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

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(lǐng)域中重要的組成部分，其生產(chǎn)技術(shù)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)據(jù)控裝置、機床主體以及其他輔助功能設(shè)備組成。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們對數(shù)控機床技術(shù)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(fù)合化、高精度化、并聯(lián)化以及網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。本文將首先闡述數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特性，并針對其性能優(yōu)化提出有價值的參考建議（本文原刊于煤礦開采2014年12月）。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；結(jié)構(gòu)特征；性能優(yōu)化

數(shù)控機床技術(shù)首次出現(xiàn)于上世紀五、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)濟全球化的大背景下，數(shù)控機床制造業(yè)面臨裝備改良以及技術(shù)革新的強大競爭壓力。在經(jīng)濟快速發(fā)展的趨勢下，機械制造領(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(fù)合化、高精度化、網(wǎng)絡(luò)化為一體的數(shù)控機床[1]。隨著科學技術(shù)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(lǐng)域的應(yīng)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，他通過控制系統(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(shè)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(dǎo)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(fù)雜、小批量、頻繁改型、生產(chǎn)周期短的零件加工問題。數(shù)控機床主要由加工程序載體、數(shù)據(jù)控裝置、機床主體以及其他輔助功能設(shè)備組成。數(shù)控機床綜合運用了計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、測量技術(shù)、電氣自動化技術(shù)、傳感器技術(shù)最新技術(shù)成果，在機械制造和加工領(lǐng)域應(yīng)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(shù)和電子通信技術(shù)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)控機床技術(shù)是衡量機械制造生產(chǎn)水平的重要標準，同時衡量一國生產(chǎn)水平和綜合國力的標準，數(shù)控機床技術(shù)逐漸滲透到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，為他們提供各種零部件裝備，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)控機床的結(jié)構(gòu)特性

2.1 全方位智能化

隨著計算機技術(shù)和人工智能技術(shù)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)在以下幾個方面：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(fù)[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，并仿真事故過程中，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)控機床運行的穩(wěn)定性和精準性，機床的各類配件的選擇上遵循“高科技化、高精準化”原則，轉(zhuǎn)變以往的以幾何精度為主的重視觀念，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)控機床的進度控制采用當前最先進的高速插補技術(shù)，通過微小數(shù)控程序?qū)崿F(xiàn)控制，逐步精細CNC控制單位，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。此外流行于國家上的網(wǎng)格解碼檢查技術(shù)在提升數(shù)控機床加工中心的運動軌跡精度方面具有顯著效果，它通過三維仿真預(yù)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(wù)[4]。

2.3 功能復(fù)合人性化

功能復(fù)合多樣化是今后數(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(fù)合化數(shù)控機床是指在一臺機床是能夠?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的加工。根據(jù)數(shù)控機床的功能復(fù)合化的實現(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(shù)整合在一臺機床上，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)整道具的時間，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(fù)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(fù)合化的數(shù)控機床也是一種遵循“人性化”的操作系統(tǒng)。

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)以及無極變速主軸，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(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輔助服務(wù)，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，因此大大減少了連接軸承和齒輪的數(shù)量，從而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的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，擴大了道具運動導(dǎo)軌的進給范圍，提升了整個機臺的作業(yè)自由度，增加了加工設(shè)備的靈活性和機動性。并聯(lián)式驅(qū)動機運用于數(shù)控機床上，更能滿足多種型號、種類復(fù)雜的零件加工要求，且并聯(lián)機自身智能化程度高、中邀請、運行速率快，成為提升數(shù)控機床整體生產(chǎn)加工速度的新型加工裝配。而在國際數(shù)控機床的生產(chǎn)制造領(lǐng)域，并聯(lián)機驅(qū)動設(shè)備是提升數(shù)控機床的性能的關(guān)鍵技術(shù)，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(luò)化

在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)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(luò)化能夠讓各項信息在制造業(yè)各個部門、各個車間長興流通，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)字化操控的能夠有效完成對數(shù)控機床的遠程故障診斷和故障修復(fù)工作。比如我國在新一代的數(shù)控機床的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)供聯(lián)，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)控機床的零部件剛度關(guān)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、固定頻率以及阻尼等相關(guān)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，減少了連接軸承和齒輪的數(shù)量，從而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。

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，從能避免熱變形產(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孔隙，削弱機床運行的應(yīng)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哈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(shù)的飛速發(fā)展前提下，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(fù)合人性化、運行高速化、驅(qū)動并聯(lián)化以及信息互動網(wǎng)絡(luò)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、價格等為主要市場競爭力的局面，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)控機床作為衡量制造業(yè)生產(chǎn)水平和市場競爭力的關(guān)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)品的制造的轉(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(shù)基礎(chǔ)（本文原刊于煤礦開采2014年12月）。

參考文獻

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作者簡介

山紅偉（1974-），男，遼寧沈陽人，碩士研究生，承德石油高等?？茖W校講師，研究方向是機械制造及其自動化。