探討齒輪加工機(jī)床的綠色設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

摘 要：（本文原刊于煤礦開(kāi)采2014年11月）齒輪加工車(chē)床作業(yè)的重要內(nèi)容是加強(qiáng)精度管理。所以，在齒輪加工車(chē)床工作中務(wù)必提高應(yīng)對(duì)各種機(jī)床事故的能力，因此加強(qiáng)精度影響因素分析與作業(yè)人員的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)至關(guān)重要。在齒輪加工車(chē)床作業(yè)中還應(yīng)加強(qiáng)制度上的規(guī)范管理，不斷的提高車(chē)床綠色設(shè)計(jì)技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的巡視和設(shè)備維護(hù)等都是必不可少的環(huán)節(jié)。筆者結(jié)合實(shí)際，對(duì)齒輪加工車(chē)床精度的影響因素及制造技術(shù)進(jìn)行了分析，望與同行在應(yīng)用操作中以參考意義。

關(guān)鍵詞：齒輪加工車(chē)床；綠色設(shè)計(jì)評(píng)估；制造技術(shù)

1.數(shù)字控制技術(shù)在齒輪加工機(jī)床中的應(yīng)用歷程

1.1 數(shù)字控制技術(shù)概述

目前最先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)具有非常強(qiáng)大的控制功能，基于主菜單和數(shù)字控制技術(shù)的有機(jī)結(jié)合與源函數(shù)，通過(guò)智能軟件技術(shù)與微電子技術(shù)，引進(jìn)和彼此結(jié)合的多個(gè)領(lǐng)域，相互滲透，從而給新興的數(shù)字控制帶來(lái)了強(qiáng)大的生命力。但在這一過(guò)程中，也可能面臨多項(xiàng)技術(shù)的簡(jiǎn)單的、不集中的相加，這也給當(dāng)前數(shù)字控制產(chǎn)生了不少困難。研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)字控制技術(shù)在信息、計(jì)算機(jī)、齒輪加工機(jī)床、微電子技術(shù)等領(lǐng)域中可以尋求到最佳匹配。現(xiàn)在的數(shù)字控制產(chǎn)品的發(fā)展是一個(gè)系統(tǒng)，智能化和小型化，確保齒輪加工機(jī)床的數(shù)字控制技術(shù)的使用，能夠很好地滿(mǎn)足安全生產(chǎn)的要求，勞動(dòng)強(qiáng)度和最終的救援人員，有效改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約生產(chǎn)能耗的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

1.2 齒輪加工機(jī)床中數(shù)字控制產(chǎn)品

伴隨著全球資源日益緊缺，各國(guó)對(duì)能源問(wèn)題的越來(lái)越關(guān)注，作為我國(guó)戰(zhàn)略資源不可或缺的成員，其開(kāi)采的重要性可見(jiàn)一斑。如今，伴隨著越來(lái)越先進(jìn)的數(shù)字控制產(chǎn)品應(yīng)用到齒輪加工機(jī)床中來(lái)，企業(yè)的開(kāi)采效益越來(lái)越高。如今，以計(jì)算機(jī)控制為主的國(guó)產(chǎn)供電設(shè)備、提升機(jī)、電牽引采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)和輸送機(jī)等齒輪加工機(jī)床都具備了全程監(jiān)控、自動(dòng)報(bào)警、圖景掃描、信息控制等先進(jìn)功能。這使得在我國(guó)的齒輪加工機(jī)床管理工作中，數(shù)字控制產(chǎn)品的應(yīng)用尤為廣泛，也確保了開(kāi)采工作中的高安全性、高效益性與高技術(shù)性。

2.齒輪加工機(jī)床的設(shè)計(jì)環(huán)保性評(píng)價(jià)

2.1 綠色設(shè)計(jì)建模一般程序

（1）明確產(chǎn)品定義。建模前必須明確系統(tǒng)及其分系統(tǒng)的構(gòu)成、功能、故障判斷等。通過(guò)建立功能框圖可以幫助明確產(chǎn)品的任務(wù)定義。功能塊圖是基于對(duì)各級(jí)系統(tǒng)的靜態(tài)分組功能，闡述了系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和功能之間的關(guān)系（信息）的過(guò)程。功能框圖或功能流程圖是繪制設(shè)計(jì)環(huán)保性框圖的基礎(chǔ)。

（2）繪制設(shè)計(jì)環(huán)保性框圖。設(shè)計(jì)環(huán)保性框圖是以圖的形式邏輯地描述系統(tǒng)正常工作的情況。設(shè)計(jì)環(huán)保性框圖應(yīng)正確描述系統(tǒng)每次完成任務(wù)時(shí)所有單元功能組之間的相互關(guān)系，繪制時(shí)應(yīng)充分了解系統(tǒng)的任務(wù)和壽命剖面。建立系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)保性框圖的基礎(chǔ)是產(chǎn)品的原理圖和功能框圖。在最終的設(shè)計(jì)環(huán)保性框圖中，所有方框均應(yīng)要求以串聯(lián)、并聯(lián)、旁聯(lián)或其他組合形式連接，每一方框均只對(duì)應(yīng)一個(gè)功能單元，并進(jìn)行標(biāo)記。

