數(shù)控機床機械結構設計與制造技術的研究探討

（深圳市強華科技發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518126）

數(shù)控機床機械結構設計與制造技術的研究探討

姚杰

（深圳市強華科技發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518126）

隨著工業(yè)化以及科技信息的不斷發(fā)展，制造也得到了飛速的發(fā)展。本文以PCB數(shù)控鉆孔為例，對數(shù)控機床機械結構設計以及機床以及PCB數(shù)控鉆孔做了簡單的介紹，總結了這一領域的發(fā)展狀況，并對PCB數(shù)控鉆孔機床的機械結構設計與制造技術的優(yōu)化提出了相關的優(yōu)化策略。

數(shù)控機床；機械結構設計

1 數(shù)控機床簡介

數(shù)控機床是基于現(xiàn)在科學技術的基礎上的一種產(chǎn)品，其可以將科學技術融入生產(chǎn)中，并與系統(tǒng)的操作指令相結合，從而能夠實現(xiàn)信息化的產(chǎn)品生產(chǎn)。在實際運行數(shù)控機床的操作中，信息以及數(shù)據(jù)是其中最基礎的部分，要一切以產(chǎn)品的需求為目標，將產(chǎn)品信息正確無差錯錄入進系統(tǒng)，保證最終產(chǎn)品生產(chǎn)的準確性。此外，在操作的過程中，要加強對數(shù)控機床的監(jiān)控，尤其是生產(chǎn)效率以及質量；除了加強監(jiān)控，還要注重數(shù)控機床的轉型升級，并定期對設備進行檢修。

PCB數(shù)控機械鉆孔是數(shù)控機床的一種具體表現(xiàn)。PCB，即印刷線路板，一般指在絕緣材料上，按照一定的方案設計，將印刷線路以及印刷元件組合形成印刷電路板。在線路板上鉆孔的方法一般有兩種，即激光鉆孔和數(shù)控機械鉆孔。與激光鉆孔相比，數(shù)控機械鉆孔一般對加工材料的適應性較強，成本較低等明顯優(yōu)勢，因此，被廣泛使用。

2 數(shù)控機床機械結構設計與制造技術的發(fā)展動態(tài)

全球經(jīng)濟以及工業(yè)化的不斷發(fā)展，促使了科技的不斷創(chuàng)新和進步。在這一大的時代背景下，數(shù)控機床機械結構設計以及制造技術也在不斷的完善與發(fā)展。就現(xiàn)階段而言，數(shù)控技術正朝著智能化、高精度的方向邁進。在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，數(shù)控機床是非常重要的一個環(huán)節(jié)，更多的是應用與機械生產(chǎn)中，這就對機床的穩(wěn)定性以及完整性提出了很高的要求。數(shù)控機床的廣泛使用能夠有效的提高產(chǎn)品的質量以及生產(chǎn)效率，對保證產(chǎn)品的性能也有一定的促進作用。主軸的帶動是數(shù)控機床的主要部分，其原理是利用設備的機械傳動從而實現(xiàn)對其余部分的輔助支撐，從而進一步達到整體控制數(shù)控機床的目的。科學的數(shù)控機床的機械結構設計對提高其工作效率起到了至關重要的作用，尤其是主軸的部分，因此，這就需要我們利用現(xiàn)代科技以及現(xiàn)代的工業(yè)制造技術不斷的改進數(shù)控機床的主軸部分，特別是其運轉速度。

以PCB數(shù)控鉆孔為例，其原理是利用X、Y、Z三個坐標軸，當X以及Y軸達到指定的目標坐標后，Z軸遵循計算機發(fā)出的指令，執(zhí)行精密鉆孔操作。與其余工業(yè)發(fā)達國家相比，我國的PCB數(shù)控鉆孔的出現(xiàn)較晚，但是發(fā)展卻相對更迅速一些。從上世紀80年代開始，經(jīng)過了三十多年的發(fā)展，我國的PCB數(shù)控鉆孔技術有了長足的發(fā)展，尤其是在精密孔的加工、運轉速度等方面。就現(xiàn)階段我國的實際情況而言，PCB數(shù)控鉆孔的發(fā)展主要朝著以下幾個方向發(fā)展。

