初探数控机床的关键设计技术与改造方法

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随着现代制造业的加工技术设备的不断发展进步，数控机床向着高精度、高稳定性、高效率、高自动化的方向不断前进。目前，高性能的数控机床在我国仍占少数，广大的数控机床仍存在很大的升级空间。因此，对数控机床的关键设计技术的研究分析，并结合这些关键设计技术总结数控机床的改造方法，意义重大。

      1.数控机床的结构与原理

      数控技术是指利用电脑程序控制机器的一种技术方法，即按技术员事先编好的程序对机械零件进行加工的过程。所谓数控机床，就是指利用数控技术的一类机床的统称。按其控制方式的不同进行分类，可以分为三类，包括开环控制数控机床、闭环控制数控机床和半闭环控制数控机床。目前数控机床使用的控制系统主要有法拉克、华中、广数、西门子、三菱等。可以说，数控机床是集机床、计算机、电机及运动控制、检测等技术为一体的自动化设备。其基本结构组成包括输入输出装置、数控装置、动力系统、测量装置及机床等，如图1所示：



图1　数控机床的组成结构图

      其中输入输出装置指程序编制及程序载体。数控装置（或称CNC装置）被称为数控机床的“主脑”，它包括硬件和软件两大部分，主要负责处理数据和指挥工作。测量装置是检测各坐标轴的实际位移量并将信息反馈给数控机床“主脑”的装置。机床即机床本体，包括主轴、进给、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动
系统、润滑系统、冷却装置等。

      综上所述，数控机床的工作原理是将所有加工相关的数据信息以数字和字符的编码方式进行记录，然后利用数控装置内的计算机对其进行一系列处理后，发出指令，命令执行机构自动控制并完成加工所需的各项动作，如刀具相对于工件的运动轨迹、位移量和速度等，从而完成工件的加工。

      2.数控机床的几种关键设计技术

      在数控机床改造方法的探究路上，有几种关键设计技术十分重要，具体总结如下：

      2.1　质心驱动设计技术

      质心驱动设计技术（俗称“推中心”技术）是一项由机械系统动力学理论发展而来的技术。其原理是：当驱动力作用的位置不在物体的质心位置时，就会出现一个扭转力矩，使物体发生转动或振动等不稳定的现象，若作用力一定时，力的作用位置与物体质心位置的距离越远，这个扭转力矩就会越大，物体发生转动或振动的现象就会越明显；当力作用的位置刚好在质心位置时，就不会出现扭转力矩，此时物体只会沿着导轨稳定地做直线运动。

      2.2　直接驱动技术

      直接驱动技术是指将伺服电机直接联接或牢固在从动部件上的一种技术。根据电机的运动类型一般可以分为直线电机驱动和力矩电机驱动两大类，其中直线电机驱动的为直线运动，力矩电机驱动的为旋转运动。使用直接驱动技术的数控机床不需要一系列的机械传动系统如齿轮传动系统、皮带传动系统等，真正做到了“零传动”，真正避免了传动过程中的各种误差的产生和累加，减少了传动过程能量的损耗，提高了传动的精度和传动的效率。

      2.3　热平衡设计技术

      热平衡设计技术是指利用热平衡定律（或称热交换定律）进行设备设计的一种技术。其基本原理是在热量交换的过程中，假设热量不会损失，在没有热和功转变的情况下，初始状态和最终状态时热量均达到平衡状态，此时高温物体的内能减少量就等于低温物体的内能增加量，用方程表示为Q放＝Q吸（其中Q表示热量）。在数控机床工作时，热量的误差是其最重要的误差源，约占机床总误差的70%。因此，利用热平衡设计技术来改善数控机床的热性能，能有效提高机床的加工精度，这是数控机床的一种重要改造方法。

      2.4　虚拟设计技术

      虚拟设计技术是一种崭新的设计技术，它是利用计算机仿真技术来虚拟真实加工制造的情况，并对此制造过程及其对产品质量的影响进行分析评估，然后对虚拟设计的机床进行调整，反复推敲并完善设计。采用这种新技术进行数控机床的设计和改造，能有效提高机床的设计和改造质量，缩短研发周期，降低研发成本，使新产品的诞生更经济、更快速。目前，这种技术在数控机床上的应用虽然在机床的结构、几何尺寸等方面的数字化建模取得了成功，但在数控机床的切削加工过程的仿真模拟效果仍未达到预期。相信随着科技的发展进步，虚拟设计技术在数控机床上的应用会更加成熟和可靠。