（3）建立設(shè)計(jì)環(huán)保性模型。設(shè)計(jì)環(huán)保性模型用于表達(dá)設(shè)計(jì)環(huán)保性框圖中各功能單元的設(shè)計(jì)環(huán)保性與系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)保性之間的函數(shù)關(guān)系。常用的設(shè)計(jì)環(huán)保性模型包括串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)、混聯(lián)系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)等。工程中最常見(jiàn)的設(shè)計(jì)環(huán)保性模型是串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)。

2.2 串聯(lián)系統(tǒng)

當(dāng)組成產(chǎn)品的每個(gè)單元都正常工作，產(chǎn)品才能正常工作的模型稱(chēng)之為串聯(lián)系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)環(huán)保性框圖如圖 1 所示。

圖1 串聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)保性框圖

設(shè)第 i 個(gè)單元的環(huán)保度為 Ri（t），則系統(tǒng)環(huán)保度

R（t） = ∏ iR1R（t） （3-1）

串聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)保度等于各單元的環(huán)保度的乘積，單元越多其環(huán)保度越低。在機(jī)床系統(tǒng)中，各單元大多數(shù)都是獨(dú)立的，從設(shè)計(jì)環(huán)保性邏輯關(guān)系上講，各單元的故障概率是互不影響的，因此在計(jì)算系統(tǒng)環(huán)保度時(shí)一般用設(shè)計(jì)環(huán)保性乘法法則來(lái)處理。很多電子產(chǎn)品和機(jī)電產(chǎn)品的壽命都服從指數(shù)分布，其環(huán)保度為：

Ri= e （3-2）

整個(gè)產(chǎn)品的故障率為：

λ=∑i1λ （3-3）

可見(jiàn)，串聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)保度是各單元環(huán)保度的乘積，單元越多，產(chǎn)品越復(fù)雜，其環(huán)保度越低，從設(shè)計(jì)方面考慮可從以下三個(gè)方面著手改進(jìn)：首先是最大化降低串聯(lián)單元的數(shù)量，優(yōu)化設(shè)計(jì)工作；其次就是加強(qiáng)單元環(huán)保度，盡可能減少其出現(xiàn)故障的概率；最后即縮短工作時(shí)間。其中簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)是提高串聯(lián)系統(tǒng)產(chǎn)品的最重要途徑。

2.3 并聯(lián)系統(tǒng)

組成產(chǎn)品的所有單元中只要有一個(gè)正常工作，產(chǎn)品就能正常工作的模型稱(chēng)之為并聯(lián)系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)環(huán)保性框圖如圖 3-2 所示。

圖 2 并聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)保性框

設(shè)第i個(gè)單元的環(huán)保度為Ri（t），則系統(tǒng)環(huán)保度：

R（t） = 1-∏i[1-Ri（t）] （3-4）

并聯(lián)系統(tǒng)是貯備系統(tǒng)的一種情況，對(duì)于任何一種高性能的復(fù)雜產(chǎn)品，為了提高產(chǎn)品的環(huán)保度，可以采用的方法有兩種：一是提高零部件的環(huán)保度，但這樣會(huì)使成本過(guò)高；另一個(gè)辦法就是增加產(chǎn)品中部分或全部零件作為貯備，這樣即使某一零件失效也不會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品失效，只有所有的貯備零部件全部失效才會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生故障，這就是并聯(lián)系統(tǒng)。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，并聯(lián)系統(tǒng)數(shù)目太多也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)保性降低。

3.提高齒輪加工車(chē)床精度的制造技術(shù)分析

3.1 精度建模一般程序

（1）明確機(jī)床產(chǎn)品定義。建模前必須明確系統(tǒng)及其分系統(tǒng)的構(gòu)成、功能、故障判斷等。通過(guò)建立功能框圖可以幫助明確產(chǎn)品的任務(wù)定義。功能塊圖是基于對(duì)各級(jí)系統(tǒng)的靜態(tài)分組功能，闡述了系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和功能之間的關(guān)系（信息）的過(guò)程。功能框圖或功能流程圖是繪制精度分析框圖的基礎(chǔ)。

（2）繪制精度分析框圖。精度分析框圖是以圖的形式邏輯地描述系統(tǒng)正常工作的情況。精度分析框圖應(yīng)正確描述系統(tǒng)每次完成任務(wù)時(shí)所有單元功能組之間的相互關(guān)系，繪制時(shí)應(yīng)充分了解系統(tǒng)的任務(wù)和壽命剖面。建立系統(tǒng)精度分析框圖的基礎(chǔ)是產(chǎn)品的原理圖和功能框圖。在最終的精度分析框圖中，所有方框均應(yīng)要求以串聯(lián)、并聯(lián)、旁聯(lián)或其他組合形式連接，每一方框均只對(duì)應(yīng)一個(gè)功能單元，并進(jìn)行標(biāo)記。

