)算和處理后對(duì)機(jī)床的各個(gè)子部件發(fā)送控制信號(hào)，指導(dǎo)整個(gè)機(jī)床的運(yùn)作，并根據(jù)要求和尺寸自動(dòng)將零件加工出來。數(shù)控機(jī)床能夠有效完成一些品種多樣、結(jié)構(gòu)緊密復(fù)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(jī)床主要由加工程序載體、數(shù)據(jù)控制裝置、機(jī)床主體以及其他輔助功能設(shè)備組成。數(shù)控機(jī)床綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、電氣自動(dòng)化技術(shù)、傳感器技術(shù)等最新技術(shù)成果，在機(jī)械制造和加工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。數(shù)控機(jī)床是由美國(guó)著名發(fā)明家約翰？帕森斯于20世紀(jì)中葉發(fā)明的，在計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子通信技術(shù)的推動(dòng)下，數(shù)控機(jī)床逐漸進(jìn)入數(shù)字化智能控制時(shí)代[2]。數(shù)控技術(shù)是衡量機(jī)械制造生產(chǎn)水平的重要標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是衡量國(guó)家生產(chǎn)水平和綜合國(guó)力的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)控技術(shù)逐漸滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。因此，數(shù)控機(jī)床具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

2 數(shù)控技術(shù)發(fā)展方向

2.1 全方位智能化

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)數(shù)控機(jī)床中程序自動(dòng)化、控制智能化有了更高的要求。具體表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

第一，加工過程控制智能化。數(shù)控機(jī)床通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加工系統(tǒng)中的主軸、進(jìn)給電機(jī)功率、電流、電壓等信息，再通過智能算法識(shí)別刀具的受力、磨損狀況以及機(jī)床運(yùn)行的穩(wěn)定性，從而及時(shí)調(diào)整加工過程中的各項(xiàng)參數(shù)。

第二，故障智能診斷和修復(fù)[3]。數(shù)控機(jī)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(fù)故障的方法。

2.2 配件高精度化

為了提高數(shù)控機(jī)床運(yùn)行的穩(wěn)定性和精確性，機(jī)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(jī)床的精度要求逐漸擴(kuò)展到運(yùn)行、熱變形、抗振等方面。以CNC系統(tǒng)控制精度為例，數(shù)控機(jī)床的精度控制采用當(dāng)前最先進(jìn)的高速差補(bǔ)技術(shù)，通過微小數(shù)控程序?qū)崿F(xiàn)控制，逐步細(xì)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(cè)和元件測(cè)量的精度。此外流行于國(guó)際上的網(wǎng)格解碼檢查技術(shù)在提升數(shù)控機(jī)床加工中心的運(yùn)行軌跡精度方面具有顯著效果，它通過三維仿真預(yù)測(cè)數(shù)控機(jī)床的加工精度，幫助數(shù)控機(jī)床在不同加工條件下實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格、不同類別的加工任務(wù)[4]。

2.3 功能復(fù)合人性化

功能復(fù)合人性化是今后數(shù)控機(jī)床未來發(fā)展的趨勢(shì)，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)人性化操作的主要體現(xiàn)。功能復(fù)合化數(shù)控機(jī)床是指在一臺(tái)機(jī)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(jī)床的功能復(fù)合化的實(shí)現(xiàn)形式可以分為工序復(fù)合型以及工藝復(fù)合型。前者是將生產(chǎn)工序整合在一臺(tái)機(jī)床上，比如雙主軸車削中心；后者是將產(chǎn)品生產(chǎn)的各個(gè)工藝技術(shù)整合在一臺(tái)機(jī)床上，比如銑鏜鉆車復(fù)合——復(fù)合加工中心。功能復(fù)合化的數(shù)控機(jī)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(shí)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(fù)合化的數(shù)控機(jī)床能夠減少人工操作的工序，解放勞動(dòng)力，提高生產(chǎn)效率，因此功能復(fù)合化的數(shù)控機(jī)床也是一種遵循“人性化”的發(fā)展方向。

2.4 運(yùn)行高速化

現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床運(yùn)用了伺服傳動(dòng)系統(tǒng)以及無級(jí)變速主軸，大大提升了數(shù)控機(jī)床各個(gè)部件的自動(dòng)化水平，提升了數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行過程中的傳動(dòng)性能。通過縮短傳輸鏈來達(dá)到簡(jiǎn)化數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的目的。由于數(shù)控機(jī)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(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)全方位的并聯(lián)和貫通。而伺服傳動(dòng)系統(tǒng)是一種自動(dòng)化服務(wù)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(xiàng)輔助服務(wù)，能夠調(diào)整主軸轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)主軸自主變速運(yùn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床的全面自動(dòng)化還體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)布局方面，進(jìn)給變速箱和主軸箱的整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，減少了連接軸承和齒輪的數(shù)量，縮短了電動(dòng)機(jī)與主軸、滾珠絲杠的連接距離，從而提升了機(jī)械運(yùn)行的速度。