      2.5　有限元分析技术

      有限元分析技术是用数学模型近似真实的物理系统而进行的模拟分析技术。具体地说，就是用若干个简单而有关联的小单元代替整体，然后对各小单元进行分析求解，最后再归纳总结，从而实现了将复杂的问题转为较简单的问题，为看似不可能解决的真实问题提供了一种有效的解决方法，其未来的发展空间很大。

      3.数控机床的改造方法与实例分析

      结合数控机床的结构与原理，总结关键设计技术的特点，数控机床的技术改造可以从机床工作台、动力系统、机床主轴等结构上进行技术改造。具体改造方法与应用实例结果总结如下：

      3.1　质心驱动设计技术应用在机床工作台结构的改造分析质

      心驱动设计技术的概念最早是由日本森精机提出并应用在数控机床上的，主要应用在机床的工作台结构。机床的工作台结构通常由工作台和滑台两部分组成，其中工作台的质量一般较轻且在滑台上，由滑台承受其全部重量。一般情况下，数控机床工作时，工作台在质心位置受到驱动力的作用而做横向直线运动，工作稳定；而滑台因承载工作台的重量而质心随着工作台的移动而不断变化，且滑台受单个驱动力的作用，容易出现转动或振动等使其工作不稳定。由此可见，运用质心驱动设计技术对机床工作台结构进行改造的方法是将其单个驱动方式改为两边驱动方式，即在以滑台质心为对称点的两侧，分别同时施加两个相同的驱动力，使滑台受到对称的两个驱动力同时作用，从而减少因力臂而产生的扭转力矩对机床工作台的影响，使其工作更加稳定。为了验证这个观点，日本森精机进行了大量试验，研究结果表明，这种方法不仅可以减少设备在高速运动过程中所产生的振动，还可以提高工件加工表面的质量精度等。

      3.2　直接驱动技术应用于机床动力系统的改造分析

      随着科学技术的不断发展，直接驱动技术的发展取得明显的进步，从而大大地简化了电机与从动部件之间的传动环节，并最终实现了“零传动”。在数控机床的改造和开发设计过程中，应用直接驱动技术改造机床的动力系统，取代传统的非直接驱动系统，不仅能大大提高机床的响应速度和定位精度，还能使数控机床向高性能化发展迈进了一大步。

      3.3　热平衡设计结合有限元分析技术应用于主轴结构的改造分析

      数控机床的主轴结构主要包括主轴、电机和轴承等，在数控机床高速运转时，其电机和轴承将产生大量热量，使整个主轴结构组件出现局部高温的现象，即出现了较大的温差，于是在热胀冷缩的影响下，机床主轴会产生局部的热变形，其轴线随变形方向而上升或下降，最终导致机床的加工精度出现不稳定的波动变化。为解决这一问题，结合上文中关于数控机床的几种关键设计技术的介绍内容，最有效的解决方法是采用热平衡设计原理结合有限元分析技术，并将其应用于数控机床的主轴结构的改造中。具体方法是利用计算机建立机床主轴的有限元分析模型，并对其进行热特性分析，同时结合热平衡原理，制定可行的解决方案，并从中选择较合理的方案措施来控制且减少主轴结构的局部升温，缩少主轴结构各部分的温差变化，使其尽量达到热平衡状态，从而减少其热变形量，提高机床加工精度的稳定性。

      3.4　虚拟设计技术应用于切削机构的改造分析

      目前，虚拟设计技术在数控机床的应用上，其重点和难点在于针对数控机床的切削加工过程的仿真模拟，www.vtoall.com包括切削过程中刀具和工件的几何、运动、动力（包括热）等特征的仿真。因此，需要不断提高切削加工过程的仿真度，并在不断的虚拟分析过程中，预测切削机构的加工性能，从而提高切削机构的改造质量和改造速度，最终实现机床的优化和改造。

      4.结语

      随着高性能数控机床的不断发展壮大，现有的数控机床需要结合自身的结构和原理特点进行改造，以便其满足新时代的市场要求。因此，将关键设计技术应用于数控机床的技术改造和实践过程中，如机床工作台的质心驱动设计技术改造、机床动力系统的直接驱动技术改造、主轴结构的热平衡设计结合有限元分析技术改造和切削机构的虚拟设计技术改造等，相信持续不断的研发和实践，数控机床将向着高速、高精、高稳定性的方向发展。