探討齒輪加工機床的綠色設(shè)計與制造技術(shù)

摘 要：（本文原刊于煤礦開采2014年11月）齒輪加工車床作業(yè)的重要內(nèi)容是加強精度管理。所以，在齒輪加工車床工作中務(wù)必提高應(yīng)對各種機床事故的能力，因此加強精度影響因素分析與作業(yè)人員的專業(yè)素質(zhì)至關(guān)重要。在齒輪加工車床作業(yè)中還應(yīng)加強制度上的規(guī)范管理，不斷的提高車床綠色設(shè)計技術(shù)，加強對現(xiàn)場的巡視和設(shè)備維護等都是必不可少的環(huán)節(jié)。筆者結(jié)合實際，對齒輪加工車床精度的影響因素及制造技術(shù)進行了分析，望與同行在應(yīng)用操作中以參考意義。

關(guān)鍵詞：齒輪加工車床；綠色設(shè)計評估；制造技術(shù)

1.數(shù)字控制技術(shù)在齒輪加工機床中的應(yīng)用歷程

1.1 數(shù)字控制技術(shù)概述

目前最先進的數(shù)字控制技術(shù)具有非常強大的控制功能，基于主菜單和數(shù)字控制技術(shù)的有機結(jié)合與源函數(shù)，通過智能軟件技術(shù)與微電子技術(shù)，引進和彼此結(jié)合的多個領(lǐng)域，相互滲透，從而給新興的數(shù)字控制帶來了強大的生命力。但在這一過程中，也可能面臨多項技術(shù)的簡單的、不集中的相加，這也給當(dāng)前數(shù)字控制產(chǎn)生了不少困難。研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)字控制技術(shù)在信息、計算機、齒輪加工機床、微電子技術(shù)等領(lǐng)域中可以尋求到最佳匹配。現(xiàn)在的數(shù)字控制產(chǎn)品的發(fā)展是一個系統(tǒng)，智能化和小型化，確保齒輪加工機床的數(shù)字控制技術(shù)的使用，能夠很好地滿足安全生產(chǎn)的要求，勞動強度和最終的救援人員，有效改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，以實現(xiàn)節(jié)約生產(chǎn)能耗的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

1.2 齒輪加工機床中數(shù)字控制產(chǎn)品

伴隨著全球資源日益緊缺，各國對能源問題的越來越關(guān)注，作為我國戰(zhàn)略資源不可或缺的成員，其開采的重要性可見一斑。如今，伴隨著越來越先進的數(shù)字控制產(chǎn)品應(yīng)用到齒輪加工機床中來，企業(yè)的開采效益越來越高。如今，以計算機控制為主的國產(chǎn)供電設(shè)備、提升機、電牽引采煤機、掘進機和輸送機等齒輪加工機床都具備了全程監(jiān)控、自動報警、圖景掃描、信息控制等先進功能。這使得在我國的齒輪加工機床管理工作中，數(shù)字控制產(chǎn)品的應(yīng)用尤為廣泛，也確保了開采工作中的高安全性、高效益性與高技術(shù)性。

2.齒輪加工機床的設(shè)計環(huán)保性評價

2.1 綠色設(shè)計建模一般程序

（1）明確產(chǎn)品定義。建模前必須明確系統(tǒng)及其分系統(tǒng)的構(gòu)成、功能、故障判斷等。通過建立功能框圖可以幫助明確產(chǎn)品的任務(wù)定義。功能塊圖是基于對各級系統(tǒng)的靜態(tài)分組功能，闡述了系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和功能之間的關(guān)系（信息）的過程。功能框圖或功能流程圖是繪制設(shè)計環(huán)保性框圖的基礎(chǔ)。

（2）繪制設(shè)計環(huán)保性框圖。設(shè)計環(huán)保性框圖是以圖的形式邏輯地描述系統(tǒng)正常工作的情況。設(shè)計環(huán)保性框圖應(yīng)正確描述系統(tǒng)每次完成任務(wù)時所有單元功能組之間的相互關(guān)系，繪制時應(yīng)充分了解系統(tǒng)的任務(wù)和壽命剖面。建立系統(tǒng)設(shè)計環(huán)保性框圖的基礎(chǔ)是產(chǎn)品的原理圖和功能框圖。在最終的設(shè)計環(huán)保性框圖中，所有方框均應(yīng)要求以串聯(lián)、并聯(lián)、旁聯(lián)或其他組合形式連接，每一方框均只對應(yīng)一個功能單元，并進行標(biāo)記。

