數控機床的結構特征與性能優化策略研究

摘 要：21世紀人類逐漸步入高科技信息時代，工業進程不斷加快，機械制造作為工業領域中重要的組成部分，其生產技術也在不斷更新進步中。數控機床是機械制造產業中一項裝有數字程序控制系統的自動化機床，主要由加工程序載體、數據控裝置、機床主體以及其他輔助功能設備組成。隨著社會經濟的不斷發展，人們對數控機床技術及其性能也提出了更高的要求，數控機床的結構特征逐漸向智能化、自動化、高速化、復合化、高精度化、并聯化以及網絡化發展。本文將首先闡述數控機床的結構特性，并針對其性能優化提出有價值的參考建議（本文原刊于煤礦開采2014年12月）。

關鍵詞：數控機床；結構特征；性能優化

數控機床技術首次出現于上世紀五、六十年代，它的出現加速了機械制造業的發展，并大大提升了社會總體生產效率。在經濟全球化的大背景下，數控機床制造業面臨裝備改良以及技術革新的強大競爭壓力。在經濟快速發展的趨勢下，機械制造領域所生產的產品種類越來越豐富、產品功能越來越多樣化，這也給數控機床的功能性和結構性有了更嚴格、更高端的要求，人們迫切需要一種集高速化、智能化、復合化、高精度化、網絡化為一體的數控機床[1]。隨著科學技術的不斷發展進步，使數控機床的多功能性成為可能，從而也擴大數控機床在工業領域的應用范圍。本文主要針對當前的數控機床的結構特征進行分析，并提出優化數控機床性能的策略。

1 數控機床概述

數控機床是一種裝載數字控制程序的機電一體化產品，他通過控制系統編輯、處理控制編碼以及各種符號指令，將編碼用數字的形式代替，再通過信息處理設備輸入數控裝置，并在數控裝置的運算和處理后對機床的各個子部件發送控制信號，指導整個機床的運作，并根據要求和尺寸自動將零件加工出來。數控機床能夠有效完成一些品種多樣、結構緊密復雜、小批量、頻繁改型、生產周期短的零件加工問題。數控機床主要由加工程序載體、數據控裝置、機床主體以及其他輔助功能設備組成。數控機床綜合運用了計算機技術、微電子技術、測量技術、電氣自動化技術、傳感器技術最新技術成果，在機械制造和加工領域應用廣泛。數控機床是由美國著名發明家約翰·帕森斯于20世紀中葉發明的，在計算機技術和電子通信技術的推動下，數控機床逐漸進入數字化智能控制時代[2]。數控機床技術是衡量機械制造生產水平的重要標準，同時衡量一國生產水平和綜合國力的標準，數控機床技術逐漸滲透到國民經濟的各個領域，為他們提供各種零部件裝備，因此，數控機床具有廣闊的發展前景和巨大的社會經濟效益。

2 數控機床的結構特性

2.1 全方位智能化

隨著計算機技術和人工智能技術的不斷發展，人們對數控機床中程序自動化、控制智能化有了更高的要求。具體表現在以下幾個方面：第一，加工過程控制智能化。數控機床通過實時監測加工系統中的主軸、進給電機功率、電流、電壓等信息，再通過智能算法識別刀具的受力、磨損狀況以及機床運行的穩定性，從而及時調整加工過程中的各項參數。第二，故障智能診斷和修復[3]。數控機床能夠根據以往的故障信息，智能化地推斷故障發生原因及發生部位，并仿真事故過程中，從而找出修復故障的方法。

2.2 配件高精度化

為了提高數控機床運行的穩定性和精準性，機床的各類配件的選擇上遵循“高科技化、高精準化”原則，轉變以往的以幾何精度為主的重視觀念，數控機床的精度要求逐漸擴展到運行、熱變形、抗振等方面。以CNC系統控制精度為例，數控機床的進度控制采用當前最先進的高速插補技術，通過微小數控程序實現控制，逐步精細CNC控制單位，并采用高分辨率的傳感器裝置，提升位置檢測和元件測量的精度。此外流行于國家上的網格解碼檢查技術在提升數控機床加工中心的運動軌跡精度方面具有顯著效果，它通過三維仿真預測數控機床的加工精度，幫助數控機床在不同加工條件下實現不同規格、不同類別的加工任務[4]。

2.3 功能復合人性化

功能復合多樣化是今后數控機床未來發展的趨勢，同時也是實現人性化操作的主要體現。功能復合化數控機床是指在一臺機床是能夠實現多種程序、多重要素的加工，能夠實現從原料到成品的多元素的加工。根據數控機床的功能復合化的實現形式可以分為工序復合型以及工藝復合型。前者是將生產工序整合在一臺機床上，比如雙主軸車削中心；后者是將產品生產的各個工藝技術整合在一臺機床上，比如銑鏜鉆車復合—復合加工中心。功能復合化的數控機床能夠大大減少零部件的裝載卸載程序、縮短更換或調整道具的時間，從而減少這些過程中產生的誤差，有效提升了加工精度，也成功縮減了產品生產周期。功能復合化的數控機床能夠減少人工操作的工序，解放勞動力，提高生產效率，因此功能復合化的數控機床也是一種遵循“人性化”的操作系統。

2.4 運行高速化

現在的數控機床運用了伺服傳動系統以及無極變速主軸，大大提升了數控機床各個部件的自動化水平，提升了數控機床在運行過程中的傳動性能。通過縮短傳輸鏈來達到簡化數控機床結構的目的。由于數控機床是通過加工程序載體以及數控裝置發送數據代碼指令的，因此在數據傳輸和處理的速度、刀具運動速度、主軸轉速以及其他輔助裝置的配合速度方面必須實現全方位的并聯和貫通。而伺服傳動系統是一種自動化服務系統，能根據數控裝置給出的具體指令控制完成各項輔助服務，能夠調整主軸轉動結構，實現主軸自主變速運動。數控機床的全面自動化還體現在結構布局方面，進給變速箱和主軸箱的整體結構較為簡單，因此大大減少了連接軸承和齒輪的數量，從而縮短了電動機與主軸、滾珠絲杠的連接距離，從而提升了機械運行的速度。

