數控機床機械結構設計和制造技術優化

安紅衛

摘要：只有有效地優化數控機床內部的機械結構才能夠更好地提升設計機床的效率，實際也可以更好地改進機床自身的質量。通過在實踐中有效地優化關鍵性結構才能夠更好地改善設計的質量，最終才能夠更好地提升機床本身的動態性能。本文重點分析數控機床機械結構設計和制造技術，以更好地達到理想的效果。

關鍵詞：數控機床;機械結構;結構設計;制造技術

0? 引言

廣大設計師只有更好地通過創新思維來提升設計制造的技術才能夠更好地優化數控機床內部的結構，為的是更好地增強數控機床的開發能力。因此，只有在實踐中有效地掌握與數控機床設計有關的原則才能夠更好地提升數控機床設計的效率。

1? 數控機床機械結構概述

1.1 數控機床的概念

數控機床又被稱為數字控制機床，是一種直接裝有程序的自動化的機床。多數數控機械內部的機械可以在第一時間更為高效地處理相關編碼合符號程序，并配合用代碼來處理相關的數字，最終更需要借助信息載體來控制整個數控裝置[1]。在經過計算之后，多數數控裝置的內部可以發出不同類型的控制信號，并按照不同圖形的形狀和要求來直接加工零件。

多數數控機床不僅可以更好地解決包括較為復雜、批量較小和其他不同的問題，而且還屬于一種柔性化技術，多數數控機床不僅代表著現代化機床的一種控制方向，更是一種典型的機電一體化產品。

1.2 數控機床機械結構的特點

1.2.1 具有較高的柔性

數控機床內部的加工零件實際和普通機床有著直接的不同，甚至不需要直接借助更多的程序就可以更好地調整整個機床。因此，更多的數控機床都可以被用來加工不同類型的零件，更可以被應用于開發產品的過程中，實踐中不僅可以直接縮短生產的周期，更可以直接降低生產的成本。

1.2.2 加工精度較高

多數數控機床的實際精度可以達到0.05-0.1mm，實踐中可以借助不同的數字信號形式來直接輸出不同的脈沖信號。多數數控機床內部的數控裝置都可以用來控制機床傳動鏈的間隙和絲桿螺之間存在的平均誤差，所以從實踐看更多數控機床的實際加工精度顯得較高。

1.2.3 實際質量較為穩定和可靠

如果可以運用合適的數控機床來直接加工零件，所涉及的工具、程序和工具的走向也是完全一樣的，最終數控機床所生產出來的零件的質量顯得較為穩定。

1.2.4 生產效率較高

通過使用數控機床可以更好地減少加工零件的時間，并讓數控機床在最大范圍內進行強力切削。目前已經進入了經濟高速發展的時代，多數存在于數控機床內部的部件可以在較短的時間內更好地提升生產效率。如果能夠讓加工中心內部的刀具更好地相互配合，自然就可以實現在同一道工序中連續加工，并在減少產品周轉時間的基礎上更好地提升生產的效率。

1.2.5 充分借助現代化管理

在運用數控機床進行加工時，專業人員可以先有效地估計加工的時間，并在充分使用刀具和夾具的基礎上更好地實現現代化管理。這種現代化管理的方式實際一直都在數控機床使用的過程中發揮重要角色。

1.3 數控機床主要機械構造

常規的數控機床構造重點是由如下幾個部分組成的：

1.3.1 加工程序載體

多數數控機床不需要讓工人直接參與在內就可以實現高效工作，實際更需要將不同類型的編程程序更好地融入數控機床加工的過程中?？梢越柚欢ǖ母袷胶痛a將不同的加工程序存儲在同一程序載體內部[2]。包括穿孔紙帶、軟磁盤和其他不同的內容都可以借助數控機床來更好地發揮實際作用。

1.3.2 數控裝置

所有數控裝置都是機床內部的核心內容，現代的數控機床主要可以配合CNC來更好地發揮實際作用。這種常見的CNC裝置往往可以在將多個微型處理器集中在一起的基礎上，再通過運用程序化的軟件來更好地控制功能，所以這一類裝置又被稱為軟件數控。多數數控機床內部的裝置主要是由輸入設備、處理設備和輸出設備組成，這些不同的部分都會讓整個系統更好地發揮實際作用。

1.3.3 伺服與測量反饋系統

伺服系統實際也是數控機床中非常重要的組成部分，重點是用來實現數控機床的控制過程。更多伺服系統本質的作用就是將來自不同裝置中的指令信息在較短的時間內放大，并在借助整形處理之后來直接轉換機床執行的部件。伺服和測量反饋系統可以在比較實際不同指令的基礎上來讓伺服系統內部的設定值達到所需的位移量。

1.3.4 數控機床輔助裝置

數控機床內部的輔助裝置是為了發揮機床功能的必要裝置。數控機床內部常用的輔助裝置主要是由液壓裝置、冷卻裝置、潤滑裝置和其他不同類型的裝置構成。

數控機床是一種內部裝有程序的自動化機床，更多的人可以在分析已經編好的程序的基礎上讓機床高效地加工零件。多數存在于數控機床中的零件主要是由接近開關、溫度傳感器、電流傳感器、壓力傳感器和其他不同類型的傳感器組成的，實踐中主要是用來檢測不同的直線位移、角度位移、壓力和速度等不同的內容。

2? 數控機床機械結構設計和制造技術優化的措施

2.1 設計較為輕型化的結構

在優化數控機床設計的過程中注意讓整個機床能夠更好地達到動態和靜態的性能指標，使得機床內部的部件盡可能朝著輕型的方向發展。傳統數控機床設計的觀念下，機床的剛度越大越能夠發揮較大的作用，但是這樣一種觀念早就落伍了。如果能夠讓數控機床內部構造的剛度朝著更輕的方向發展，一方面可以減少驅動的功率，更可以有效地減少材料的使用量。

