初探數控（kòng）機床（chuáng）的關鍵（jiàn）設計技術與改造方法（fǎ）-機床電器網-數控機床市場網

您現在（zài）的位置：機床電器網> 技術（shù）前（qián）沿>初探數控機床的關鍵設計技術與改（gǎi）造方法

初探數控機床的關（guān）鍵設計技（jì）術與改造方法

2016-10-18 來源：廣東東（dōng）方精工（gōng）科技（jì）股份有限公司作者（zhě）：黎佐興

摘要：隨著工業（yè）技術設備的發展進步，高精度（dù）、高穩定性、高效率、高自動化的數控機床越（yuè）來越受企業的青睞，但由於成本的問題，更多企業期望在現有的數控機床的基礎上對設備進行改造更新，使其更能滿足新時代的市（shì）場（chǎng）要求。文章通過對（duì）數控機床的關鍵設計技術的分（fèn）析，結合關鍵設計技術總結了數控機床的改造方法。

關鍵詞：數控機床；關鍵設計技術；改造方法；工業技術設備；現代（dài）製造業

隨著現代製造業的加工技術設（shè）備的不斷發展進步（bù），數控機床向著高（gāo）精度、高穩定性、高效率、高自動（dòng）化的方向（xiàng）不斷（duàn）前進。目前（qián），高性能（néng）的數控機床在我國仍（réng）占少數（shù），廣大的數控機（jī）床仍存在很大的升級空間。因此，對（duì）數控機床的關鍵設計技術的研究（jiū）分析，並結合（hé）這（zhè）些（xiē）關鍵設計技術總（zǒng）結數控機床的改造方法，意義重大。

1.數控機床的結構與原理

數控技術是指利用電腦程序控製（zhì）機器的一種技術方法（fǎ），即按（àn）技術員事先編好的程序對機械零件進行加工的過程。所謂數控機床，就是指利用數控（kòng）技術的一類機床的統稱。按其控製方（fāng）式的不同進行分類，可以分為三類，包括開環控製數控機床、閉環控製數控（kòng）機床和半閉環控製數控（kòng）機床。目前數控機床使用的控製係統主要有法（fǎ）拉克、華中、廣數、西門（mén）子、三菱等。可以說，數控機床是集機床、計算機、電機及運動控製、檢測等技術（shù）為一體的自動化設備。其基本結構組成包括輸入輸出裝置、數控裝置、動力係（xì）統、測量裝置及機（jī）床等，如圖1所示：

圖1　數控（kòng）機床的組成結構圖

其中輸入輸出裝置指程序編製及程序載（zǎi）體。數控裝（zhuāng）置（或稱CNC裝置）被稱為（wéi）數控機床的“主腦”，它包括（kuò）硬件（jiàn）和軟件兩大（dà）部分，主要負責處理數據和指揮工作。測量裝置是檢測各坐標軸的實際位移量並將信息反饋給數控機床“主（zhǔ）腦”的裝置。機床即機床本體，包括主軸、進給、床身、工作台以及輔（fǔ）助運動裝置、液壓氣動

係統、潤滑係統、冷卻裝置等。

綜（zōng）上所述，數控機床的工作（zuò）原理是將（jiāng）所有加工相關的數據（jù）信息以（yǐ）數字（zì）和字符的編碼方式（shì）進行記錄，然後利（lì）用數控裝置（zhì）內的計算機對其進行一係列處理後，發出指（zhǐ）令，命令執行機構（gòu）自動（dòng）控製並（bìng）完（wán）成加工所需的（de）各項動作，如刀（dāo）具相對於工件的（de）運動軌跡、位移量和速度等，從而完（wán）成工件（jiàn）的（de）加工（gōng）。

2.數控機（jī）床的（de）幾種關鍵設（shè）計技術

在數控機床（chuáng）改造方法的探究路上（shàng），有幾種關鍵設計技術十分重要，具體總結如下：

2.1　質心驅動設計技術

質心驅（qū）動設計技術（俗稱“推中（zhōng）心”技術）是一項由（yóu）機械係統動力學理（lǐ）論發展而來的技術。其原理是（shì）：當驅動力（lì）作用的位（wèi）置不在物體的質心位置時，就會出（chū）現一個扭轉力矩，使物體發生轉動或振動等不（bú）穩定（dìng）的現象，若作用（yòng）力一定時，力的作用位置與物體質心位置的（de）距離越遠，這個扭轉力矩就會越大（dà），物體發（fā）生轉動或振動的現象就會越明顯；當（dāng）力作（zuò）用的位置剛好在質心位置時，就不會出現（xiàn）扭轉力（lì）矩，此時物體隻會（huì）沿著導軌穩（wěn）定地（dì）做直線運動（dòng）。

