數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)數(shù)字化體系的研究與應(yīng)用

李玲玲

摘 要：本文結(jié)合企業(yè)現(xiàn)狀，以及國(guó)際先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)數(shù)字化機(jī)床設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)、原理、問(wèn)題等進(jìn)行了簡(jiǎn)要探究。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)；數(shù)字化；應(yīng)用

重型數(shù)控機(jī)床主要應(yīng)用于國(guó)防領(lǐng)域、航空領(lǐng)域、能源領(lǐng)域、交通領(lǐng)域、工程領(lǐng)域等工業(yè)支柱型領(lǐng)域。目前，我國(guó)自主研發(fā)的重型機(jī)床和超重型機(jī)床基本滿足了現(xiàn)實(shí)發(fā)展的要求，國(guó)際化水準(zhǔn)也日益提高。比如，我國(guó)我國(guó)成功研發(fā)的能夠加工直徑長(zhǎng)達(dá)25m的超重型數(shù)控立式銑車床，加工寬度高達(dá)10m的數(shù)控龍門鏜銑床，回轉(zhuǎn)直徑在5m以上的數(shù)控重型臥式車床等擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，完全可媲美國(guó)際先進(jìn)重型機(jī)床。為了進(jìn)一步刺激內(nèi)需，確保經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展，國(guó)家不斷加強(qiáng)對(duì)企業(yè)自主研發(fā)的政策扶持，可以說(shuō)，加快產(chǎn)品研發(fā)速度已經(jīng)成為企業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略方針。

1 數(shù)控機(jī)床的組成及工作原理

數(shù)控機(jī)床，顧名思義，就是利用了數(shù)字技術(shù)的機(jī)床，就是利用數(shù)字技術(shù)控制機(jī)床運(yùn)行的過(guò)程。具體來(lái)講，就是將具體加工信息和運(yùn)行參數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，并記錄在程序介質(zhì)上，然后將其納入數(shù)控系統(tǒng)，最后經(jīng)過(guò)一系列的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床加工的自動(dòng)控制，從而加工出規(guī)格尺寸都達(dá)標(biāo)的零件，這就是我們通常所講的數(shù)控機(jī)床。目前，數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡主要分為點(diǎn)位控制運(yùn)動(dòng)、連續(xù)控制運(yùn)動(dòng)和直線控制運(yùn)動(dòng)三種形式。

1.1 根據(jù)伺服系統(tǒng)進(jìn)行的分類

由數(shù)控裝置發(fā)出數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)伺服系統(tǒng)對(duì)機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)化控制。根據(jù)伺服系統(tǒng)的不同類型可將數(shù)控方式分為三種，主要包括開(kāi)環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1.2 數(shù)控機(jī)床的硬件系統(tǒng)

通常來(lái)講，數(shù)控機(jī)床的硬件系統(tǒng)主要由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、伺服單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、PLC、輔助裝置、機(jī)床床體、電氣控制裝置及測(cè)量裝置構(gòu)成。

2 數(shù)字化機(jī)床設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)

加快新產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)，盡量滿足各種加工的新需求，是機(jī)床企業(yè)的主要工作內(nèi)容，因此機(jī)床企業(yè)要加強(qiáng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，不斷完善數(shù)字化機(jī)床設(shè)計(jì)體系。目前新產(chǎn)品研發(fā)主要分為三類：

（1）拓展規(guī)格尺寸等表層化設(shè)計(jì)，豐富機(jī)床加工功能，擴(kuò)大機(jī)床加工范圍；

（2）新功能的拓展設(shè)計(jì)，比如復(fù)合機(jī)床、反結(jié)構(gòu)機(jī)床設(shè)計(jì)等；

（3）全新規(guī)格、全新功能和全新機(jī)構(gòu)的機(jī)床研發(fā)，比如虛擬軸機(jī)床、機(jī)器人機(jī)床等；

在上述三種類型新產(chǎn)品研發(fā)方式中，前兩種是最為常見(jiàn)的。在數(shù)字化機(jī)床設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新過(guò)程中，一定要注重用戶導(dǎo)向功能的分析與選擇，在充分掌握功能系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律的基礎(chǔ)上，靈活構(gòu)建系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)。在滿足用戶要求和性能要求的前提下實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。若是結(jié)構(gòu)求解存在多解，那么就采用多變量模糊隸屬度函數(shù)進(jìn)行加權(quán)判別，最后選擇符合度最高的機(jī)構(gòu)。

