數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造技術(shù)優(yōu)化

曹勁草

摘要：近年我國工業(yè)技術(shù)水平已經(jīng)取得了良好發(fā)展和具體完善，而且在當(dāng)前社會相關(guān)的領(lǐng)域和一些機(jī)械制造業(yè)中也相對獲得了更加有效的提升。為了能夠促進(jìn)社會市場經(jīng)濟(jì)和相關(guān)領(lǐng)域的穩(wěn)定性和基礎(chǔ)建設(shè)能力，在社會發(fā)展的過程中，需要不斷完善和提升自身數(shù)控機(jī)床的具體應(yīng)用能力。本文探究數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造技術(shù)優(yōu)化，先討論主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后討論關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過具體案例設(shè)計的方式，呈現(xiàn)出數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)果設(shè)計效果，并給出具體的技術(shù)優(yōu)化策略，期望能夠改善現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計狀態(tài)，推動數(shù)控機(jī)床機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;機(jī)械結(jié)構(gòu);制造技術(shù)

0 ?引言

當(dāng)前狀態(tài)下數(shù)控機(jī)床技術(shù)屬于新時期所衍生出的具備自動化特點的技術(shù)，其呈現(xiàn)出機(jī)電一體化的特點。在科學(xué)技術(shù)水平不斷提升的情況下，機(jī)械設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)設(shè)備開始受到關(guān)注，而設(shè)備結(jié)構(gòu)的合理性關(guān)系到其性能的呈現(xiàn)，也關(guān)系到其在實際工作應(yīng)用階段所展現(xiàn)出的功能效果。為此，機(jī)械設(shè)備的設(shè)計環(huán)節(jié)需要重點關(guān)注結(jié)構(gòu)射界。本文針對數(shù)控機(jī)床設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計展開研究，在明確主軸結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點情況下，期望能夠提升數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)性能，并且迎合設(shè)備自動化的發(fā)展需求。

1 ?數(shù)控機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

在數(shù)控機(jī)床設(shè)備中，主軸是其技術(shù)核心環(huán)節(jié)，其工作效能和質(zhì)量將直接決定設(shè)備的運行狀態(tài)和發(fā)展情況，所以，設(shè)計好主軸異常關(guān)鍵，主軸的設(shè)計必須要根據(jù)不同型號的數(shù)控機(jī)床制定科學(xué)的方案，并制定切實可行的維修方案。數(shù)控機(jī)床在運作過程中呈現(xiàn)出了高效率和高質(zhì)量的特點，而為了穩(wěn)定數(shù)控機(jī)床的特質(zhì)，需要在機(jī)床設(shè)計階段就做好結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)度設(shè)計，尤其是主軸結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)度設(shè)計。據(jù)悉，主軸結(jié)構(gòu)的傳動裝置精確度將會對主軸內(nèi)部的各個組件運轉(zhuǎn)情況產(chǎn)生影響，因為在主軸結(jié)構(gòu)中包含不同類型的齒輪和零部件，這些部件相互連接才能夠起到傳動效果。而如果零部件之間的連接狀態(tài)不理想，那么傳動精確度也會受到影響，誤差增大情況下，主軸結(jié)構(gòu)中的零件可能會因此變形[1]。零部件在和主軸接觸的時候整體形狀的變化和機(jī)床表面的粗糙程度有直接關(guān)系，如果零部件在和主軸表面進(jìn)行接觸的時候，其整體形狀呈現(xiàn)出變形較小的情況，那么在受到機(jī)床主軸的壓力以后，零部件的整體變形幅度也會比較小。對于數(shù)控機(jī)床來講，主軸當(dāng)中的傳動裝置是整個機(jī)床自動化系統(tǒng)當(dāng)中最為重要的傳動部件，其傳動的精確度和強(qiáng)度都直接影響機(jī)床的切削速度或者是切削質(zhì)量[2]。為此，需要在設(shè)計主軸結(jié)構(gòu)期間，規(guī)范主軸的徑向力以及剛度狀態(tài)，并且依據(jù)數(shù)控機(jī)床的實際運作情況來采取對應(yīng)的參數(shù)調(diào)整設(shè)計。如此，數(shù)控機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)能夠得以優(yōu)化，其剛性校對環(huán)節(jié)所得出的校對結(jié)果也更加理想，只有這樣才能夠保證主軸在不受到磨損的情況下可以正常運行，提升設(shè)備運行效率，滿足更多的工作發(fā)展需要。

