初探數控機床的關鍵設計技術與改造方法

摘要：隨著工業技術設備的發展進步，高精度、高穩定性、高效率、高自動化的數控機床越來越受企業的青睞，但由于成本的問題，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場要求。文章通過對數控機床的關鍵設計技術的分析，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；現代制造業 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG519 文章編號：1009-2374（2016）10-0036-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.10.017

隨著現代制造業的加工技術設備的不斷發展進步，數控機床向著高精度、高穩定性、高效率、高自動化的方向不斷前進。目前，高性能的數控機床在我國仍占少數，廣大的數控機床仍存在很大的升級空間。因此，對數控機床的關鍵設計技術的研究分析，并結合這些關鍵設計技術總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制機器的一種技術方法，即按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，就是指利用數控技術的一類機床的統稱。按其控制方式的不同進行分類，可以分為三類，包括開環控制數控機床、閉環控制數控機床和半閉環控制數控機床。目前數控機床使用的控制系統主要有法拉克、華中、廣數、西門子、三菱等。可以說，數控機床是集機床、計算機、電機及運動控制、檢測等技術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、動力系統、測量裝置及機床等，如圖1所示：

圖1 數控機床的組成結構圖

其中輸入輸出裝置指程序編制及程序載體。數控裝置（或稱CNC裝置）被稱為數控機床的“主腦”，它包括硬件和軟件兩大部分，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并將信息反饋給數控機床“主腦”的裝置。機床即機床本體，包括主軸、進給、床身、工作臺以及輔助運動裝置、液壓氣動系統、潤滑系統、冷卻裝置等。

綜上所述，數控機床的工作原理是將所有加工相關的數據信息以數字和字符的編碼方式進行記錄，然后利用數控裝置內的計算機對其進行一系列處理后，發出指令，命令執行機構自動控制并完成加工所需的各項動作，如刀具相對于工件的運動軌跡、位移量和速度等，從而完成工件的加工。

2 數控機床的幾種關鍵設計技術

在數控機床改造方法的探究路上，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

質心驅動設計技術（俗稱“推中心”技術）是一項由機械系統動力學理論發展而來的技術。其原理是：當驅動力作用的位置不在物體的質心位置時，就會出現一個扭轉力矩，使物體發生轉動或振動等不穩定的現象，若作用力一定時，力的作用位置與物體質心位置的距離越遠，這個扭轉力矩就會越大，物體發生轉動或振動的現象就會越明顯；當力作用的位置剛好在質心位置時，就不會出現扭轉力矩，此時物體只會沿著導軌穩定地做直線運動。

2.2 直接驅動技術

直接驅動技術是指將伺服電機直接聯接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機驅動兩大類，其中直線電機驅動的為直線運動，力矩電機驅動的為旋轉運動。使用直接驅動技術的數控機床不需要一系列的機械傳動系統如齒輪傳動系統、皮帶傳動系統等，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 熱平衡設計技術

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。其基本原理是在熱量交換的過程中，假設熱量不會損失，在沒有熱和功轉變的情況下，初始狀態和最終狀態時熱量均達到平衡狀態，此時高溫物體的內能減少量就等于低溫物體的內能增加量，用方程表示為Q放=Q吸（其中Q表示熱量）。在數控機床工作時，熱量的誤差是其最重要的誤差源，約占機床總誤差的70%。因此，利用熱平衡設計技術來改善數控機床的熱性能，能有效提高機床的加工精度，這是數控機床的一種重要改造方法。

2.4 虛擬設計技術

虛擬設計技術是一種嶄新的設計技術，它是利用計算機仿真技術來虛擬真實加工制造的情況，并對此制造過程及其對產品質量的影響進行分析評估，然后對虛擬設計的機床進行調整，反復推敲并完善設計。采用這種新技術進行數控機床的設計和改造，能有效提高機床的設計和改造質量，縮短研發周期，降低研發成本，使新產品的誕生更經濟、更快速。目前，這種技術在數控機床上的應用雖然在機床的結構、幾何尺寸等方面的數字化建模取得了成功，但在數控機床的切削加工過程的仿真模擬效果仍未達到預期。相信隨著科技的發展進步，虛擬設計技術在數控機床上的應用會更加成熟和可靠。

