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初探數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)與改造方法

2016-10-18 來源：廣東東方精工科技股份有限公司作者：黎佐興

摘要：隨著工業(yè)技術(shù)設(shè)備的發(fā)展進(jìn)步，高精度、高穩(wěn)定性、高效率、高自動化的數(shù)控機(jī)床越來越受企業(yè)的青睞，但由于成本的問題，更多企業(yè)期望在現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上對設(shè)備進(jìn)行改造更新，使其更能滿足新時代的市場要求。文章通過對數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)的分析，結(jié)合關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)總結(jié)了數(shù)控機(jī)床的改造方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)；改造方法；工業(yè)技術(shù)設(shè)備；現(xiàn)代制造業(yè)

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的加工技術(shù)設(shè)備的不斷發(fā)展進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床向著高精度、高穩(wěn)定性、高效率、高自動化的方向不斷前進(jìn)。目前，高性能的數(shù)控機(jī)床在我國仍占少數(shù)，廣大的數(shù)控機(jī)床仍存在很大的升級空間。因此，對數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)的研究分析，并結(jié)合這些關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)總結(jié)數(shù)控機(jī)床的改造方法，意義重大。

1.數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)與原理

數(shù)控技術(shù)是指利用電腦程序控制機(jī)器的一種技術(shù)方法，即按技術(shù)員事先編好的程序?qū)C(jī)械零件進(jìn)行加工的過程。所謂數(shù)控機(jī)床，就是指利用數(shù)控技術(shù)的一類機(jī)床的統(tǒng)稱。按其控制方式的不同進(jìn)行分類，可以分為三類，包括開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床、閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床和半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床。目前數(shù)控機(jī)床使用的控制系統(tǒng)主要有法拉克、華中、廣數(shù)、西門子、三菱等。可以說，數(shù)控機(jī)床是集機(jī)床、計(jì)算機(jī)、電機(jī)及運(yùn)動控制、檢測等技術(shù)為一體的自動化設(shè)備。其基本結(jié)構(gòu)組成包括輸入輸出裝置、數(shù)控裝置、動力系統(tǒng)、測量裝置及機(jī)床等，如圖1所示：

圖1　數(shù)控機(jī)床的組成結(jié)構(gòu)圖

其中輸入輸出裝置指程序編制及程序載體。數(shù)控裝置（或稱CNC裝置）被稱為數(shù)控機(jī)床的“主腦”，它包括硬件和軟件兩大部分，主要負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)和指揮工作。測量裝置是檢測各坐標(biāo)軸的實(shí)際位移量并將信息反饋給數(shù)控機(jī)床“主腦”的裝置。機(jī)床即機(jī)床本體，包括主軸、進(jìn)給、床身、工作臺以及輔助運(yùn)動裝置、液壓氣動

系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻裝置等。

綜上所述，數(shù)控機(jī)床的工作原理是將所有加工相關(guān)的數(shù)據(jù)信息以數(shù)字和字符的編碼方式進(jìn)行記錄，然后利用數(shù)控裝置內(nèi)的計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行一系列處理后，發(fā)出指令，命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動控制并完成加工所需的各項(xiàng)動作，如刀具相對于工件的運(yùn)動軌跡、位移量和速度等，從而完成工件的加工。

2.數(shù)控機(jī)床的幾種關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)

在數(shù)控機(jī)床改造方法的探究路上，有幾種關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)十分重要，具體總結(jié)如下：

2.1　質(zhì)心驅(qū)動設(shè)計(jì)技術(shù)

質(zhì)心驅(qū)動設(shè)計(jì)技術(shù)（俗稱“推中心”技術(shù)）是一項(xiàng)由機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)理論發(fā)展而來的技術(shù)。其原理是：當(dāng)驅(qū)動力作用的位置不在物體的質(zhì)心位置時，就會出現(xiàn)一個扭轉(zhuǎn)力矩，使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動或振動等不穩(wěn)定的現(xiàn)象，若作用力一定時，力的作用位置與物體質(zhì)心位置的距離越遠(yuǎn)，這個扭轉(zhuǎn)力矩就會越大，物體發(fā)生轉(zhuǎn)動或振動的現(xiàn)象就會越明顯；當(dāng)力作用的位置剛好在質(zhì)心位置時，就不會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)力矩，此時物體只會沿著導(dǎo)軌穩(wěn)定地做直線運(yùn)動。

2.2　直接驅(qū)動技術(shù)