在主軸結(jié)構(gòu)當(dāng)中所包含的傳動組建分別有傳動部件、主軸部件、主軸承部件以及密封部件。而部件之間的穩(wěn)定性關(guān)系則和機(jī)床是否能夠處于正常運作狀態(tài)有著直接關(guān)系，主軸部件的穩(wěn)定性直接關(guān)系到各個部件是否能夠在主軸結(jié)構(gòu)中開展特定的運動，是否能夠完成傳動工作[3]。以主軸承為例，其所具備的切削力情況需要受到各個組件的配合，并且將這種切削力傳動到主軸承當(dāng)中，因為零部件對主軸承所施加的范圍以及速度都比較大，因此，要求主軸承中的組件之間具備較高的配合度，只有彼此之間實現(xiàn)了密切的配合，才能兼顧運行中的一些不良動態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)問題，通過一方進(jìn)行呈現(xiàn)，進(jìn)而為設(shè)備的科學(xué)、穩(wěn)定運行奠定基礎(chǔ)，提供保障。

在主軸的前端結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，需要確保刀具、夾具等設(shè)備都能夠安裝無誤，并且保持各類器具拆卸方便。此時可以將在主軸前端的懸臂設(shè)計成為較短的尺寸，并且確保其單元結(jié)構(gòu)和軸承接觸，并且通過擴(kuò)展曾在點的方式來加強(qiáng)對主軸前端控制，避免其出現(xiàn)變形的故障[4]。

2 ?數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

本次針對界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計過程中，主要是對關(guān)鍵部分的構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計，該部分的設(shè)計理念已經(jīng)在我國數(shù)控機(jī)床設(shè)計領(lǐng)域受到關(guān)注，很多學(xué)者開始研究該理念。此時，設(shè)計數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的方法已經(jīng)逐漸成熟，因此，設(shè)計人員將會先把數(shù)控機(jī)床的初步結(jié)構(gòu)以及幾何模型設(shè)計出來，然后再開展關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計。針對特定構(gòu)件的截面厚度進(jìn)行設(shè)計時，可以考慮到將數(shù)控機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計作為主要的參數(shù)變量設(shè)計依據(jù)，從中抽取重量最輕的構(gòu)件，了解其結(jié)構(gòu)重量及剛度情況，并且計算出不同截面構(gòu)件的函數(shù)情況，確保構(gòu)件的性能得以優(yōu)化。在設(shè)計截面構(gòu)件結(jié)構(gòu)期間，先確定好構(gòu)件本身的質(zhì)量以及剛度，選擇合適的制造材料，并且利用變量來替代構(gòu)件設(shè)計模型中函數(shù)的常數(shù)，從而簡化設(shè)計計算流程[5]。此次設(shè)計數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，主要以設(shè)計截面結(jié)構(gòu)為主，要想做到對截面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，自然需要將截面結(jié)構(gòu)的各個變量模擬出來，并且保障截面設(shè)計優(yōu)化方法能夠直接作用于設(shè)計本身。總體來說，截面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計需要先完成數(shù)控機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓補(bǔ)并建立對應(yīng)的幾何布局，其數(shù)控機(jī)床優(yōu)化結(jié)構(gòu)件設(shè)計的重要性和效果必然會直接受到此二者的影響和限制。如圖1所示。

如圖1所示為機(jī)床截面結(jié)構(gòu)件優(yōu)化的模型設(shè)計圖，機(jī)床的床身結(jié)構(gòu)件優(yōu)化模型圖在進(jìn)行了截面結(jié)構(gòu)件優(yōu)化的模型設(shè)計和計算后，其床身靜態(tài)性能的約束和機(jī)床的動態(tài)性能約束均己經(jīng)達(dá)到了限制邊界，但是模型的上限和截面結(jié)構(gòu)件尺寸中仍然有大部分與機(jī)床的下限還明顯地存在著一定的距離，直接地反映出了截面優(yōu)化的設(shè)計方法所可能具有的種種局限性和缺陷。幾何優(yōu)化的目的就是解決機(jī)床中的設(shè)計缺陷，如圖1中所示，將機(jī)床有限元變量模型的每個節(jié)點非線性坐標(biāo)分量函數(shù)當(dāng)做是機(jī)床進(jìn)行幾何優(yōu)化模型設(shè)計的方法變量中的有限元變量，以此為基礎(chǔ)條件對機(jī)床進(jìn)行了優(yōu)化模型設(shè)計。經(jīng)過幾何優(yōu)化設(shè)計后的模型結(jié)構(gòu)，界面尺寸明顯減少，重量也有了大幅度的減輕。機(jī)床幾何優(yōu)化設(shè)計中的有限元變量函數(shù)之間連接的不僅僅是線性的關(guān)系，因為幾何優(yōu)化可能需要設(shè)計其它的幾何優(yōu)化設(shè)計方法變量，因此也要考慮可能使用的是關(guān)于其它設(shè)計變量的非線性關(guān)系分量函數(shù)，在進(jìn)行梯度計算時要充分考慮其它坐標(biāo)分量函數(shù)及其線性關(guān)系分量優(yōu)化函數(shù)的非線性關(guān)系。另外，還要充分考慮到幾何優(yōu)化設(shè)計算法中機(jī)床荷載的位移約束方向可能會因為其形狀的變化而發(fā)生的改變。