2.2　直接驅動技術

直接驅（qū）動技（jì）術（shù）是指將伺服（fú）電機直接聯（lián）接（jiē）或牢固在從動部件上的一種技術。根據電機的運動類型一般可以分為直線電機驅動和力矩電（diàn）機驅動兩大類，其中直線（xiàn）電機（jī）驅（qū）動的為直線運動，力（lì）矩電（diàn）機驅動的為旋轉運動。使（shǐ）用直接驅動技術的（de）數控機床不（bú）需要一係列的機械（xiè）傳動係統如（rú）齒輪傳（chuán）動係統（tǒng）、皮帶傳動係（xì）統等，真正做到了“零傳動（dòng）”，真（zhēn）正避免了傳動過程中的各種（zhǒng）誤差的產生和累加，減少了傳動過程（chéng）能量的損（sǔn）耗，提高了傳動（dòng）的精度和傳動的效率。

2.3　熱平衡設計技（jì）術

熱平衡設計技術是指利用熱平衡定律（或稱熱交換定律）進行設備設計的一種技術。其基（jī）本原理是在熱（rè）量交換的過程中，假設熱量不會損失，在沒有（yǒu）熱（rè）和（hé）功轉變的情況下，初（chū）始狀態和最終狀態時熱量均（jun1）達到平衡狀態（tài），此時高溫物體的內能減少量就等（děng）於低溫物體的內能增加量，用（yòng）方程表示為（wéi）Q放＝Q吸（其（qí）中Q表示熱（rè）量）。在數控機（jī）床（chuáng）工作時，熱量的誤差（chà）是（shì）其最重（chóng）要的誤差源，約占機床總誤差的70%。因此（cǐ），利用熱平衡設計技術來改善數（shù）控機床的熱性能，能有效提高機床的加工精度，這是數控機床的（de）一種重要改（gǎi）造方法。

2.4　虛擬設計技術

虛擬（nǐ）設計技術是一種（zhǒng）嶄（zhǎn）新的設計技術（shù），它（tā）是（shì）利用計算機仿真技（jì）術來虛擬真實（shí）加工製造的情況（kuàng），並對此製造過程（chéng）及其對產品質（zhì）量的影（yǐng）響進行分析（xī）評估，然後對虛擬設計的機床進行調整，反（fǎn）複推敲並完善設（shè）計。采用這種新技術進行（háng）數控機床的設計和改造，能有效提（tí）高機床的設計和改造質量，縮短（duǎn）研發周期，降低研發成（chéng）本，使新產品（pǐn）的誕生更經（jīng）濟、更快速。目前，這（zhè）種技術在數控機（jī）床上的應用雖然在機床的結構、幾何尺寸等方麵的數（shù）字化建模取得了成功，但在（zài）數控機（jī）床的切削加工（gōng）過程的仿真模擬效果仍未達到預期。相信隨（suí）著科技的發展進（jìn）步，虛擬（nǐ）設計技術（shù）在數（shù）控機床上的應用會更加成熟和（hé）可（kě）靠。

2.5　有限元分析技術

有限元分（fèn）析技術是用數學模型近似真實（shí）的物（wù）理（lǐ）係統而進行的模擬分析技術。具體地說，就是用若（ruò）幹個簡單而有（yǒu）關聯的小單元代替整體，然後對各小（xiǎo）單元進行分析求解，最後再歸納總結（jié），從而實現了（le）將複雜的問題轉（zhuǎn）為較簡單的問題，為看似不可（kě）能解決的真實問（wèn）題提（tí）供了（le）一種有效（xiào）的（de）解決方法，其未來的發展空間很大。

3.數控機床的改造方法（fǎ）與實例分析

結合數控（kòng）機（jī）床的結構與原理，總結關鍵設計技（jì）術（shù）的特點，數控機（jī）床的技術（shù）改造可（kě）以從機床工作台、動力係統、機床主軸等結構上進行技術改造。具體改造方法與（yǔ）應用實例結果總結如下：

