数控机床机械结构设计和制造技术优化

曹劲草

摘要：近年我国工业技术水平已经取得了良好发展和具体完善，而且在当前社会相关的领域和一些机械制造业中也相对获得了更加有效的提升。为了能够促进社会市场经济和相关领域的稳定性和基础建设能力，在社会发展的过程中，需要不断完善和提升自身数控机床的具体应用能力。本文探究数控机床机械结构设计及制造技术优化，先讨论主轴结构设计，然后讨论关键结构设计，通过具体案例设计的方式，呈现出数控机床机械结果设计效果，并给出具体的技术优化策略，期望能够改善现有的数控机床机械结构设计状态，推动数控机床机械制造技术发展。

关键词：数控机床;机械结构;制造技术

0  引言

当前状态下数控机床技术属于新时期所衍生出的具备自动化特点的技术，其呈现出机电一体化的特点。在科学技术水平不断提升的情况下，机械设备自身的结构设备开始受到关注，而设备结构的合理性关系到其性能的呈现，也关系到其在实际工作应用阶段所展现出的功能效果。为此，机械设备的设计环节需要重点关注结构射界。本文针对数控机床设备的结构设计展开研究，在明确主轴结构和关键结构的设计要点情况下，期望能够提升数控机床的结构性能，并且迎合设备自动化的发展需求。

1  數控机床主轴结构设计

在数控机床设备中，主轴是其技术核心环节，其工作效能和质量将直接决定设备的运行状态和发展情况，所以，设计好主轴异常关键，主轴的设计必须要根据不同型号的数控机床制定科学的方案，并制定切实可行的维修方案。数控机床在运作过程中呈现出了高效率和高质量的特点，而为了稳定数控机床的特质，需要在机床设计阶段就做好结构的精准度设计，尤其是主轴结构的精准度设计。据悉，主轴结构的传动装置精确度将会对主轴内部的各个组件运转情况产生影响，因为在主轴结构中包含不同类型的齿轮和零部件，这些部件相互连接才能够起到传动效果。而如果零部件之间的连接状态不理想，那么传动精确度也会受到影响，误差增大情况下，主轴结构中的零件可能会因此变形[1]。零部件在和主轴接触的时候整体形状的变化和机床表面的粗糙程度有直接关系，如果零部件在和主轴表面进行接触的时候，其整体形状呈现出变形较小的情况，那么在受到机床主轴的压力以后，零部件的整体变形幅度也会比较小。对于数控机床来讲，主轴当中的传动装置是整个机床自动化系统当中最为重要的传动部件，其传动的精确度和强度都直接影响机床的切削速度或者是切削质量[2]。为此，需要在设计主轴结构期间，规范主轴的径向力以及刚度状态，并且依据数控机床的实际运作情况来采取对应的参数调整设计。如此，数控机床的主轴结构能够得以优化，其刚性校对环节所得出的校对结果也更加理想，只有这样才能够保证主轴在不受到磨损的情况下可以正常运行，提升设备运行效率，满足更多的工作发展需要。

在主轴结构当中所包含的传动组建分别有传动部件、主轴部件、主轴承部件以及密封部件。而部件之间的稳定性关系则和机床是否能够处于正常运作状态有着直接关系，主轴部件的稳定性直接关系到各个部件是否能够在主轴结构中开展特定的运动，是否能够完成传动工作[3]。以主轴承为例，其所具备的切削力情况需要受到各个组件的配合，并且将这种切削力传动到主轴承当中，因为零部件对主轴承所施加的范围以及速度都比较大，因此，要求主轴承中的组件之间具备较高的配合度，只有彼此之间实现了密切的配合，才能兼顾运行中的一些不良动态，及时发现问题，通过一方进行呈现，进而为设备的科学、稳定运行奠定基础，提供保障。

在主轴的前端结构设计期间，需要确保刀具、夹具等设备都能够安装无误，并且保持各类器具拆卸方便。此时可以将在主轴前端的悬臂设计成为较短的尺寸，并且确保其单元结构和轴承接触，并且通过扩展曾在点的方式来加强对主轴前端控制，避免其出现变形的故障[4]。