2.5 驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化

驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化是指在數(shù)控機(jī)床的主軸與機(jī)座之間配置多桿并聯(lián)聯(lián)接機(jī)，數(shù)控裝置只要控制中間桿系中桿的長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)整個(gè)平臺(tái)的自由運(yùn)行。并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)解決了以往機(jī)床串聯(lián)移動(dòng)部件質(zhì)量大的問題，同時(shí)提高了系統(tǒng)的剛度、擴(kuò)大了刀具運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的進(jìn)給范圍，提升了整個(gè)機(jī)床的作業(yè)自由度，增加了加工設(shè)備的靈活性和機(jī)動(dòng)性。并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)機(jī)的運(yùn)用，使數(shù)控機(jī)床更能滿足多種型號(hào)、種類復(fù)雜的零件加工要求，且并聯(lián)機(jī)自身智能化程度高、運(yùn)行速率快，成為提升數(shù)控機(jī)床整體生產(chǎn)加工速度的新型結(jié)構(gòu)。而在國(guó)際數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)制造領(lǐng)域，并聯(lián)機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備是提升數(shù)控機(jī)床性能的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也是數(shù)控研究行業(yè)的重點(diǎn)研究方向，未來的數(shù)控機(jī)床中的并聯(lián)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的更新進(jìn)步將是一大發(fā)展趨勢(shì)。

2.6 信息互動(dòng)網(wǎng)絡(luò)化

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)高速發(fā)達(dá)的時(shí)代，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能是未來數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向。數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)信息互動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)化能夠讓各項(xiàng)信息在制造業(yè)各個(gè)部門、各個(gè)車間之間流通，而通過網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)上傳和數(shù)據(jù)共享功能，又能夠?qū)?shù)控機(jī)床的加工運(yùn)行過程進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和在線監(jiān)督，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化操控，能夠有效完成對(duì)數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程故障診斷和故障修復(fù)工作。比如我國(guó)新一代的數(shù)控加工中心配置了一個(gè)信息塔，它的主要構(gòu)件是攝像頭、計(jì)算機(jī)、手機(jī)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(jī)床的性能優(yōu)化策略

3.1 科學(xué)布局機(jī)械各機(jī)構(gòu)

要提升數(shù)控機(jī)床的整體性能必須要從機(jī)床的各個(gè)部件的配置和布局方面著手， 合理布局各個(gè)子系統(tǒng)和零部件，盡量簡(jiǎn)化機(jī)械的結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)數(shù)控機(jī)床布局的合理控制，從而提高整個(gè)機(jī)床的剛性度，提升機(jī)床運(yùn)行的受力水平，維護(hù)機(jī)床的熱穩(wěn)定系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的科學(xué)管理。

3.2 提高各零部件的剛度和韌性

數(shù)控機(jī)床的的零部件剛度關(guān)系到整個(gè)機(jī)床運(yùn)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(guān)參數(shù)決定。要想提升各個(gè)零部件的剛度和韌性，可以從以下幾個(gè)方面著手：第一，科學(xué)合理地布局機(jī)床內(nèi)部各個(gè)零部件的結(jié)構(gòu)，盡量減少零部件因負(fù)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(xué)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(gè)零部件，縮短傳送鏈的長(zhǎng)度，提升機(jī)械運(yùn)行的速度。

3.3 避免熱變形產(chǎn)生

像一些低能耗的運(yùn)行配件（主軸電動(dòng)機(jī)、變量泵等）可以減少其熱量的產(chǎn)生，同時(shí)一些高能耗的運(yùn)行配件（傳動(dòng)齒輪、傳送鏈、傳動(dòng)軸）可盡量減少，減少摩擦后熱量自然降低。此外對(duì)一些易于發(fā)熱的部件可以進(jìn)行適當(dāng)?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(jī)械的抗振性能

數(shù)控機(jī)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(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，這嚴(yán)重影響整個(gè)機(jī)床的運(yùn)行效率，還增加了機(jī)床的噪音。為了減少旋轉(zhuǎn)部件的振動(dòng)，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(dòng)部件之間的空隙，削弱機(jī)床運(yùn)行的應(yīng)激振動(dòng)力，然后將機(jī)床的各個(gè)旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)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(jī)械的抗振性能可以通過在機(jī)床各個(gè)部件中添加阻尼材料，削弱振動(dòng)力量。

4 結(jié)束語

總而言之，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的前提下，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)逐漸實(shí)現(xiàn)全方位自動(dòng)化、配件高精度化、功能復(fù)合化、運(yùn)行高速化、驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化以及信息互動(dòng)網(wǎng)絡(luò)化。中國(guó)在進(jìn)入改革開放時(shí)代以后，機(jī)械制造業(yè)發(fā)展迅猛，但是難以改變以勞動(dòng)力、資源、價(jià)格等為主市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的局面，在產(chǎn)品技術(shù)方面缺乏自主開發(fā)和自主創(chuàng)新的能力。數(shù)控機(jī)床作為衡量制造業(yè)生產(chǎn)水平的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，其重要性不言而喻。我國(guó)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(jī)床著手，早日實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床從低端到高端、從初級(jí)產(chǎn)品制造到高級(jí)產(chǎn)品制造的轉(zhuǎn)變，不斷提高數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的性能，從而為促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

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[責(zé)任編輯：許麗]