3 ?數(shù)控機(jī)床制造技術(shù)優(yōu)化策略

新的時代背景下賦予了數(shù)控機(jī)床制造技術(shù)新的內(nèi)容和應(yīng)用前景，可以說，新技術(shù)的注入為數(shù)控機(jī)床制造技術(shù)的發(fā)展注入了新的血液，很多之前難以攻克的加工難題都迎刃而解。具體的優(yōu)化策略表現(xiàn)在以下幾個方面：

3.1 注重穩(wěn)定性提升

從目前我國數(shù)控機(jī)床的實際工作狀態(tài)以及工作效率來看，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計還處于優(yōu)化和升級階段，優(yōu)化的主要方向則是需要保障機(jī)床運行的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。因為目前數(shù)控機(jī)床本身的機(jī)械構(gòu)件還不夠完善，其可能會在運行過程中出現(xiàn)過度磨損或者是大量損耗的情況，且因為機(jī)床的長期運行，很有可能會遭遇更多不確定因素，這些因素會促使數(shù)控機(jī)床的內(nèi)部構(gòu)件性能和質(zhì)量都受到不同程度的損害。因此，要全面加強(qiáng)對我國數(shù)控機(jī)床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體性設(shè)計的研究和優(yōu)化，并且在此基礎(chǔ)上通過采用各種科學(xué)合理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計來達(dá)到減少我國數(shù)控機(jī)床在實際工作和運行的過程中所可能產(chǎn)生的一些不必要的產(chǎn)品價格波動問題，可以通過采取各種新型材料和技術(shù)來對其內(nèi)部進(jìn)行全面的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化和改造升級，以此為基礎(chǔ)來逐漸完善和提升我國數(shù)控機(jī)床在實際的工作過程中的穩(wěn)定性。讓數(shù)控機(jī)床在具體的工作中其性能和價值可以得到進(jìn)一步的彰顯和體現(xiàn)，讓很多零件加工程序變得更加簡單化，遇到很多難以解決的問題，也可以迎刃而解。

3.2 注重精確性提升

如今我國多數(shù)的工業(yè)企業(yè)在實際生產(chǎn)相關(guān)機(jī)械產(chǎn)品的過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)無法完成合格的生產(chǎn)標(biāo)磚，而且產(chǎn)生此類問題的主要原因就是數(shù)控機(jī)床內(nèi)部結(jié)構(gòu)當(dāng)中的零部件存在老化的現(xiàn)象，且其容易受到外界環(huán)境干擾，在外力影響下，數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)變形，因此為了能夠全面對此類問題進(jìn)行充分有效的解決，需要在一定程度上優(yōu)化有關(guān)技術(shù)人員的技術(shù)能力，并且對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行定期的檢查與維修、維護(hù)，及時發(fā)現(xiàn)機(jī)床中所隱藏和潛在的問題，不要讓問題進(jìn)一步的擴(kuò)大化，做到防患于未然，進(jìn)而有效提升數(shù)控機(jī)床自身的精確性。在培養(yǎng)數(shù)控機(jī)床零部件設(shè)計與制造人員的情況下，零部件的材質(zhì)得以改良，設(shè)計結(jié)構(gòu)更加具備穩(wěn)定性，不會輕易出現(xiàn)變形情況，最終促使數(shù)控機(jī)床在實際生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)品過程中，保障相關(guān)產(chǎn)品的合格性和標(biāo)準(zhǔn)性，同時有效的提升了數(shù)控機(jī)床在實際工作中的效率和質(zhì)量。

4 ?結(jié)束語

綜合上述研究，數(shù)控機(jī)床技術(shù)是我國工業(yè)技術(shù)當(dāng)中最為關(guān)鍵的技術(shù)組成部分，需要不斷引進(jìn)大量創(chuàng)新技術(shù)及人才來對數(shù)控機(jī)床技術(shù)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而實現(xiàn)我國工業(yè)行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化，確保數(shù)控機(jī)床行業(yè)可以具備可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Γ軌驗槲覈I(yè)技術(shù)水平提升打下堅實技術(shù)基礎(chǔ)。本文對數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化能夠證明，主軸結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計都需要創(chuàng)新設(shè)計理念，且遵從新技術(shù)需求。可見，我國在對數(shù)控機(jī)床技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化過程中，需要注重對其機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并且引入新的技術(shù)內(nèi)容，從而為未來數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

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