（3）建立設(shè)計環(huán)保性模型。設(shè)計環(huán)保性模型用于表達設(shè)計環(huán)保性框圖中各功能單元的設(shè)計環(huán)保性與系統(tǒng)設(shè)計環(huán)保性之間的函數(shù)關(guān)系。常用的設(shè)計環(huán)保性模型包括串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)、混聯(lián)系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)等。工程中最常見的設(shè)計環(huán)保性模型是串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)。

2.2 串聯(lián)系統(tǒng)

當(dāng)組成產(chǎn)品的每個單元都正常工作，產(chǎn)品才能正常工作的模型稱之為串聯(lián)系統(tǒng)，其設(shè)計環(huán)保性框圖如圖 1 所示。

圖1 串聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計環(huán)保性框圖

設(shè)第 i 個單元的環(huán)保度為 Ri（t），則系統(tǒng)環(huán)保度

R（t） = ∏ iR1R（t） （3-1）

串聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)保度等于各單元的環(huán)保度的乘積，單元越多其環(huán)保度越低。在機床系統(tǒng)中，各單元大多數(shù)都是獨立的，從設(shè)計環(huán)保性邏輯關(guān)系上講，各單元的故障概率是互不影響的，因此在計算系統(tǒng)環(huán)保度時一般用設(shè)計環(huán)保性乘法法則來處理。很多電子產(chǎn)品和機電產(chǎn)品的壽命都服從指數(shù)分布，其環(huán)保度為：

Ri= e （3-2）

整個產(chǎn)品的故障率為：

λ=∑i1λ （3-3）

可見，串聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)保度是各單元環(huán)保度的乘積，單元越多，產(chǎn)品越復(fù)雜，其環(huán)保度越低，從設(shè)計方面考慮可從以下三個方面著手改進：首先是最大化降低串聯(lián)單元的數(shù)量，優(yōu)化設(shè)計工作；其次就是加強單元環(huán)保度，盡可能減少其出現(xiàn)故障的概率；最后即縮短工作時間。其中簡化設(shè)計是提高串聯(lián)系統(tǒng)產(chǎn)品的最重要途徑。

2.3 并聯(lián)系統(tǒng)

組成產(chǎn)品的所有單元中只要有一個正常工作，產(chǎn)品就能正常工作的模型稱之為并聯(lián)系統(tǒng)。其設(shè)計環(huán)保性框圖如圖 3-2 所示。

圖 2 并聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計環(huán)保性框

設(shè)第i個單元的環(huán)保度為Ri（t），則系統(tǒng)環(huán)保度：

R（t） = 1-∏i[1-Ri（t）] （3-4）

并聯(lián)系統(tǒng)是貯備系統(tǒng)的一種情況，對于任何一種高性能的復(fù)雜產(chǎn)品，為了提高產(chǎn)品的環(huán)保度，可以采用的方法有兩種：一是提高零部件的環(huán)保度，但這樣會使成本過高；另一個辦法就是增加產(chǎn)品中部分或全部零件作為貯備，這樣即使某一零件失效也不會導(dǎo)致產(chǎn)品失效，只有所有的貯備零部件全部失效才會導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生故障，這就是并聯(lián)系統(tǒng)。但在實際設(shè)計中，并聯(lián)系統(tǒng)數(shù)目太多也會導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計環(huán)保性降低。

3.提高齒輪加工車床精度的制造技術(shù)分析

3.1 精度建模一般程序

（1）明確機床產(chǎn)品定義。建模前必須明確系統(tǒng)及其分系統(tǒng)的構(gòu)成、功能、故障判斷等。通過建立功能框圖可以幫助明確產(chǎn)品的任務(wù)定義。功能塊圖是基于對各級系統(tǒng)的靜態(tài)分組功能，闡述了系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和功能之間的關(guān)系（信息）的過程。功能框圖或功能流程圖是繪制精度分析框圖的基礎(chǔ)。