直接驅(qū)動技術(shù)是指將伺服電機(jī)直接聯(lián)接或牢固在從動部件上的一種技術(shù)。根據(jù)電機(jī)的運(yùn)動類型一般可以分為直線電機(jī)驅(qū)動和力矩電機(jī)驅(qū)動兩大類，其中直線電機(jī)驅(qū)動的為直線運(yùn)動，力矩電機(jī)驅(qū)動的為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。使用直接驅(qū)動技術(shù)的數(shù)控機(jī)床不需要一系列的機(jī)械傳動系統(tǒng)如齒輪傳動系統(tǒng)、皮帶傳動系統(tǒng)等，真正做到了“零傳動”，真正避免了傳動過程中的各種誤差的產(chǎn)生和累加，減少了傳動過程能量的損耗，提高了傳動的精度和傳動的效率。

2.3　熱平衡設(shè)計(jì)技術(shù)

熱平衡設(shè)計(jì)技術(shù)是指利用熱平衡定律（或稱熱交換定律）進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)的一種技術(shù)。其基本原理是在熱量交換的過程中，假設(shè)熱量不會損失，在沒有熱和功轉(zhuǎn)變的情況下，初始狀態(tài)和最終狀態(tài)時熱量均達(dá)到平衡狀態(tài)，此時高溫物體的內(nèi)能減少量就等于低溫物體的內(nèi)能增加量，用方程表示為Q放＝Q吸（其中Q表示熱量）。在數(shù)控機(jī)床工作時，熱量的誤差是其最重要的誤差源，約占機(jī)床總誤差的70%。因此，利用熱平衡設(shè)計(jì)技術(shù)來改善數(shù)控機(jī)床的熱性能，能有效提高機(jī)床的加工精度，這是數(shù)控機(jī)床的一種重要改造方法。

2.4　虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)

虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是一種嶄新的設(shè)計(jì)技術(shù)，它是利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來虛擬真實(shí)加工制造的情況，并對此制造過程及其對產(chǎn)品質(zhì)量的影響進(jìn)行分析評估，然后對虛擬設(shè)計(jì)的機(jī)床進(jìn)行調(diào)整，反復(fù)推敲并完善設(shè)計(jì)。采用這種新技術(shù)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)和改造，能有效提高機(jī)床的設(shè)計(jì)和改造質(zhì)量，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，使新產(chǎn)品的誕生更經(jīng)濟(jì)、更快速。目前，這種技術(shù)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用雖然在機(jī)床的結(jié)構(gòu)、幾何尺寸等方面的數(shù)字化建模取得了成功，但在數(shù)控機(jī)床的切削加工過程的仿真模擬效果仍未達(dá)到預(yù)期。相信隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用會更加成熟和可靠。

2.5　有限元分析技術(shù)

有限元分析技術(shù)是用數(shù)學(xué)模型近似真實(shí)的物理系統(tǒng)而進(jìn)行的模擬分析技術(shù)。具體地說，就是用若干個簡單而有關(guān)聯(lián)的小單元代替整體，然后對各小單元進(jìn)行分析求解，最后再歸納總結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了將復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)為較簡單的問題，為看似不可能解決的真實(shí)問題提供了一種有效的解決方法，其未來的發(fā)展空間很大。

3.數(shù)控機(jī)床的改造方法與實(shí)例分析

結(jié)合數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)與原理，總結(jié)關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)的特點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床的技術(shù)改造可以從機(jī)床工作臺、動力系統(tǒng)、機(jī)床主軸等結(jié)構(gòu)上進(jìn)行技術(shù)改造。具體改造方法與應(yīng)用實(shí)例結(jié)果總結(jié)如下：

3.1　質(zhì)心驅(qū)動設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用在機(jī)床工作臺結(jié)構(gòu)的改造分析質(zhì)

