數控機床設計數字化體系的研究與應用

李玲玲

摘 要：本文結合企業現狀，以及國際先進制造技術的發展趨勢，對數字化機床設計體系結構、原理、問題等進行了簡要探究。

關鍵詞：數控機床設計；數字化；應用

重型數控機床主要應用于國防領域、航空領域、能源領域、交通領域、工程領域等工業支柱型領域。目前，我國自主研發的重型機床和超重型機床基本滿足了現實發展的要求，國際化水準也日益提高。比如，我國我國成功研發的能夠加工直徑長達25m的超重型數控立式銑車床，加工寬度高達10m的數控龍門鏜銑床，回轉直徑在5m以上的數控重型臥式車床等擁有自主知識產權，完全可媲美國際先進重型機床。為了進一步刺激內需，確保經濟穩定發展，國家不斷加強對企業自主研發的政策扶持，可以說，加快產品研發速度已經成為企業發展的重要戰略方針。

1 數控機床的組成及工作原理

數控機床，顧名思義，就是利用了數字技術的機床，就是利用數字技術控制機床運行的過程。具體來講，就是將具體加工信息和運行參數轉化為數字信息，并記錄在程序介質上，然后將其納入數控系統，最后經過一系列的計算機語言轉換，實現對機床加工的自動控制，從而加工出規格尺寸都達標的零件，這就是我們通常所講的數控機床。目前，數控機床運動軌跡主要分為點位控制運動、連續控制運動和直線控制運動三種形式。

1.1 根據伺服系統進行的分類

由數控裝置發出數字信號，然后通過伺服系統對機床進行自動化控制。根據伺服系統的不同類型可將數控方式分為三種，主要包括開環、閉環、半閉環控制系統。

1.2 數控機床的硬件系統

通常來講，數控機床的硬件系統主要由輸入設備、輸出設備、伺服單元、執行機構、PLC、輔助裝置、機床床體、電氣控制裝置及測量裝置構成。

2 數字化機床設計體系結構

加快新產品的研發設計，盡量滿足各種加工的新需求，是機床企業的主要工作內容，因此機床企業要加強創新設計，不斷完善數字化機床設計體系。目前新產品研發主要分為三類：

（1）拓展規格尺寸等表層化設計，豐富機床加工功能，擴大機床加工范圍；

（2）新功能的拓展設計，比如復合機床、反結構機床設計等；

（3）全新規格、全新功能和全新機構的機床研發，比如虛擬軸機床、機器人機床等；

在上述三種類型新產品研發方式中，前兩種是最為常見的。在數字化機床設計體系結構的創新過程中，一定要注重用戶導向功能的分析與選擇，在充分掌握功能系統運行規律的基礎上，靈活構建系統應用平臺。在滿足用戶要求和性能要求的前提下實現體系結構的創新。若是結構求解存在多解，那么就采用多變量模糊隸屬度函數進行加權判別，最后選擇符合度最高的機構。

以復合變異結構為基礎進行創新設計，以形成全新的設計體系結構。該思路就是將無參照新產品研發納入計算分析開發模式，然后制定出一個方向明確的研發方案，并搭建完善的研發平臺。

3 現代數控機床設計特點和問題

3.1 現代數控機床的特點

目前，隨著數字化信息技術的日益成熟，數控機床的現代化水平越來越高，現代化特征也日益明顯。隨著現代科學技術日新月異的發展，數控機床設計也呈現了許多新變化、新特征：

（1）高指標。數控機床作為現代化高端產品，性能要求日益提高。效率、速度、精度、安全性已經成為衡量產品競爭力的核心指標。

（2）功能部件技術。隨著功能部件生產的專業化、精準化水平日益提高，進一步推動了數控機床質量的提高，也充分體現了數控機床產品的設計特征。目前，在我國自主研發的機床中，外購功能部件是非常普遍的現象，并成為了我國數控機床生產的一大特征。據不完全統計，一臺數控機床的成本構成中，電主軸、數控系統和其他輔助元件分別占33、25%和30%。

3.2 數控機床設計制造中存在的問題

就現狀來講，雖然我國數控機床設計制造已經取得了顯著成績，但客觀來講，相比于西方發達國家，我國在高端數控機床設計制造領域還存在較大差距，并存在以下幾點問題：

（1）新產品研發水平不高，設計領域和工藝領域的仿造現象還很普遍；

（2）以外購功能部件組裝機床已經成為主流，企業無法形成品牌核心競爭力，因此阻礙了機床制造企業的市場拓展；

（3）機床設計完全從用戶需求出發，根本沒有考慮指標性能方面的設計需要。

3.3 現代數控產品設計特征

（1）創新性強。采用新理念、新方法研發出符合市場需求、核心競爭力強的數控技術和數控產品。比如機器人機床、虛擬軸和反結構，運動驅動等現代化理念的廣泛普及，有效促進了數控機床技術的創新發展。

（2）計算設計技術的成熟。在數字化設計領域，計算設計已經成為最顯著的優勢，對提高數字化設計水平具有關鍵意義。該技術徹底顛覆了傳統的設計體系，在理念與方法等方面帶來了一場深刻的變革。計算設計理念充分體現在數控設計制造的各個環節，結合計算仿真分析的應用，已經成為提高機床產品精準性、可靠性的關鍵。

（3）仿真考察設計的應用。信息化技術在數控機床設計制造領域的廣泛應用，全面縮短了新產品的研發周期，有效提高了產品質量。合理利用仿真軟件和技術，能夠及時修改、優化設計指標，及時消除錯誤，降低設計成本和縮減研發周期。仿真能夠應用在裝配、加工、性能測試等多個緩解，在很大程度上降低了設計誤差的產生，改正設計考察階段出現的錯誤，極大地提高了設計質量和設計效率。

4 結語

目前，我國已經成為全球最大的數控機床消費市場，但是高端數控機床的設計制造還無法與國際先進國家相比，在產品研發和技術創新方面尚有很大差距。數字化設計系統的建設和發展對提高我國數控機床的設計水平和制造能力具有非常重要的推動作用。因此，加強對數控機床設計數字化體系的研究，不僅具有非常重要的理論價值，而且具有非常重要的現實意義。

參考文獻 ：

[1]曠英姬，趙鑫.數控機床人機工程設計原則的研究[J].2007.

[2]劉英.面向機床產品協同數字化設計關鍵技術的研究[D].2006.

[3]貢智兵.基于產品平臺的快速設計關鍵技術研究及實現[D].2006.