數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)方式分析

白國慶

（太原學(xué)院，山西 太原 030032）

1 數(shù)控機(jī)床概述

1.1 組成

數(shù)控機(jī)床主要由機(jī)床主體、數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)三大部分組成，一般包括輸入輸出設(shè)備、CNC（computerized numerical control）裝置、伺服單元、驅(qū)動裝置（或稱執(zhí)行機(jī)構(gòu)）及電氣控制裝置、輔助裝置、機(jī)床本體、測量反饋裝置等。數(shù)控機(jī)床相對普通機(jī)床結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，動作執(zhí)行也更加精確:第一，在操作人員對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的過程中，主要借助的是數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)語言編寫結(jié)構(gòu)，確保加工程序按照項(xiàng)目零件操作工序依次進(jìn)行，提升整體操作流程的規(guī)范度[1]。第二，在裝置運(yùn)行過程中，利用控制模塊進(jìn)行編譯，實(shí)現(xiàn)對特殊零件以及簡單零件進(jìn)行集中操作，確保操作者能通過反饋系統(tǒng)進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)觀測。第三，裝置的加工程序會直接操控指令控制結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動裝置的優(yōu)化運(yùn)行，從而帶動機(jī)床進(jìn)行機(jī)械傳動，確保機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行。在檢測結(jié)構(gòu)中，操作人員利用反饋裝置能對監(jiān)控測量項(xiàng)目以及具體的機(jī)械部件進(jìn)行運(yùn)動數(shù)據(jù)的收集和匯總，提升機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的閉環(huán)控制，提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)效性。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)具有非常明顯的特點(diǎn)。其一，機(jī)床機(jī)械自動化特征。在機(jī)床發(fā)展的過程中，自動化特征越來越明顯，不僅能優(yōu)化提升機(jī)床的傳動結(jié)構(gòu)運(yùn)行特征，也能在數(shù)據(jù)系統(tǒng)發(fā)出指令后實(shí)現(xiàn)有效的運(yùn)行，不僅能在運(yùn)行速度以及刀具運(yùn)行軌跡方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)控制結(jié)構(gòu)的升級，也能確保主軸轉(zhuǎn)速和輔助機(jī)能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化操作。另外，在機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)中，伺服系統(tǒng)在應(yīng)用路徑中，支持項(xiàng)目的主軸運(yùn)行，能實(shí)現(xiàn)機(jī)床結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的升級，確保系統(tǒng)操作的最優(yōu)化。其二，機(jī)床機(jī)械高新技術(shù)化特征。機(jī)床機(jī)械發(fā)展中最重要的就是技術(shù)化，能有效提升機(jī)床精度和穩(wěn)定性。例如，在實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)行中，強(qiáng)化靜態(tài)剛度和動態(tài)剛度能提高機(jī)床自動化的實(shí)效性，確保運(yùn)行水平有效升級，在提高設(shè)備耐磨性能的同時(shí)，利用無間隙傳動裝置以及基礎(chǔ)元件進(jìn)行機(jī)床機(jī)械操作，包括靜壓導(dǎo)軌以及滾珠絲鋼副等，在降低系統(tǒng)阻力后，優(yōu)化升級系統(tǒng)的運(yùn)行效率，也能在確保設(shè)備穩(wěn)定性能的同時(shí)，提升設(shè)備的實(shí)際精度[2]。其三，機(jī)床機(jī)械智能化操作特征。在機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)展過程中，數(shù)控機(jī)床成為時(shí)代發(fā)展的必然趨勢，在數(shù)控機(jī)床發(fā)展過程中，要實(shí)現(xiàn)集成功能和復(fù)合功能要求的同時(shí)，利用一次性裝料機(jī)制升級加工工序的實(shí)效性，確保在有效調(diào)整參數(shù)解構(gòu)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備生產(chǎn)柔性化和無人操作的智能化[3]。

2 數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)中靜態(tài)剛度和動態(tài)剛度參數(shù)