2.5 驅動并聯化

驅動并聯化是指在數控機床的主軸與機座之間配置多桿并聯聯接機，數控裝置只要控制中間的桿系中桿的長度來實現整個平臺的自由運行。并聯運動機解決了以往機床串聯移動部件質量大的問題，同時提高了系統的剛度，擴大了道具運動導軌的進給范圍，提升了整個機臺的作業自由度，增加了加工設備的靈活性和機動性。并聯式驅動機運用于數控機床上，更能滿足多種型號、種類復雜的零件加工要求，且并聯機自身智能化程度高、中邀請、運行速率快，成為提升數控機床整體生產加工速度的新型加工裝配。而在國際數控機床的生產制造領域，并聯機驅動設備是提升數控機床的性能的關鍵技術，同時也是數控研究行業的重點研究方向，未來的數控機床中的并聯機驅動裝置的更新進步將是一大發展趨勢。

2.6 信息互動網絡化

在計算機網絡和通信技術高速發達的時代，實現數控機床的雙向、高速的聯網通訊功能是未來數控機床的發展方向。數控機床實現信息互動的網絡化能夠讓各項信息在制造業各個部門、各個車間長興流通，而通過網絡的數據上傳和數據共享功能，又能夠對數控機床的加工運行過程進行遠程控制和在線監督，同時實現數字化操控的能夠有效完成對數控機床的遠程故障診斷和故障修復工作。比如我國在新一代的數控機床的加工中心配置了一個信息塔，它的主要構件是攝像頭、計算機、手機等，與互聯網供聯，能夠在線傳輸聲音、圖片、視頻、文字等信息。

3 數控機床的性能優化策略

3.1 科學布局機械各機構

要提升數控機床的整體性能必須要從機床的各個部件的配置和布局方面著手，合理布局各個子系統和零部件，盡量簡化機械的結構，加強數控機床布局的合理控制，從而提高整個機床的剛性度，提升機床運行的受力水平，維護機床的熱穩定系統，最終實現數控機床的科學管理。

3.2 提高各零部件的剛度和韌性

數控機床的零部件剛度關系到整個機床運行的速率以及安全可靠性，而零部件的剛度是由零件的自身質量、固定頻率以及阻尼等相關參數決定。要想提升各個零部件的剛度和韌性，可以從以下幾個方面著手：第一，科學合理地布局機床內部各個零部件的結構，盡量減少零部件因負載過度而引起彎曲或扭轉問題；第二，零部件截面體現高度科學性，筋板放置位置要合理，并選擇性能佳的焊接部件。第三，合理連接各個零部件，縮短傳送鏈的長度，減少了連接軸承和齒輪的數量，從而縮短了電動機與主軸、滾珠絲杠的連接距離，從而提升了機械運行的速度。

3.3 避免熱變形產生

像一些低能耗的運行配件（主軸電動機、變量泵等）可以減少其熱量的產生，同時一些高能耗的運行配件（傳動齒輪、傳送鏈、傳動軸）可盡量減少，減少摩擦后熱量自然降低。此外對一些易于發熱的部件可以進行適當的冷卻處理，加快部件的散熱，從能避免熱變形產生。

3.4 提高機械的抗振性能

數控機床中高速旋轉控件不在少數，然而這些旋轉部件在運行過程中會產生較大的振動，這嚴重影響整個機床的運行效率，還增加了機床的噪音。為了減少旋轉部件的振動，可以采用平衡處理法提升旋轉部件的抗振性能，通過減少傳動部件之間的孔隙，削弱機床運行的應激振動力，然后將機床的各個旋轉部件的運行頻率控制在一定的頻率，提升部件的靜態剛度。此外提升機械的抗振性能哈可以通過在機床各個部件中添加阻尼材料，削弱振動力量。

4 結束語

總而言之，在社會經濟和科學技術的飛速發展前提下，數控機床已經逐漸實現全方位自動化、配件高精度化、功能復合人性化、運行高速化、驅動并聯化以及信息互動網絡化。中國在進入改革開放時代以后，機械制造業發展迅猛，但是難以改變以勞動力、資源、價格等為主要市場競爭力的局面，在產品技術方面缺乏自主開發和自主創新的能力。數控機床作為衡量制造業生產水平和市場競爭力的關鍵評估標準，其重要性不言而喻。我國要想轉變生產制造業發展方式，必須要從革新數控機床著手，早日實現數控機床從低端到高端、從初級產品制造到高級產品的制造的轉變，不斷提高數控機床產品的性能，從而為促進我國制造業發展奠定堅實的技術基礎（本文原刊于煤礦開采2014年12月）。

參考文獻

[1]王叔平.淺論數控機床的結構特征與性能提高策略[J].科技向導，2012，（26）：131.

[2]徐敬華，張樹有，李焱.基于多域互用的數控機床模塊化配置設計）[J].機械工程學報，2011，（17）.

[3]王麗.有限元分析法在數控機床結構設計分析中的應用[J].科技信息，2011，（29）.

[4]盛伯浩.我國數控機床現況與技術發展策略[J].數控技術，2010，（2）：17-28.

作者簡介

山紅偉（1974-），男，遼寧沈陽人，碩士研究生，承德石油高等專科學校講師，研究方向是機械制造及其自動化。