心驅(qū)動設(shè)計(jì)技術(shù)的概念最早是由日本森精機(jī)提出并應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床上的，主要應(yīng)用在機(jī)床的工作臺結(jié)構(gòu)。機(jī)床的工作臺結(jié)構(gòu)通常由工作臺和滑臺兩部分組成，其中工作臺的質(zhì)量一般較輕且在滑臺上，由滑臺承受其全部重量。一般情況下，數(shù)控機(jī)床工作時，工作臺在質(zhì)心位置受到驅(qū)動力的作用而做橫向直線運(yùn)動，工作穩(wěn)定；而滑臺因承載工作臺的重量而質(zhì)心隨著工作臺的移動而不斷變化，且滑臺受單個驅(qū)動力的作用，容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)動或振動等使其工作不穩(wěn)定。由此可見，運(yùn)用質(zhì)心驅(qū)動設(shè)計(jì)技術(shù)對機(jī)床工作臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造的方法是將其單個驅(qū)動方式改為兩邊驅(qū)動方式，即在以滑臺質(zhì)心為對稱點(diǎn)的兩側(cè)，分別同時施加兩個相同的驅(qū)動力，使滑臺受到對稱的兩個驅(qū)動力同時作用，從而減少因力臂而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩對機(jī)床工作臺的影響，使其工作更加穩(wěn)定。為了驗(yàn)證這個觀點(diǎn)，日本森精機(jī)進(jìn)行了大量試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，這種方法不僅可以減少設(shè)備在高速運(yùn)動過程中所產(chǎn)生的振動，還可以提高工件加工表面的質(zhì)量精度等。

3.2　直接驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床動力系統(tǒng)的改造分析

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，直接驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展取得明顯的進(jìn)步，從而大大地簡化了電機(jī)與從動部件之間的傳動環(huán)節(jié)，并最終實(shí)現(xiàn)了“零傳動”。在數(shù)控機(jī)床的改造和開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用直接驅(qū)動技術(shù)改造機(jī)床的動力系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)的非直接驅(qū)動系統(tǒng)，不僅能大大提高機(jī)床的響應(yīng)速度和定位精度，還能使數(shù)控機(jī)床向高性能化發(fā)展邁進(jìn)了一大步。

3.3　熱平衡設(shè)計(jì)結(jié)合有限元分析技術(shù)應(yīng)用于主軸結(jié)構(gòu)的改造分析

數(shù)控機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)主要包括主軸、電機(jī)和軸承等，在數(shù)控機(jī)床高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，其電機(jī)和軸承將產(chǎn)生大量熱量，使整個主軸結(jié)構(gòu)組件出現(xiàn)局部高溫的現(xiàn)象，即出現(xiàn)了較大的溫差，于是在熱脹冷縮的影響下，機(jī)床主軸會產(chǎn)生局部的熱變形，其軸線隨變形方向而上升或下降，最終導(dǎo)致機(jī)床的加工精度出現(xiàn)不穩(wěn)定的波動變化。為解決這一問題，結(jié)合上文中關(guān)于數(shù)控機(jī)床的幾種關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)的介紹內(nèi)容，最有效的解決方法是采用熱平衡設(shè)計(jì)原理結(jié)合有限元分析技術(shù)，并將其應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)的改造中。具體方法是利用計(jì)算機(jī)建立機(jī)床主軸的有限元分析模型，并對其進(jìn)行熱特性分析，同時結(jié)合熱平衡原理，制定可行的解決方案，并從中選擇較合理的方案措施來控制且減少主軸結(jié)構(gòu)的局部升溫，縮少主軸結(jié)構(gòu)各部分的溫差變化，使其盡量達(dá)到熱平衡狀態(tài)，從而減少其熱變形量，提高機(jī)床加工精度的穩(wěn)定性。

3.4　虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于切削機(jī)構(gòu)的改造分析

目前，虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用上，其重點(diǎn)和難點(diǎn)在于針對數(shù)控機(jī)床的切削加工過程的仿真模擬，包括切削過程中刀具和工件的幾何、運(yùn)動、動力（包括熱）等特征的仿真。因此，需要不斷提高切削加工過程的仿真度，并在不斷的虛擬分析過程中，預(yù)測切削機(jī)構(gòu)的加工性能，從而提高切削機(jī)構(gòu)的改造質(zhì)量和改造速度，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)床的優(yōu)化和改造。

4.結(jié)語

隨著高性能數(shù)控機(jī)床的不斷發(fā)展壯大，現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床需要結(jié)合自身的結(jié)構(gòu)和原理特點(diǎn)進(jìn)行改造，以便其滿足新時代的市場要求。因此，將關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的技術(shù)改造和實(shí)踐過程中，如機(jī)床工作臺的質(zhì)心驅(qū)動設(shè)計(jì)技術(shù)改造、機(jī)床動力系統(tǒng)的直接驅(qū)動技術(shù)改造、主軸結(jié)構(gòu)的熱平衡設(shè)計(jì)結(jié)合有限元分析技術(shù)改造和切削機(jī)構(gòu)的虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)改造等，相信持續(xù)不斷的研發(fā)和實(shí)踐，數(shù)控機(jī)床將向著高速、高精、高穩(wěn)定性的方向發(fā)展。

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