（1）超高精度、超高運轉速度。由于現(xiàn)代科學技術以及計算機技術的飛速發(fā)展，數(shù)控機床的發(fā)展也十分迅速。為了能夠與工業(yè)發(fā)展的速度相匹配，數(shù)控機床必須要具備超高精度以及超高運轉速度的優(yōu)勢，這兩點是評價數(shù)控PCB數(shù)控鉆孔的最為關鍵的因素，其好壞對產(chǎn)品的質量以及生產(chǎn)效率有著決定性的作用。

（2）提高可靠性。除了上述的運轉速度以及精度外，可靠性也是評價數(shù)控機床的重要指標之一。以國外的標準為例，數(shù)控機床中數(shù)控系統(tǒng)的MTBF（平均故障間隔時間）已達到6000h以上，平均無故障時間大于10000h，具有相當大的可靠性。但是，就我國目前可達到的水平而言，數(shù)控系統(tǒng)的MTBF只有3000h小時左右，達到5000h的非常少。除此之外，數(shù)控機床整機的平均無故障時間可以達到800h；而我國，目前已知的最長時間只有300h。因此，提高數(shù)控機床的可靠性非常有必要。在之后的發(fā)展道路上，數(shù)控機床可以充分利用現(xiàn)代高科技，包括集成電路等，提高其可靠性。其次，還要增強數(shù)控機床自身的故障診斷排除系統(tǒng)、自我修復系統(tǒng)、以及自我保護系統(tǒng)等進一步提高其可靠性。

（3）實時智能化。以PCB鉆孔為例，其發(fā)展的早期較為簡單，只需滿足簡單的數(shù)控機械鉆孔的目的。而隨著智能化的不斷發(fā)展，PCB數(shù)控鉆孔也與其結合并發(fā)展。PCB數(shù)控機械鉆孔的實時智能化的方法主要是對相關影響運行精度和運行速度的因素進行實時監(jiān)控、建模等，并根據(jù)得到的數(shù)據(jù)做出及時準確的判斷以及決策。通過這一流程，可以對數(shù)控鉆孔的精度不斷改進，從而得到相對最為精確的結果。此外，實時智能化還能提高數(shù)控機床的生產(chǎn)效率以及自我修復功能。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，實時智能可以第一時間判斷故障位置、故障原因，進行故障報警，并自動脫離故障模塊，接入備用模塊，實施系統(tǒng)的自我修復。因此，實時智能化是數(shù)控機床的未來重要的發(fā)展趨勢之一。

（4）控制系統(tǒng)小型化。在數(shù)控機床未來的發(fā)展趨勢中，應該會采取超高集成度的印刷電路板，使得控制系統(tǒng)更加小型化。此外，還可以采用新型超薄液晶顯示屏，更進一步的縮小控制系統(tǒng)的體積，更便于數(shù)控機床的實際操作。

（5）創(chuàng)新能力的不斷提高。雖然我國數(shù)控機床的發(fā)展速度較快，但是創(chuàng)新能力明顯不足。目前而言，我國數(shù)控機床的發(fā)展主要處于模仿國外階段，自主創(chuàng)新只占了比較小的一部分。因此，為了促進我國數(shù)控機床機械結構設計與制造技術的快速發(fā)展，必須提高自主創(chuàng)新能力，將更多的科技與信息化融入其中，才能提高相關企業(yè)的市場競爭力。

3 數(shù)控機床機械結構設計的優(yōu)化策略

數(shù)控機床機械結構設計與制造技術在工業(yè)的發(fā)展中起到了十分重要的作用，可以促進國民經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展。因此，我們要不斷的對數(shù)控機床的機械結構設計以及制造技術進行優(yōu)化。以PCB數(shù)控鉆孔為例，主要可以從以下幾個方面進行優(yōu)化：

（1）提高機床的穩(wěn)定性。提高這一類型數(shù)控機床的穩(wěn)定性，主要從系統(tǒng)的加速度控制以及結構設計方面考慮。PCB數(shù)控鉆孔的運動位移較小，起止時間間隔很短，因此，就造成了定位不準確的結果。因此，在機械結構的設計中，必須采用合理的方式，提高運行的穩(wěn)定性以及定點的準確性，減少操作中的慣性；此外，還可以使用一些特殊的材料，提高系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性，達到定點準確的目的。具體來說，可以采用以下措施：盡量使用剛性結構設計、減少各方向軸移動物體質量、加大靜態(tài)物體質量以及適當使用防震材料等。