傳統背景下，多數制造商會選擇不斷地加大數控機床內部材料的厚度，而數控機床結構的壁厚和質量呈現出一種立方關系，但是壁厚和剛度卻呈現出一種線性關系，而內部存在的剛度質量比實際也會發揮重要的作用。但是隨著數控機床內部的壁厚不斷地增加，其機床內部結構的剛度其實也會不斷地降低。

因此，專業人員在設計數控機床時一定要準確合理地設計整個數控機床的主要形狀，并讓其朝著輕型化的方向發展。圖1顯示了常規數控機床的主要結構，多數數控機床都是一種較為扁平的結構，在布置筋板的過程中需要重點考慮其整體結構是否會產生變形的情況，并通過多選擇米字型的筋板來更好地預防產生變形的現象。

多數與數控機床有關的固有頻率計算公式為w=k/m，其中m表示數控機床本身的質量，k則表示的是數控機床自身的剛度。從這樣一個式子中可以明顯看出如果數控機床的零件和結構能夠相互匹配，其固有的頻率將會隨著質量的變大而不斷地減少，必要時可以采用一字筋板來代替可以承受數控機床部位的材料。

2.2 對關鍵結構的截面進行優化

多數截面優化的方法已經在數控機床結構設計中存在了很長一段時間，該方法實際已經顯得非常成熟，但是這種傳統的方法是建立在拓撲結構和幾何布局的基礎上的。先選擇結構件內部的截面面積和截面厚度作為優化設計的變量，為的是更好地提升結構的剛度，最終再選擇最合適的參數來作為優化設計時的重要目標。

在實際優化結構內部截面的過程中，需要采用專業的方式來直接計算約束梯度。但是在實踐中只要能夠適當地改變內部的變量就能夠更好地提升優化的效率。在截面的優化過程中多數是以特定的拓撲結構為基礎的，其優化的結果勢必會受到二者的限制，其主要結構如圖2所示。

從圖2（a）中可以看出，實踐中需要結合機床的實際情況來計算出合適的結果，其中靜態和動態的性能約束已經達到了臨界值，但是模型內部的尺寸中有大部分的下限還存在明顯的距離，這直接反映出多數優化截面的方法實際更具有著一定的缺陷，只有有效地優化整個結構才能夠更好地解決實際存在的缺陷。從圖2（b）中的內容來看，只有將合適的節點坐標來看作幾何設計中的變量才能夠提升優化設計的效率[3]。實際在進行優化設計之后，內部尺寸的內容會在較短的時間內減少，其重量更會不斷地減輕。

2.3 對機床結構進行建模和仿真優化設計

在實際設計機床時，專業的人員需要在較短的時間內先考慮存在于機床內部產品的性能，并在設計的過程中尋找設計產品的思路。例如，在進行實體建模時可以先分析整個床內部的不同要求再直接建立對應的模型。更可以通過次要改靜力學分析、動態設計和其他分析方法來設計不同類型的機床結構和性能參數，最終才能夠使得整個機床的結構變得更加合理。

例如，如果數控機床內部的剛度沒有發生變化，如果體積變得更小，則可以在一定程度上更好地減輕整個機床的質量。如果數控機床自身的體積沒有直接發生變化，卻讓其剛度達到最大化，則會在最短的時間內防止機床出現變形的現象。而如果直接保持數控機床的體積不變，再直接提高其內部的固有頻率，自然就可以直接提升整體的動態性能。因此，實踐中需要通過不斷地優化不同的設計過程才能夠保證數控機床的整體性能。

2.4 以模塊化思想為基礎來實現結構的創新

模塊化建設實際是實現機床大規模設計的重要方式。所謂的模塊化就是指的先通過將不同的機床分解成不同的模塊，之后再結合實際的產品需求來重新組合。從機床布局來看，專業人員可以在具體分析產品需求的基礎上來實現高效組合。但是常規機床的模塊主要是由不同的硬件和軟件組成的，不同的模塊更有著統一的標準化界面對其進行支撐。因此，在實際設計機床時需要先分析不同的產品需求，再根據實際情況來改變機床的功能。

高模塊化的結構不僅使得產品具有更高的柔性，更能夠在較短的時間內縮短產品更新換代的時間，最終不僅可以更好地滿足產品加工的需求，更可以將機床內部的功能更好地結合在一起，最終讓大規模的生產發揮更好的作用。另外，內部模塊化的結構可以在第一時間引進各類模塊的新技術，包括直線機電技術和滾動導軌技術都可以很好地提升模塊自身的性能，實際也可以更好地在簡化機床結構的基礎上實現模塊的重組。

3? 結束語

綜上所述，當前我國的高端機床和國外先進廠家之間確實存在著不小的差距。因此需要在實踐中通過采用各類研究方法來開展基礎性研究的工作，并在創新機床設計結構理念的基礎上更好地通過運用先進的數控機床技術來為客戶提供更加高效的服務，最終自然可以保證數控機床具有較高的性能。

參考文獻：

[1]楊姝.復雜機械結構拓撲優化若干問題研究[D].大連：大連理工大學，2018（5）：49-53.

[2]譚力，葛巧琴，等.機床結構件優化設計的初步研究.中國機械工程學會第三屆機床設計與研究會議論文集

[3]顏華生，候亮，饒柳生.基于BP-GA機床大件關鍵尺寸復合優化研究[J].中國機械工程，2017（5）：49-53.