（2）繪制精度分析框圖。精度分析框圖是以圖的形式邏輯地描述系統(tǒng)正常工作的情況。精度分析框圖應(yīng)正確描述系統(tǒng)每次完成任務(wù)時所有單元功能組之間的相互關(guān)系，繪制時應(yīng)充分了解系統(tǒng)的任務(wù)和壽命剖面。建立系統(tǒng)精度分析框圖的基礎(chǔ)是產(chǎn)品的原理圖和功能框圖。在最終的精度分析框圖中，所有方框均應(yīng)要求以串聯(lián)、并聯(lián)、旁聯(lián)或其他組合形式連接，每一方框均只對應(yīng)一個功能單元，并進行標(biāo)記。

（3）建立精度分析模型。精度分析模型用于表達精度分析框圖中各功能單元的精度分析與系統(tǒng)精度分析之間的函數(shù)關(guān)系。常用的精度分析模型包括串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)、混聯(lián)系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)等。工程中最常見的精度分析模型是串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)。

3.2 零件分類及其變型模式

機床部件一般都是大批量定制生產(chǎn)，它必須以確保零部件資源特點，滿足客戶不同的需求，不同的功能要求，機床產(chǎn)品的通用標(biāo)準(zhǔn)件，通用件和三件定制組件。不同類型的部件，數(shù)字控制課程模式流程如下所示。需要指出的是，在機床產(chǎn)品，數(shù)字控制階段，應(yīng)首先確保通用件變體可以記住代替變異模型的實例，并沒有使用條件或存在的例子很難滿足不同條件的需求，不同的主模型必須通過參數(shù)化變了機床產(chǎn)品定制需求。

3.3 以CAD系統(tǒng)作為快速數(shù)字控制產(chǎn)品信息工具

計算機輔助設(shè)計，計算機輔助設(shè)計的英文名稱，通常被稱為AutoCAD，是設(shè)計過程中的計算機及其外圍設(shè)備來幫助設(shè)計師工作時使用，可以很簡單按照各部分的大小、模式進行繪圖，最終依據(jù)準(zhǔn)確的命令完成機床的設(shè)計。由平面和高程AutoCAD繪制，不僅能準(zhǔn)確反映設(shè)計者的意圖，但也能產(chǎn)生三維模型，根據(jù)圖紙定義顏色，在很大程度上彌補空隙的設(shè)計與施工。當(dāng)然，AutoCAD繪制出來的圖形具有一些不可避免的問題，所以在設(shè)計部門經(jīng)常使用PS圖象處理軟件繪制圖形。在機床產(chǎn)品的數(shù)字控制開發(fā)中，利用幾何數(shù)據(jù)模型和屬性數(shù)據(jù)模型可建立機床產(chǎn)品的變型模型。

3.結(jié)果評價

通過對齒輪加工車床精度進行建模分析，不但能對機床產(chǎn)品進行三維模擬，還能夠基于原始數(shù)據(jù)測量時，對車床的特征尺寸自發(fā)地進行標(biāo)高計算，通過實際操作發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確和快速的計算，并且可以在同一個局域網(wǎng)下的同一客戶端上運行，傳統(tǒng)的車床加工系統(tǒng)的仿真模型在運算和仿真初始化上存在很多不足，檢測過程將設(shè)置添加到該程序間隔的方法來記錄每次模擬響應(yīng)的操作的時間的時間長度。總體而言，虛擬數(shù)控加工模擬技術(shù)在車床加工的管理吸引越來越多的廣泛使用，越來越多的成熟和先進的技術(shù)，將原始數(shù)據(jù)通過面板輸入，可以有效的反映在齒輪加工機床的生產(chǎn)過程中，該系統(tǒng)的真實狀態(tài)計算前全流程模擬、建模和求解，在實際結(jié)構(gòu)中的很好地表示了每個節(jié)點的相對位置之間的關(guān)系，有效地提高了齒輪加工車床精度。

4.結(jié)語

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，采取EPS方法能夠較全面地分析機床設(shè)計環(huán)保性的影響因素，經(jīng)對比分析，最終得到的機床設(shè)計環(huán)保性評價結(jié)果是科學(xué)合理的，該方法對現(xiàn)階段我國機床使用單位、制造廠家與政府安全技術(shù)監(jiān)督部門都是值得借鑒和應(yīng)用的。（本文原刊于煤礦開采2014年11月）

參考文獻

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作者簡介

劉麗（1971—），女，漢族，山東聊城人，副教授，研究方向：數(shù)控加工、綠色再制造及人工智能技術(shù)等。