數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)的研究探討

（深圳市強(qiáng)華科技發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518126）

數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)的研究探討

姚杰

（深圳市強(qiáng)華科技發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518126）

隨著工業(yè)化以及科技信息的不斷發(fā)展，制造也得到了飛速的發(fā)展。本文以PCB數(shù)控鉆孔為例，對數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計以及機(jī)床以及PCB數(shù)控鉆孔做了簡單的介紹，總結(jié)了這一領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，并對PCB數(shù)控鉆孔機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)的優(yōu)化提出了相關(guān)的優(yōu)化策略。

數(shù)控機(jī)床；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1 數(shù)控機(jī)床簡介

數(shù)控機(jī)床是基于現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上的一種產(chǎn)品，其可以將科學(xué)技術(shù)融入生產(chǎn)中，并與系統(tǒng)的操作指令相結(jié)合，從而能夠?qū)崿F(xiàn)信息化的產(chǎn)品生產(chǎn)。在實際運行數(shù)控機(jī)床的操作中，信息以及數(shù)據(jù)是其中最基礎(chǔ)的部分，要一切以產(chǎn)品的需求為目標(biāo)，將產(chǎn)品信息正確無差錯錄入進(jìn)系統(tǒng)，保證最終產(chǎn)品生產(chǎn)的準(zhǔn)確性。此外，在操作的過程中，要加強(qiáng)對數(shù)控機(jī)床的監(jiān)控，尤其是生產(chǎn)效率以及質(zhì)量；除了加強(qiáng)監(jiān)控，還要注重數(shù)控機(jī)床的轉(zhuǎn)型升級，并定期對設(shè)備進(jìn)行檢修。

PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔是數(shù)控機(jī)床的一種具體表現(xiàn)。PCB，即印刷線路板，一般指在絕緣材料上，按照一定的方案設(shè)計，將印刷線路以及印刷元件組合形成印刷電路板。在線路板上鉆孔的方法一般有兩種，即激光鉆孔和數(shù)控機(jī)械鉆孔。與激光鉆孔相比，數(shù)控機(jī)械鉆孔一般對加工材料的適應(yīng)性較強(qiáng)，成本較低等明顯優(yōu)勢，因此，被廣泛使用。

2 數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)的發(fā)展動態(tài)

全球經(jīng)濟(jì)以及工業(yè)化的不斷發(fā)展，促使了科技的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步。在這一大的時代背景下，數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計以及制造技術(shù)也在不斷的完善與發(fā)展。就現(xiàn)階段而言，數(shù)控技術(shù)正朝著智能化、高精度的方向邁進(jìn)。在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，數(shù)控機(jī)床是非常重要的一個環(huán)節(jié)，更多的是應(yīng)用與機(jī)械生產(chǎn)中，這就對機(jī)床的穩(wěn)定性以及完整性提出了很高的要求。數(shù)控機(jī)床的廣泛使用能夠有效的提高產(chǎn)品的質(zhì)量以及生產(chǎn)效率，對保證產(chǎn)品的性能也有一定的促進(jìn)作用。主軸的帶動是數(shù)控機(jī)床的主要部分，其原理是利用設(shè)備的機(jī)械傳動從而實現(xiàn)對其余部分的輔助支撐，從而進(jìn)一步達(dá)到整體控制數(shù)控機(jī)床的目的?？茖W(xué)的數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計對提高其工作效率起到了至關(guān)重要的作用，尤其是主軸的部分，因此，這就需要我們利用現(xiàn)代科技以及現(xiàn)代的工業(yè)制造技術(shù)不斷的改進(jìn)數(shù)控機(jī)床的主軸部分，特別是其運轉(zhuǎn)速度。

以PCB數(shù)控鉆孔為例，其原理是利用X、Y、Z三個坐標(biāo)軸，當(dāng)X以及Y軸達(dá)到指定的目標(biāo)坐標(biāo)后，Z軸遵循計算機(jī)發(fā)出的指令，執(zhí)行精密鉆孔操作。與其余工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，我國的PCB數(shù)控鉆孔的出現(xiàn)較晚，但是發(fā)展卻相對更迅速一些。從上世紀(jì)80年代開始，經(jīng)過了三十多年的發(fā)展，我國的PCB數(shù)控鉆孔技術(shù)有了長足的發(fā)展，尤其是在精密孔的加工、運轉(zhuǎn)速度等方面。就現(xiàn)階段我國的實際情況而言，PCB數(shù)控鉆孔的發(fā)展主要朝著以下幾個方向發(fā)展。

