数控机床进给机构智能设计优化系统

谢志坤

摘要：现如今数控机床的主要组成部分，就是机床的进给机构，进给机构的好与坏，将直接影响着数控机床的整体精度和质量。所以为了最大程度的提升数控机床的加工精度及机床的工作效率，就需要着重关注数控机床的进给机构，尽最大力度对进给机构智能设计优化系统进行重点研究，本文主要对进给机构智能设计优化系统展开分析，并提出几点合理的优化方式，希望可以通过本文对数控机床进给机构的优化起到一定的帮助作用。

关键词：数控机床;进给机构;智能设计优化

0  引言

现如今我国数控机床市场的竞争异常剧烈，各大机床厂家为了保证收益，以及获得一定的市场份额，纷纷开始对机床的整体结构，以及性能精度进行优化与改进。而作为数控机床的主要组成部分机床的进给机构来说，进行智能设计优化系统研究就显得是尤为重要了。智能设计优化系统框架主要包含：常规设计、需求分析、设计资源中心、智能优化四个组成部分，本文通过对上述四个组成部分的阐述，提出几点优化方法，希望可以对数控机床进给机构的优化起到一定的帮助作用。

1  数控机床的进给机构

以往传统的数控机床机构主要包含伺服电动机、推力轴承、滚珠丝杠等几个主要零部件，这种传统进给机构主要通过数控系统控制伺服电动机转动，进而实现由连接伺服电机与滚珠丝杠的联轴节进行传递扭矩，从而实现转动滚珠丝杠带动床鞍或滑板移动的目的。这种传统的进给机构，是现如今在我国的数控机床行业内，应用最为广泛的进给机构，也是非常特殊与典型的进给机构。

可是必须要明确的是，目前在我国的机床市场内，为了可以实现高速度快移，并且同时还能获得更多的强劲扭矩，自然衍生出了高精度的数控机床。但是数控机床在进行加工的工作过程中，其内部进给机构内的联轴节，以及推力轴承都会持续的受到正向与反向的冲击，长时间的被动受力甚至会使其容易松动或是损坏，所以为了保证数控机床拥有高精度和大扭矩的同时，还需要机床设计人员在机床的工作年限，以及数控机床的整体质量上下大功夫，尽全力优化数控机床的进给机构。

2  进给机构智能设计优化系统

对进给机构的智能优化设计，需要首先由数控机床的主管设计人员，先进行框架的设定，要重点考虑框架设定中存在的优化环节。同时还要兼具，可以确保按时完成进给机构的设计任务。智能设计优化系统的框架主要包含：常规设计、需求分析、设计资源中心、智能优化四个组成部分，数控机床设计人员要依据这四个组成部分，分别确定进给机构的功能，以及定位方向。下面对这四个组成部分进行详细的介绍：

2.1 常规设计

常规的设计是需要数控机床设计人员根据已经确定好的参数，进行进给机构设计，这种设计需要结合传统的机械设计理念以及设计方式来进行的。首先是根据确定好的参数，对进给机构的行程、所需设计零件的外形及尺寸，以及所选轴承的强度等级进行科学性的筛选及设计，其次要根据零部件的组合关系，以及结合材料和理论力学知识，初步设计出进给机构的优化方案。

2.2 需求分析

需求分析的作用是针对客户提出的使用需求，进而进行必要的分析与计算。具体来说，就是根据客户需要将机构的运动、材料等参数，以及零件空间束缚等情况进行综合性的考虑，同时根据己方机床的客观条件，将机构整体设计、进给扭矩等重点参数进行详细的分析与计算，进而可以最大程度的保证进给机构的优化设计方案，可以满足客户的生产需要。

2.3 设计资源中心

设计资源中心的作用是将计算参数、公差精度、各类设计辅助图像进行归纳总结，并归属一个统一的模块当中。另外这个模块还可以对要进行的优化工作，提供相当充足的技术支持，主要表现在可以通过提供相关的数据依据，以便可以增强设计人员的工作效率，极大的减少了设计人员动手翻书、查阅资料的时间。

2.4 智能优化

智能优化的作用是常规设计确定优化方案后，结合零件机构的各类约束、各方受力分析，以及温度等情况，建立进给机构的相关三维模型。然后将所建立的模型引入ANSYS软件之中，进行构建有限元模型，由此不仅可以进行必要的有限元分析，还可以进行热力藕合仿真。同时还可以通过优化算法的帮助，获得需求的优化机构设计方案。（注：图1为智能设计优化系统框架的结构图）

3  进给机构智能设计优化方式

3.1 构建相关模型

数控机床的设计人员可以通过构建相关模型，来对确定好的优化方案进行场景模拟，如此不但可以进一步的保证进给机构优化设计的方案的实施，还可以对方案的可行性，以及后期使用效果进行深度的验证。同时通过必要的细节调整，还可以对在设计过程中，出现的问题进行合理的处理，从而使优化方案更加合理有效。

3.2 目标函数和设计变量的优化

在构建完相关模型之后，设计人员还需要对目标函数和设计变量进行相关的优化，力求实现机床进给机构在处于静态时，整体结构及相关功能最为协调。同时在进行优化过程中，要依据重量轻、抗震性能强的原则，对进给机构的设计结构进行合理的定位，进而确保机构内主观部件质量控制最为合理。另外这种优化还有尽量考虑机床实际的整体设计结构，要满足机床本身的设计参数。

同时因为设计过程中存在变量，这种变量会对目标函数产生一些影响，因此想要合理的优化目标函数，就必须先行确定设计变量，首先将进给机构中的各个零件认为主要参数，此参数可以设定为设计变量，诸如：滚珠丝杠的外径、螺距、导程或是齿轮模数等，在结合一些相关的计算公式进行合理的计算，以便于可以科学的、合理的选择所需的设计变量。

但是由于数控机床进给机构智能设计优化过程中，会牵涉进许许多多的设计参数以及设计变量，还有各个零件都会存在型位公差带变化，所以设计人员应该采用科学的分析方式，进行合情合理的科学计算和选择，以便保证设计参数和设计变量更加的准确有效，同时还可以为后期数控机床进给机构的生产，减少不必要的不确定性。

4  结束语

目前伴随着我国经济总量的逐年递增，我国工业中的重要组成部分——数控机床市场的竞争也是愈演愈烈，而各家机床生产厂家为了在市场中占有一定的份额，以及不至于被市场所淘汰，必须进行改革创新，而其中作为数控机床核心结构部件的进给机构设计，就成为各个机床厂家纷纷关注的焦点。因此对数控机床进给机构进行智能设计优化系统研究，就是大势所趋、势在必行。本文通过对数控机床进给机构阐述作为论文的出發点，对数控机床进给机构智能设计优化系统的框架结构进行了必要的论述，并对其内部结构中重要的四个组成部分进行必要的详解，最后提出了几点进给机构智能设计的优化方式，希望可以通过本文对数控机床进给机构的优化工作，起到一定的帮助作用，同时也祝福我国的数控机床行业发展越来越好。

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