以復(fù)合變異結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以形成全新的設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)。該思路就是將無(wú)參照新產(chǎn)品研發(fā)納入計(jì)算分析開(kāi)發(fā)模式，然后制定出一個(gè)方向明確的研發(fā)方案，并搭建完善的研發(fā)平臺(tái)。

3 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)特點(diǎn)和問(wèn)題

3.1 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)

目前，隨著數(shù)字化信息技術(shù)的日益成熟，數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)代化水平越來(lái)越高，現(xiàn)代化特征也日益明顯。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)也呈現(xiàn)了許多新變化、新特征：

（1）高指標(biāo)。數(shù)控機(jī)床作為現(xiàn)代化高端產(chǎn)品，性能要求日益提高。效率、速度、精度、安全性已經(jīng)成為衡量產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的核心指標(biāo)。

（2）功能部件技術(shù)。隨著功能部件生產(chǎn)的專業(yè)化、精準(zhǔn)化水平日益提高，進(jìn)一步推動(dòng)了數(shù)控機(jī)床質(zhì)量的提高，也充分體現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特征。目前，在我國(guó)自主研發(fā)的機(jī)床中，外購(gòu)功能部件是非常普遍的現(xiàn)象，并成為了我國(guó)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)的一大特征。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的成本構(gòu)成中，電主軸、數(shù)控系統(tǒng)和其他輔助元件分別占33、25%和30%。

3.2 數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)制造中存在的問(wèn)題

就現(xiàn)狀來(lái)講，雖然我國(guó)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)制造已經(jīng)取得了顯著成績(jī)，但客觀來(lái)講，相比于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)在高端數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域還存在較大差距，并存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題：

（1）新產(chǎn)品研發(fā)水平不高，設(shè)計(jì)領(lǐng)域和工藝領(lǐng)域的仿造現(xiàn)象還很普遍；

（2）以外購(gòu)功能部件組裝機(jī)床已經(jīng)成為主流，企業(yè)無(wú)法形成品牌核心競(jìng)爭(zhēng)力，因此阻礙了機(jī)床制造企業(yè)的市場(chǎng)拓展；

（3）機(jī)床設(shè)計(jì)完全從用戶需求出發(fā)，根本沒(méi)有考慮指標(biāo)性能方面的設(shè)計(jì)需要。

3.3 現(xiàn)代數(shù)控產(chǎn)品設(shè)計(jì)特征

（1）創(chuàng)新性強(qiáng)。采用新理念、新方法研發(fā)出符合市場(chǎng)需求、核心競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)品。比如機(jī)器人機(jī)床、虛擬軸和反結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)等現(xiàn)代化理念的廣泛普及，有效促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

（2）計(jì)算設(shè)計(jì)技術(shù)的成熟。在數(shù)字化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，計(jì)算設(shè)計(jì)已經(jīng)成為最顯著的優(yōu)勢(shì)，對(duì)提高數(shù)字化設(shè)計(jì)水平具有關(guān)鍵意義。該技術(shù)徹底顛覆了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)體系，在理念與方法等方面帶來(lái)了一場(chǎng)深刻的變革。計(jì)算設(shè)計(jì)理念充分體現(xiàn)在數(shù)控設(shè)計(jì)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，結(jié)合計(jì)算仿真分析的應(yīng)用，已經(jīng)成為提高機(jī)床產(chǎn)品精準(zhǔn)性、可靠性的關(guān)鍵。

（3）仿真考察設(shè)計(jì)的應(yīng)用。信息化技術(shù)在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，全面縮短了新產(chǎn)品的研發(fā)周期，有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量。合理利用仿真軟件和技術(shù)，能夠及時(shí)修改、優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)，及時(shí)消除錯(cuò)誤，降低設(shè)計(jì)成本和縮減研發(fā)周期。仿真能夠應(yīng)用在裝配、加工、性能測(cè)試等多個(gè)緩解，在很大程度上降低了設(shè)計(jì)誤差的產(chǎn)生，改正設(shè)計(jì)考察階段出現(xiàn)的錯(cuò)誤，極大地提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)已經(jīng)成為全球最大的數(shù)控機(jī)床消費(fèi)市場(chǎng)，但是高端數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)制造還無(wú)法與國(guó)際先進(jìn)國(guó)家相比，在產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新方面尚有很大差距。數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展對(duì)提高我國(guó)數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)水平和制造能力具有非常重要的推動(dòng)作用。因此，加強(qiáng)對(duì)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)數(shù)字化體系的研究，不僅具有非常重要的理論價(jià)值，而且具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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