（1）超高精度、超高運轉(zhuǎn)速度。由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展也十分迅速。為了能夠與工業(yè)發(fā)展的速度相匹配，數(shù)控機(jī)床必須要具備超高精度以及超高運轉(zhuǎn)速度的優(yōu)勢，這兩點是評價數(shù)控PCB數(shù)控鉆孔的最為關(guān)鍵的因素，其好壞對產(chǎn)品的質(zhì)量以及生產(chǎn)效率有著決定性的作用。

（2）提高可靠性。除了上述的運轉(zhuǎn)速度以及精度外，可靠性也是評價數(shù)控機(jī)床的重要指標(biāo)之一。以國外的標(biāo)準(zhǔn)為例，數(shù)控機(jī)床中數(shù)控系統(tǒng)的MTBF（平均故障間隔時間）已達(dá)到6000h以上，平均無故障時間大于10000h，具有相當(dāng)大的可靠性。但是，就我國目前可達(dá)到的水平而言，數(shù)控系統(tǒng)的MTBF只有3000h小時左右，達(dá)到5000h的非常少。除此之外，數(shù)控機(jī)床整機(jī)的平均無故障時間可以達(dá)到800h；而我國，目前已知的最長時間只有300h。因此，提高數(shù)控機(jī)床的可靠性非常有必要。在之后的發(fā)展道路上，數(shù)控機(jī)床可以充分利用現(xiàn)代高科技，包括集成電路等，提高其可靠性。其次，還要增強(qiáng)數(shù)控機(jī)床自身的故障診斷排除系統(tǒng)、自我修復(fù)系統(tǒng)、以及自我保護(hù)系統(tǒng)等進(jìn)一步提高其可靠性。

（3）實時智能化。以PCB鉆孔為例，其發(fā)展的早期較為簡單，只需滿足簡單的數(shù)控機(jī)械鉆孔的目的。而隨著智能化的不斷發(fā)展，PCB數(shù)控鉆孔也與其結(jié)合并發(fā)展。PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔的實時智能化的方法主要是對相關(guān)影響運行精度和運行速度的因素進(jìn)行實時監(jiān)控、建模等，并根據(jù)得到的數(shù)據(jù)做出及時準(zhǔn)確的判斷以及決策。通過這一流程，可以對數(shù)控鉆孔的精度不斷改進(jìn)，從而得到相對最為精確的結(jié)果。此外，實時智能化還能提高數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)效率以及自我修復(fù)功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，實時智能可以第一時間判斷故障位置、故障原因，進(jìn)行故障報警，并自動脫離故障模塊，接入備用模塊，實施系統(tǒng)的自我修復(fù)。因此，實時智能化是數(shù)控機(jī)床的未來重要的發(fā)展趨勢之一。

（4）控制系統(tǒng)小型化。在數(shù)控機(jī)床未來的發(fā)展趨勢中，應(yīng)該會采取超高集成度的印刷電路板，使得控制系統(tǒng)更加小型化。此外，還可以采用新型超薄液晶顯示屏，更進(jìn)一步的縮小控制系統(tǒng)的體積，更便于數(shù)控機(jī)床的實際操作。

（5）創(chuàng)新能力的不斷提高。雖然我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展速度較快，但是創(chuàng)新能力明顯不足。目前而言，我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展主要處于模仿國外階段，自主創(chuàng)新只占了比較小的一部分。因此，為了促進(jìn)我國數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)的快速發(fā)展，必須提高自主創(chuàng)新能力，將更多的科技與信息化融入其中，才能提高相關(guān)企業(yè)的市場競爭力。

3 數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化策略

數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)在工業(yè)的發(fā)展中起到了十分重要的作用，可以促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展。因此，我們要不斷的對數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計以及制造技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以PCB數(shù)控鉆孔為例，主要可以從以下幾個方面進(jìn)行優(yōu)化：

（1）提高機(jī)床的穩(wěn)定性。提高這一類型數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定性，主要從系統(tǒng)的加速度控制以及結(jié)構(gòu)設(shè)計方面考慮。PCB數(shù)控鉆孔的運動位移較小，起止時間間隔很短，因此，就造成了定位不準(zhǔn)確的結(jié)果。因此，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，必須采用合理的方式，提高運行的穩(wěn)定性以及定點的準(zhǔn)確性，減少操作中的慣性；此外，還可以使用一些特殊的材料，提高系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性，達(dá)到定點準(zhǔn)確的目的。具體來說，可以采用以下措施：盡量使用剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計、減少各方向軸移動物體質(zhì)量、加大靜態(tài)物體質(zhì)量以及適當(dāng)使用防震材料等。