（3）建立精度分析模型。精度分析模型用于表達(dá)精度分析框圖中各功能單元的精度分析與系統(tǒng)精度分析之間的函數(shù)關(guān)系。常用的精度分析模型包括串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)、混聯(lián)系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)等。工程中最常見(jiàn)的精度分析模型是串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)。

3.2 零件分類(lèi)及其變型模式

機(jī)床部件一般都是大批量定制生產(chǎn)，它必須以確保零部件資源特點(diǎn)，滿(mǎn)足客戶(hù)不同的需求，不同的功能要求，機(jī)床產(chǎn)品的通用標(biāo)準(zhǔn)件，通用件和三件定制組件。不同類(lèi)型的部件，數(shù)字控制課程模式流程如下所示。需要指出的是，在機(jī)床產(chǎn)品，數(shù)字控制階段，應(yīng)首先確保通用件變體可以記住代替變異模型的實(shí)例，并沒(méi)有使用條件或存在的例子很難滿(mǎn)足不同條件的需求，不同的主模型必須通過(guò)參數(shù)化變了機(jī)床產(chǎn)品定制需求。

3.3 以CAD系統(tǒng)作為快速數(shù)字控制產(chǎn)品信息工具

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的英文名稱(chēng)，通常被稱(chēng)為AutoCAD，是設(shè)計(jì)過(guò)程中的計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備來(lái)幫助設(shè)計(jì)師工作時(shí)使用，可以很簡(jiǎn)單按照各部分的大小、模式進(jìn)行繪圖，最終依據(jù)準(zhǔn)確的命令完成機(jī)床的設(shè)計(jì)。由平面和高程AutoCAD繪制，不僅能準(zhǔn)確反映設(shè)計(jì)者的意圖，但也能產(chǎn)生三維模型，根據(jù)圖紙定義顏色，在很大程度上彌補(bǔ)空隙的設(shè)計(jì)與施工。當(dāng)然，AutoCAD繪制出來(lái)的圖形具有一些不可避免的問(wèn)題，所以在設(shè)計(jì)部門(mén)經(jīng)常使用PS圖象處理軟件繪制圖形。在機(jī)床產(chǎn)品的數(shù)字控制開(kāi)發(fā)中，利用幾何數(shù)據(jù)模型和屬性數(shù)據(jù)模型可建立機(jī)床產(chǎn)品的變型模型。

3.結(jié)果評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)齒輪加工車(chē)床精度進(jìn)行建模分析，不但能對(duì)機(jī)床產(chǎn)品進(jìn)行三維模擬，還能夠基于原始數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)，對(duì)車(chē)床的特征尺寸自發(fā)地進(jìn)行標(biāo)高計(jì)算，通過(guò)實(shí)際操作發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確和快速的計(jì)算，并且可以在同一個(gè)局域網(wǎng)下的同一客戶(hù)端上運(yùn)行，傳統(tǒng)的車(chē)床加工系統(tǒng)的仿真模型在運(yùn)算和仿真初始化上存在很多不足，檢測(cè)過(guò)程將設(shè)置添加到該程序間隔的方法來(lái)記錄每次模擬響應(yīng)的操作的時(shí)間的時(shí)間長(zhǎng)度?？傮w而言，虛擬數(shù)控加工模擬技術(shù)在車(chē)床加工的管理吸引越來(lái)越多的廣泛使用，越來(lái)越多的成熟和先進(jìn)的技術(shù)，將原始數(shù)據(jù)通過(guò)面板輸入，可以有效的反映在齒輪加工機(jī)床的生產(chǎn)過(guò)程中，該系統(tǒng)的真實(shí)狀態(tài)計(jì)算前全流程模擬、建模和求解，在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的很好地表示了每個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置之間的關(guān)系，有效地提高了齒輪加工車(chē)床精度。

4.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，采取EPS方法能夠較全面地分析機(jī)床設(shè)計(jì)環(huán)保性的影響因素，經(jīng)對(duì)比分析，最終得到的機(jī)床設(shè)計(jì)環(huán)保性評(píng)價(jià)結(jié)果是科學(xué)合理的，該方法對(duì)現(xiàn)階段我國(guó)機(jī)床使用單位、制造廠家與政府安全技術(shù)監(jiān)督部門(mén)都是值得借鑒和應(yīng)用的。（本文原刊于煤礦開(kāi)采2014年11月）

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作者簡(jiǎn)介

劉麗（1971—），女，漢族，山東聊城人，副教授，研究方向：數(shù)控加工、綠色再制造及人工智能技術(shù)等。