2.5 有限元分析技術

有限元分析技術是用數學模型近似真實的物理系統而進行的模擬分析技術。具體地說，就是用若干個簡單而有關聯的小單元代替整體，然后對各小單元進行分析求解，最后再歸納總結，從而實現了將復雜的問題轉為較簡單的問題，為看似不可能解決的真實問題提供了一種有效的解決方法，其未來的發展空間很大。

3 數控機床的改造方法與實例分析

結合數控機床的結構與原理，總結關鍵設計技術的特點，數控機床的技術改造可以從機床工作臺、動力系統、機床主軸等結構上進行技術改造。具體改造方法與應用實例結果總結如下：

3.1 質心驅動設計技術應用在機床工作臺結構的改造分析

質心驅動設計技術的概念最早是由日本森精機提出并應用在數控機床上的，主要應用在機床的工作臺結構。機床的工作臺結構通常由工作臺和滑臺兩部分組成，其中工作臺的質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，數控機床工作時，工作臺在質心位置受到驅動力的作用而做橫向直線運動，工作穩定；而滑臺因承載工作臺的重量而質心隨著工作臺的移動而不斷變化，且滑臺受單個驅動力的作用，容易出現轉動或振動等使其工作不穩定。由此可見，運用質心驅動設計技術對機床工作臺結構進行改造的方法是將其單個驅動方式改為兩邊驅動方式，即在以滑臺質心為對稱點的兩側，分別同時施加兩個相同的驅動力，使滑臺受到對稱的兩個驅動力同時作用，從而減少因力臂而產生的扭轉力矩對機床工作臺的影響，使其工作更加穩定。為了驗證這個觀點，日本森精機進行了大量試驗，研究結果表明，這種方法不僅可以減少設備在高速運動過程中所產生的振動，還可以提高工件加工表面的質量精度等。

3.2 直接驅動技術應用于機床動力系統的改造分析

隨著科學技術的不斷發展，直接驅動技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件之間的傳動環節，并最終實現了“零傳動”。在數控機床的改造和開發設計過程中，應用直接驅動技術改造機床的動力系統，取代傳統的非直接驅動系統，不僅能大大提高機床的響應速度和定位精度，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術應用于主軸結構的改造分析

數控機床的主軸結構主要包括主軸、電機和軸承等，在數控機床高速運轉時，其電機和軸承將產生大量熱量，使整個主軸結構組件出現局部高溫的現象，即出現了較大的溫差，于是在熱脹冷縮的影響下，機床主軸會產生局部的熱變形，其軸線隨變形方向而上升或下降，最終導致機床的加工精度出現不穩定的波動變化。為解決這一問題，結合上文中關于數控機床的幾種關鍵設計技術的介紹內容，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技術，并將其應用于數控機床的主軸結構的改造中。具體方法是利用計算機建立機床主軸的有限元分析模型，并對其進行熱特性分析，同時結合熱平衡原理，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構的局部升溫，縮少主軸結構各部分的溫差變化，使其盡量達到熱平衡狀態，從而減少其熱變形量，提高機床加工精度的穩

定性。

3.4 虛擬設計技術應用于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上，其重點和難點在于針對數控機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，預測切削機構的加工性能，從而提高切削機構的改造質量和改造速度，最終實現機床的優化和改造。

4 結語

隨著高性能數控機床的不斷發展壯大，現有的數控機床需要結合自身的結構和原理特點進行改造，以便其滿足新時代的市場要求。因此，將關鍵設計技術應用于數控機床的技術改造和實踐過程中，如機床工作臺的質心驅動設計技術改造、機床動力系統的直接驅動技術改造、主軸結構的熱平衡設計結合有限元分析技術改造和切削機構的虛擬設計技術改造等，相信持續不斷的研發和實踐，數控機床將向著高速、高精、高穩定性的方向發展。

參考文獻

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作者簡介：黎佐興（1988-），男，江西人，供職于廣東東方精工科技股份有限公司，研究方向：機械設計制造及其自動化。

（責任編輯：黃銀芳）