在機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行和發(fā)展過程中，最重要的特性就是數(shù)據(jù)系統(tǒng)的輸入指令，只有確保生產(chǎn)參數(shù)以及運(yùn)行依據(jù)符合項(xiàng)目結(jié)構(gòu)，才能提升機(jī)械加工過程的穩(wěn)定性，確保項(xiàng)目幾何精度以及變形參數(shù)結(jié)構(gòu)符合控制要求。在實(shí)際項(xiàng)目處理過程中，設(shè)計(jì)人員要按照機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)對部件的彈性形變進(jìn)行控制，保證其在最小的響度范圍內(nèi)，真正提升設(shè)備加工表面的質(zhì)量以及精確度。在設(shè)備操作過程中，主軸剛度、接觸剛度、動態(tài)剛度等采納數(shù)是需要著重關(guān)注的，要實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)的升級，才能確保機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)揮最大的功效，實(shí)現(xiàn)三支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[4]。

2.2 降低機(jī)械結(jié)構(gòu)中熱變形的發(fā)生幾率

在機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)操作運(yùn)行的過程中，由于溫度堆積而產(chǎn)生的熱變形較為常見，設(shè)計(jì)人員針對這種情況要提升機(jī)床的運(yùn)行效率，就要確保熱源能從機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的主機(jī)控件中分離出來，實(shí)現(xiàn)散熱效果和冷卻效果的優(yōu)化，確保設(shè)備的最優(yōu)化運(yùn)行。另外，在降低熱源結(jié)構(gòu)的過程中，設(shè)計(jì)人員要集中關(guān)注機(jī)床發(fā)熱情況最為突出的部位，確保其能和機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的其他元件相同溫度，才能在升級機(jī)床結(jié)構(gòu)的同時(shí)，減少由于溫差產(chǎn)生的翹曲變形。也可以通過機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改良，提升其熱源處理能力，減少熱變形的總量，減少主軸變形導(dǎo)致傾斜問題。

2.3 降低機(jī)械結(jié)構(gòu)中摩擦傳動間隙

在機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)中，位移量以及脈沖量是基本的參數(shù)結(jié)構(gòu)，要保證以最低速度進(jìn)行運(yùn)動，但是溫度過低會導(dǎo)致無法準(zhǔn)確快速響應(yīng)，因此要確保利用有效的措施減少摩擦傳動間隙，充分融合滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌等項(xiàng)目，提升整體運(yùn)行參數(shù)的契合度，有效的利用滾珠絲杠傳動裝置。另外，要提升對于傳動鏈的關(guān)注度，加大制作質(zhì)量和驗(yàn)收力度，確保傳動齒輪和滾珠絲杠加工誤差控制在最小，并利用脈沖補(bǔ)償裝置對不良誤差進(jìn)行有效的填補(bǔ)，提高整體參數(shù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而提高機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的時(shí)效價(jià)值[5]。

2.4 降低機(jī)械結(jié)構(gòu)中輔助時(shí)間框架

在項(xiàng)目運(yùn)行框架內(nèi)，設(shè)計(jì)人員要針對機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)加工過程給予充分重視，提升加工質(zhì)量的認(rèn)知，確保在單件加工的過程中升級管理效果，主要是減少輔助時(shí)間的比重，例如，非切削時(shí)間。設(shè)計(jì)人員要根據(jù)實(shí)際操作過程建立有效的管控措施，確保機(jī)床機(jī)械生產(chǎn)效率得到優(yōu)化提升，壓縮無謂的輔助處理時(shí)間。針對輔助時(shí)間的問題，相關(guān)部門和研究人員利用多主軸以及多刀架結(jié)構(gòu)進(jìn)行項(xiàng)目升級，或者是利用自動換刀裝置進(jìn)行處理，從而減少機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的換刀時(shí)間，確保主營工作任務(wù)都集中在機(jī)床機(jī)械加工程序上。另外，在實(shí)際項(xiàng)目處理過程中，針對切削用量較大的數(shù)控機(jī)床，部分企業(yè)開始應(yīng)用的措施就是在床身機(jī)構(gòu)加裝輔助配件，便于排屑。

2.5 優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)壽命以及運(yùn)行精度

在實(shí)際工序運(yùn)行過程中，主要的目標(biāo)就是提高機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的精確度，因此要著重分析項(xiàng)目運(yùn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)，提高機(jī)床零部件的耐磨性，從而順利推進(jìn)整個運(yùn)行結(jié)構(gòu)的完整性，針對機(jī)床導(dǎo)軌、進(jìn)給伺服驅(qū)動項(xiàng)目以及主軸的相應(yīng)部件進(jìn)行集中的精度控制，提升參數(shù)結(jié)構(gòu)耐磨性的同時(shí)，確保機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)潤滑效果的升級[6]。另外，在實(shí)際分析過程中，設(shè)計(jì)人員要對其熱源溫度控制進(jìn)行必要的認(rèn)知，可以利用一些措施減少溫度對控件的影響，確保機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)的熱變形可以發(fā)生在刀具切入的垂直角度上，確保減少損耗，從而提高機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3 數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

