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(lái)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(dòng)化的數(shù)控機(jī)床越來(lái)越受企業(yè)的青睞，但由于成本的問(wèn)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(duì)設(shè)備進(jìn)行改造更新，使其更能滿(mǎn)足新時(shí)代的市場(chǎng)要求。文章通過(guò)對(duì)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(dòng)化的方向不斷前進(jìn)。目前，高性能的數(shù)控機(jī)床在我國(guó)仍占少數(shù)，廣大的數(shù)控機(jī)床仍存在很大的升級(jí)空間。因此，對(duì)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(guò)程。所謂數(shù)控機(jī)床，就是指利用數(shù)控技術(shù)的一類(lèi)機(jī)床的統(tǒng)稱(chēng)。按其控制方式的不同進(jìn)行分類(lèi)，可以分為三類(lèi)，包括開(kāi)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(mén)子、三菱等。可以說(shuō)，數(shù)控機(jī)床是集機(jī)床、計(jì)算機(jī)、電機(jī)及運(yùn)動(dòng)控制、檢測(cè)等技術(shù)為一體的自動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)、測(cè)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(chēng)CNC裝置）被稱(chēng)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(cè)量裝置是檢測(cè)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(tái)以及輔助運(yùn)動(dòng)裝置、液壓氣動(dòng)
系統(tǒng)、潤(rùn)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(duì)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(dòng)控制并完成加工所需的各項(xiàng)動(dòng)作，如刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)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(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)
質(zhì)心驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)（俗稱(chēng)“推中心”技術(shù)）是一項(xiàng)由機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論發(fā)展而來(lái)的技術(shù)。其原理是：當(dāng)驅(qū)動(dòng)力作用的位置不在物體的質(zhì)心位置時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)扭轉(zhuǎn)力矩，使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)等不穩(wěn)定的現(xiàn)象，若作用力一定時(shí)，力的作用位置與物體質(zhì)心位置的距離越遠(yuǎn)，這個(gè)扭轉(zhuǎn)力矩就會(huì)越大，物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)的現(xiàn)象就會(huì)越明顯；當(dāng)力作用的位置剛好在質(zhì)心位置時(shí)，就不會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)力矩，此時(shí)物體只會(huì)沿著導(dǎo)軌穩(wěn)定地做直線運(yùn)動(dòng)。
2.2 直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)
直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)是指將伺服電機(jī)直接聯(lián)接或牢固在從動(dòng)部件上的一種技術(shù)。根據(jù)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型一般可以分為直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)和力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩大類(lèi)，其中直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的為直線運(yùn)動(dòng)，力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。使用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的數(shù)控機(jī)床不需要一系列的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)如齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)等，真正做到了“零傳動(dòng)”，真正避免了傳動(dòng)過(guò)程中的各種誤差的產(chǎn)生和累加，減少了傳動(dòng)過(guò)程能量的損耗，提高了傳動(dòng)的精度和傳動(dòng)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(chēng)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(guò)程中，假設(shè)熱量不會(huì)損失，在沒(méi)有熱和功轉(zhuǎn)變的情況下，初始狀態(tài)和最終狀態(tài)時(shí)熱量均達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)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(shí)，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(lái)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(lái)虛擬真實(shí)加工制造的情況，并對(duì)此制造過(guò)程及其對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響進(jìn)行分析評(píng)估，然后對(duì)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(guò)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(huì)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(shuō)，就是用若干個(gè)簡(jiǎn)單而有關(guān)聯(lián)的小單元代替整體，然后對(duì)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(wèn)題轉(zhuǎn)為較簡(jiǎn)單的問(wèn)題，為看似不可能解決的真實(shí)問(wèn)題提供了一種有效的解決方法，其未來(lái)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(tái)、動(dòng)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(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用在機(jī)床工作臺(tái)結(jié)構(gòu)的改造分析質(zhì)
心驅(qū)動(dòng)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(tái)結(jié)構(gòu)。機(jī)床的工作臺(tái)結(jié)構(gòu)通常由工作臺(tái)和滑臺(tái)兩部分組成，其中工作臺(tái)的質(zhì)量一般較輕且在滑臺(tái)上，由滑臺(tái)承受其全部重量。一般情況下，數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，工作臺(tái)在質(zhì)心位置受到驅(qū)動(dòng)力的作用而做橫向直線運(yùn)動(dòng)，工作穩(wěn)定；而滑臺(tái)因承載工作臺(tái)的重量而質(zhì)心隨著工作臺(tái)的移動(dòng)而不斷變化，且滑臺(tái)受單個(gè)驅(qū)動(dòng)力的作用，容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)等使其工作不穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，運(yùn)用質(zhì)心驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)機(jī)床工作臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造的方法是將其單個(gè)驅(qū)動(dòng)方式改為兩邊驅(qū)動(dòng)方式，即在以滑臺(tái)質(zhì)心為對(duì)稱(chēng)點(diǎn)的兩側(cè)，分別同時(shí)施加兩個(gè)相同的驅(qū)動(dòng)力，使滑臺(tái)受到對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)力同時(shí)作用，從而減少因力臂而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩對(duì)機(jī)床工作臺(tái)的影響，使其工作更加穩(wěn)定。為了驗(yàn)證這個(gè)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(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的振動(dòng)，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(dòng)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床動(dòng)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(dòng)技術(shù)的發(fā)展取得明顯的進(jìn)步，從而大大地簡(jiǎn)化了電機(jī)與從動(dòng)部件之間的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，并最終實(shí)現(xiàn)了“零傳動(dòng)”。在數(shù)控機(jī)床的改造和開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)改造機(jī)床的動(dòng)力系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)的非直接驅(qū)動(dòng)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(shí)，其電機(jī)和軸承將產(chǎn)生大量熱量，使整個(gè)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(huì)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(dòng)變化。為解決這一問(wèn)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(duì)其進(jìn)行熱特性分析，同時(shí)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(lái)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(duì)數(shù)控機(jī)床的切削加工過(guò)程的仿真模擬，包括切削過(guò)程中刀具和工件的幾何、運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力（包括熱）等特征的仿真。因此，需要不斷提高切削加工過(guò)程的仿真度，并在不斷的虛擬分析過(guò)程中，預(yù)測(cè)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(yǔ)
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(mǎn)足新時(shí)代的市場(chǎng)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(guò)程中，如機(jī)床工作臺(tái)的質(zhì)心驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)改造、機(jī)床動(dòng)力系統(tǒng)的直接驅(qū)動(dòng)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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