3.1　質（zhì）心驅動設計技術應用在機床工作（zuò）台結構的改造分析質

心驅動設計（jì）技術的概念最早是由日本森精機提出（chū）並（bìng）應用在數控機床上的，主要應用在機床的工作台結構。機床的工作台結構通常由工作台和滑台兩部分組成，其中工作（zuò）台的質（zhì）量一般較（jiào）輕且在滑台上，由滑台承受其全部（bù）重量。一般情況下，數控機床工作（zuò）時，工（gōng）作台在質心位置受到驅動力的作（zuò）用而做橫向直線運動，工作穩定；而滑台因承載工作台的重量而質心隨著工作台的移動而（ér）不斷變化，且滑台受（shòu）單個驅動力的作用（yòng），容易出現轉動或振動（dòng）等使其工作（zuò）不穩定（dìng）。由此可見，運用（yòng）質心（xīn）驅動設計（jì）技術對機床工作台結構（gòu）進行改造的方法是將其單個驅動方式改為兩邊（biān）驅動方式，即在以滑（huá）台質心為（wéi）對稱點的兩側，分別同時施加兩個相（xiàng）同的驅動力，使滑台受到對稱的兩個驅動力同時（shí）作用，從（cóng）而減少因力臂而產（chǎn）生的扭轉力矩對機床工作（zuò）台的影響，使其工作更加穩定。為了驗證這（zhè）個觀點，日本森精機進行了大量（liàng）試驗，研究結果表明，這種方法不（bú）僅（jǐn）可以減少設備在高（gāo）速運動過程中所產生的振動，還可以（yǐ）提高工件加工表麵的（de）質量精度（dù）等。

3.2　直接驅動（dòng）技術應用於機床動力係統的改造分析

隨著科（kē）學技術的不斷發展，直接驅動技（jì）術的發展取得明顯的進步，從而大大地簡化了電機與從動部（bù）件之間的傳（chuán）動環節，並最終實現了“零傳動”。在數控機床的改造和開發設計過程中，應用直接驅動技術（shù）改造機床的動力係統，取代傳統的非直接驅動係（xì）統，不僅能大大提高機床（chuáng）的響應速度（dù）和定位精度（dù），還能使數控機床向高性能化發展邁進了一大步。

3.3　熱平衡設計結合有限元分析技（jì）術應用於主軸（zhóu）結構的改（gǎi）造分析

數控機床的（de）主軸結構主（zhǔ）要包括主軸、電機和軸承等，在數控（kòng）機床高速運轉時，其電機和軸（zhóu）承（chéng）將產生大量熱量，使整個（gè）主軸結構組件出現（xiàn）局部高溫的現象，即出現了較大（dà）的溫差，於是在熱（rè）脹（zhàng）冷縮的影響下，機床主軸會產生局部的熱變形（xíng），其（qí）軸線（xiàn）隨變形方向而（ér）上升或下降，最終導致機床的加工精（jīng）度出現不穩定的波動變化。為解決這一問題，結合上文中關於數控機（jī）床的幾種關鍵設計技術（shù）的介紹內容，最有效的解決方法是采用熱平衡設計原理結合有限元分析（xī）技術，並將（jiāng）其應用於數控機床的主軸結（jié）構（gòu）的改造中。具體方法是利（lì）用計算機建立機床主（zhǔ）軸的有限元（yuán）分析（xī）模型，並對其（qí）進行熱特性分析，同時結合熱平衡原理（lǐ），製定可行的解（jiě）決方案，並從中選擇較合理的方案措施來控製且減少主軸（zhóu）結構的（de）局部升溫（wēn），縮少主軸結構各部分的溫差變化，使其盡量達（dá）到熱平衡狀態，從（cóng）而減少其熱變形量（liàng），提（tí）高機（jī）床加工精度的穩定性。

3.4　虛擬設計技術應用於切削機構的改造分析

目前，虛擬設計技術在數控機床的應用（yòng）上，其重點和（hé）難點在於針對數控機床的切削加工過（guò）程的仿真模擬，包括切削（xuē）過程中刀具和工件的幾何、運動、動力（包括熱）等特征的仿真。因（yīn）此，需要（yào）不斷提高切削（xuē）加工過程的仿真度，並在不斷的虛擬分析過程中，預測切削機構的加工（gōng）性能，從而提高切（qiē）削機構（gòu）的（de）改（gǎi）造（zào）質量和改造速度，最終（zhōng）實現機床的優化和改造。

4.結語

隨著高性能數控機床的不（bú）斷發展壯大，現有的數控機床需（xū）要結合自身的結構和原理特點進行改造，以便其滿（mǎn）足新時（shí）代的市場要求。因此，將關鍵設（shè）計技術應用於數控機（jī）床的（de）技術改造和實踐過程中，如機床工作台的質心驅動設計技術改造、機床動力係統的直（zhí）接驅動技術改造、主軸結構的熱平衡設計結合有限元分析（xī）技術改（gǎi）造和（hé）切削機構的虛擬設計技術改造等（děng），相信持續不斷的研發和實踐，數控機床將（jiāng）向著高速、高精、高穩定性的（de）方向（xiàng）發展。

投稿箱：
如果您有機床行（háng）業、企業相關新聞稿件發表（biǎo），或進行資訊合作（zuò），歡迎聯係本網編輯部，郵箱（xiāng）：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦

業界視點

| 更多

行業（yè）數據

| 更多

博文選萃

| 更多