（2）提高主軸的運行精度和速度。主軸的運行精度以及速度是評價PCB數(shù)控鉆孔機床的重要指標之一。在數(shù)控機械結構中，如果主軸運行精度以及速度較低，往往實現(xiàn)不了機械加工的精密化，會造成鉆孔精密度差、鉆孔質量不高的結果，給后續(xù)加工帶來很大的困難。在機械結構設計以及制造技術中，可以采用靜壓空氣軸承主軸。靜壓空氣軸承主軸的運行速度可以達到200Krpm，精度最高是0.03μm級，具有較高的運行精度，能夠實現(xiàn)微小孔的高速加工。此外，靜壓空氣軸承主軸的使用壽命較一般主軸長、動態(tài)特性更好。

（3）采用三維穩(wěn)定性仿真技術。隨著現(xiàn)代工業(yè)以及信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對印制電路板的要求也越來越高，需要更加精細、更加快速的鉆孔技術。然而，目前我國最小只可以達到0.2 mm的孔徑，與國外0.08 mm還有較大的距離；在運行速度方面，國外可以達到75 m/min，是我國的2.5倍。因此，亟需采取一定的手段提高機床的整體機械性能，三維穩(wěn)定性仿真技術就是其中比較好的一種。三維穩(wěn)定性仿真技術具體來說是指，采用仿真測量建立相關模型，減少鉆床在操作運行時，由于高速旋轉導致的偏離，提高鉆頭定點的準確性，進而提高鉆頭的三維穩(wěn)定性。

（4）采取自適應跟蹤控制器。鉆孔精度是PCB數(shù)控鉆孔的重要評價指標之一，電氣又是影響鉆孔精度的最重要的影響因素之一。電氣因素導致的鉆孔精度可以通過提高伺服系統(tǒng)的性能加以控制。在實際的操作中，伺服系統(tǒng)對鉆孔精度的控制主要體現(xiàn)在三個方面，即反應速度快、運行精度高以及轉矩小。由于在運轉過程中，存在很多外界干擾，例如摩擦等，會影響機床的精度。為了解決這一問題，課題采用自適應跟蹤控制器。自適應跟蹤控制器包括基本控制器、前饋控制器、摩擦補償控制器、位置反饋控制器等幾部分，對減少外部的干擾、提高加工精度起到了積極的作用。

（5）采用帶GA功能的貪婪算法。隨著印刷電路板的不斷發(fā)展，電路板上的鉆孔數(shù)量也在不斷增多。傳統(tǒng)的算法一般有較多的空行程，因此，就必須采用一種全新的算法改善這一缺點。帶GA功能的貪婪算法恰恰能解決這一問題。貪婪算法的運行處理速度一般較快，在其中加入GA功能可以進一步對這一算法進行優(yōu)化，改善鉆孔的運行軌跡，減少空行程的運行，最終達到提高運行速度以及生產(chǎn)效率的目的。

4 結語

數(shù)控機床是工業(yè)化進程中最為基礎的一個環(huán)節(jié)，而運行速度以及運行精度又是其中的重中之重。根據(jù)以上的分析，以PCB數(shù)控鉆孔機床為例，從機械結構設計以及制造技術兩個方面入手，對提高數(shù)控機床的運行精度和速度、穩(wěn)定性等提出了相應優(yōu)化策略，包括機械的優(yōu)化以及控制系統(tǒng)的優(yōu)化，以期能夠促進我國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加快我國的工業(yè)化進程。

[1]姚小群, 姚錫凡, 張潔. 數(shù)控機床多領域建模與設計優(yōu)化的研究及發(fā)展[J]. 機械制造, 2015, 11: 1-5.

[2]周忠博, 王紅軍, 黃民. 數(shù)控技術的最新進展及發(fā)展趨勢研究[J]. 裝備制造技術, 2013, 01: 82-86.

TG659

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