3.1 針對主傳動變速系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級

在實(shí)際項(xiàng)目處理過程中，設(shè)計(jì)人員可以集中選擇大型的機(jī)床結(jié)構(gòu)，利用變速齒輪主傳動方式提升項(xiàng)目的運(yùn)行效率，并且提升輸出扭矩的參數(shù)數(shù)值，滿足具體項(xiàng)目要求。同時(shí)，也可以利用以皮帶進(jìn)行傳動的主傳動措施，但是，這種方式不適合用于較大型的機(jī)床結(jié)構(gòu)，在小型機(jī)床結(jié)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，能大大改善設(shè)備本身的噪聲以及振動情況。另外，設(shè)計(jì)人員也可以利用調(diào)速電機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動主傳動裝置，提升項(xiàng)目的具體數(shù)值，確保在原有設(shè)備結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，真正推進(jìn)了主軸箱體和主軸結(jié)構(gòu)的便捷化進(jìn)程，從而在提升剛度系數(shù)的同時(shí)，升級主傳動項(xiàng)目的影響。特別要注意的是，在實(shí)際工序操作中，機(jī)床精確度會受到一定的影響[7]。

3.2 針對機(jī)床主軸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級

在對主傳動項(xiàng)目進(jìn)行升級的過程中，設(shè)計(jì)人員要從以下三方面進(jìn)行升級，第一，要對機(jī)械的前支撐結(jié)構(gòu)和后支撐結(jié)構(gòu)選用不同軸承，提升主軸的綜合剛度，確保實(shí)際操作過程能按照施工要求順利進(jìn)行，真正提升項(xiàng)目的實(shí)際參數(shù)結(jié)構(gòu)，提升優(yōu)質(zhì)運(yùn)行的可行性。另外，對于機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)來說。前支撐結(jié)構(gòu)的材質(zhì)主要選用的是雙列短圓柱滾子軸承，并且要和雙列向心推力球軸承保持60 度的斜角，才能一定程度上升級項(xiàng)目的運(yùn)行參數(shù)，確保結(jié)構(gòu)的完整度。而對于機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的后支撐裝置，主要選擇的是成對的向心力推力球軸承結(jié)構(gòu)。只有提高相應(yīng)配件的貼合程度，才能順利推進(jìn)不同部件的優(yōu)化升級。第二，選取有效的參數(shù)框架，確保單雙圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，在提高參數(shù)框架性能的同時(shí)，升級精度結(jié)構(gòu)和速度參數(shù)，利用單/雙列圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)在機(jī)床機(jī)械運(yùn)行中，能確保整體參數(shù)項(xiàng)目的有效提高，并且對機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)也具有一定的優(yōu)化功能，確保主軸承項(xiàng)目中卡盤以及刀架參數(shù)運(yùn)行完整，提升軸承定位和主軸的荷載情況。第三，前軸承項(xiàng)目在精度升級的過程中，要利用高精度雙列向心推力球軸承結(jié)構(gòu)，能大幅度提升項(xiàng)目的運(yùn)行速度，確保整體參數(shù)框架符合時(shí)代的發(fā)展需求，在運(yùn)行中，主軸的轉(zhuǎn)速甚至可以達(dá)到4000r/min[8]。但是，要注意的是，在實(shí)際運(yùn)行中，由于這種方式的承載力較小，就會導(dǎo)致一些參數(shù)運(yùn)行框架和環(huán)境并不適宜使用該方法，只是在高運(yùn)行速度以及輕荷載情況下，才能確保運(yùn)行框架對運(yùn)行結(jié)構(gòu)有助推作用。

4 結(jié)束語

總而言之，數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合設(shè)計(jì)工作，在其強(qiáng)度剛度保證的前提下，還需考慮控制方式、使用特點(diǎn)、機(jī)床生產(chǎn)率、加工精度、使用壽命等因素，最終在數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和處理的過程中達(dá)到和諧一致。此外，設(shè)計(jì)人員亦需對加工操作流程以及日常維護(hù)項(xiàng)目有必要的說明，確保數(shù)控機(jī)床機(jī)械設(shè)備精度以及運(yùn)行性能在使用過程中保持最佳。