（2）提高主軸的運行精度和速度。主軸的運行精度以及速度是評價PCB數(shù)控鉆孔機(jī)床的重要指標(biāo)之一。在數(shù)控機(jī)械結(jié)構(gòu)中，如果主軸運行精度以及速度較低，往往實現(xiàn)不了機(jī)械加工的精密化，會造成鉆孔精密度差、鉆孔質(zhì)量不高的結(jié)果，給后續(xù)加工帶來很大的困難。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計以及制造技術(shù)中，可以采用靜壓空氣軸承主軸。靜壓空氣軸承主軸的運行速度可以達(dá)到200Krpm，精度最高是0.03μm級，具有較高的運行精度，能夠?qū)崿F(xiàn)微小孔的高速加工。此外，靜壓空氣軸承主軸的使用壽命較一般主軸長、動態(tài)特性更好。

（3）采用三維穩(wěn)定性仿真技術(shù)。隨著現(xiàn)代工業(yè)以及信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對印制電路板的要求也越來越高，需要更加精細(xì)、更加快速的鉆孔技術(shù)。然而，目前我國最小只可以達(dá)到0.2 mm的孔徑，與國外0.08 mm還有較大的距離；在運行速度方面，國外可以達(dá)到75 m/min，是我國的2.5倍。因此，亟需采取一定的手段提高機(jī)床的整體機(jī)械性能，三維穩(wěn)定性仿真技術(shù)就是其中比較好的一種。三維穩(wěn)定性仿真技術(shù)具體來說是指，采用仿真測量建立相關(guān)模型，減少鉆床在操作運行時，由于高速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的偏離，提高鉆頭定點的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提高鉆頭的三維穩(wěn)定性。

（4）采取自適應(yīng)跟蹤控制器。鉆孔精度是PCB數(shù)控鉆孔的重要評價指標(biāo)之一，電氣又是影響鉆孔精度的最重要的影響因素之一。電氣因素導(dǎo)致的鉆孔精度可以通過提高伺服系統(tǒng)的性能加以控制。在實際的操作中，伺服系統(tǒng)對鉆孔精度的控制主要體現(xiàn)在三個方面，即反應(yīng)速度快、運行精度高以及轉(zhuǎn)矩小。由于在運轉(zhuǎn)過程中，存在很多外界干擾，例如摩擦等，會影響機(jī)床的精度。為了解決這一問題，課題采用自適應(yīng)跟蹤控制器。自適應(yīng)跟蹤控制器包括基本控制器、前饋控制器、摩擦補(bǔ)償控制器、位置反饋控制器等幾部分，對減少外部的干擾、提高加工精度起到了積極的作用。

（5）采用帶GA功能的貪婪算法。隨著印刷電路板的不斷發(fā)展，電路板上的鉆孔數(shù)量也在不斷增多。傳統(tǒng)的算法一般有較多的空行程，因此，就必須采用一種全新的算法改善這一缺點。帶GA功能的貪婪算法恰恰能解決這一問題。貪婪算法的運行處理速度一般較快，在其中加入GA功能可以進(jìn)一步對這一算法進(jìn)行優(yōu)化，改善鉆孔的運行軌跡，減少空行程的運行，最終達(dá)到提高運行速度以及生產(chǎn)效率的目的。

4 結(jié)語

數(shù)控機(jī)床是工業(yè)化進(jìn)程中最為基礎(chǔ)的一個環(huán)節(jié)，而運行速度以及運行精度又是其中的重中之重。根據(jù)以上的分析，以PCB數(shù)控鉆孔機(jī)床為例，從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計以及制造技術(shù)兩個方面入手，對提高數(shù)控機(jī)床的運行精度和速度、穩(wěn)定性等提出了相應(yīng)優(yōu)化策略，包括機(jī)械的優(yōu)化以及控制系統(tǒng)的優(yōu)化，以期能夠促進(jìn)我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加快我國的工業(yè)化進(jìn)程。

[1]姚小群, 姚錫凡, 張潔. 數(shù)控機(jī)床多領(lǐng)域建模與設(shè)計優(yōu)化的研究及發(fā)展[J]. 機(jī)械制造, 2015, 11: 1-5.

[2]周忠博, 王紅軍, 黃民. 數(shù)控技術(shù)的最新進(jìn)展及發(fā)展趨勢研究[J]. 裝備制造技術(shù), 2013, 01: 82-86.

TG659

：A

：1671-0711（2017）08（上）-0202-02