2  数控机床关键结构设计

本次针对界面结构进行优化设计过程中，主要是对关键部分的构件进行设计，该部分的设计理念已经在我国数控机床设计领域受到关注，很多学者开始研究该理念。此时，设计数控机床关键结构的方法已经逐渐成熟，因此，设计人员将会先把数控机床的初步结构以及几何模型设计出来，然后再开展关键结构设计。针对特定构件的截面厚度进行设计时，可以考虑到将数控机床的整体结构设计作为主要的参数变量设计依据，从中抽取重量最轻的构件，了解其结构重量及刚度情况，并且计算出不同截面构件的函数情况，确保构件的性能得以优化。在设计截面构件结构期间，先确定好构件本身的质量以及刚度，选择合适的制造材料，并且利用变量来替代构件设计模型中函数的常数，从而简化设计计算流程[5]。此次设计数控机床的关键结构，主要以设计截面结构为主，要想做到对截面结构的优化，自然需要将截面结构的各个变量模拟出来，并且保障截面设计优化方法能够直接作用于设计本身。总体来说，截面结构的优化设计需要先完成数控机床的整体结构设计，然后进行结构拓补并建立对应的几何布局，其数控机床优化结构件设计的重要性和效果必然会直接受到此二者的影响和限制。如图1所示。

如图1所示为机床截面结构件优化的模型设计图，机床的床身结构件优化模型图在进行了截面结构件优化的模型设计和计算后，其床身静态性能的约束和机床的动态性能约束均己经达到了限制边界，但是模型的上限和截面结构件尺寸中仍然有大部分与机床的下限还明显地存在着一定的距离，直接地反映出了截面优化的设计方法所可能具有的种种局限性和缺陷。几何优化的目的就是解决机床中的设计缺陷，如图1中所示，将机床有限元变量模型的每个节点非线性坐标分量函数当做是机床进行几何优化模型设计的方法变量中的有限元变量，以此为基础条件对机床进行了优化模型设计。经过几何优化设计后的模型结构，界面尺寸明显减少，重量也有了大幅度的减轻。机床几何优化设计中的有限元变量函数之间连接的不仅仅是线性的关系，因为几何优化可能需要设计其它的几何优化设计方法变量，因此也要考虑可能使用的是关于其它设计变量的非线性关系分量函数，在进行梯度计算时要充分考虑其它坐标分量函数及其线性关系分量优化函数的非线性关系。另外，还要充分考虑到几何优化设计算法中机床荷载的位移约束方向可能会因为其形状的变化而发生的改变。

3  数控机床制造技术优化策略

新的时代背景下赋予了数控机床制造技术新的内容和应用前景，可以说，新技术的注入为数控机床制造技术的发展注入了新的血液，很多之前难以攻克的加工难题都迎刃而解。具体的优化策略表现在以下几个方面：

3.1 注重稳定性提升

从目前我国数控机床的实际工作状态以及工作效率来看，其内部结构的整体设计还处于优化和升级阶段，优化的主要方向则是需要保障机床运行的稳定性和可持续性。因为目前数控机床本身的机械构件还不够完善，其可能会在运行过程中出现过度磨损或者是大量损耗的情况，且因为机床的长期运行，很有可能会遭遇更多不确定因素，这些因素会促使数控机床的内部构件性能和质量都受到不同程度的损害。因此，要全面加强对我国数控机床的内部结构整体性设计的研究和优化，并且在此基础上通过采用各种科学合理的内部结构设计来达到减少我国数控机床在实际工作和运行的过程中所可能产生的一些不必要的产品价格波动问题，可以通过采取各种新型材料和技术来对其内部进行全面的结构设计优化和改造升级，以此为基础来逐渐完善和提升我国数控机床在实际的工作过程中的稳定性。让数控机床在具体的工作中其性能和价值可以得到进一步的彰显和体现，让很多零件加工程序变得更加简单化，遇到很多难以解决的问题，也可以迎刃而解。

3.2 注重精確性提升

如今我国多数的工业企业在实际生产相关机械产品的过程中，经常会出现无法完成合格的生产标砖，而且产生此类问题的主要原因就是数控机床内部结构当中的零部件存在老化的现象，且其容易受到外界环境干扰，在外力影响下，数控机床的关键结构可能会出现变形，因此为了能够全面对此类问题进行充分有效的解决，需要在一定程度上优化有关技术人员的技术能力，并且对数控机床进行定期的检查与维修、维护，及时发现机床中所隐藏和潜在的问题，不要让问题进一步的扩大化，做到防患于未然，进而有效提升数控机床自身的精确性。在培养数控机床零部件设计与制造人员的情况下，零部件的材质得以改良，设计结构更加具备稳定性，不会轻易出现变形情况，最终促使数控机床在实际生产机械产品过程中，保障相关产品的合格性和标准性，同时有效的提升了数控机床在实际工作中的效率和质量。

4  结束语

综合上述研究，数控机床技术是我国工业技术当中最为关键的技术组成部分，需要不断引进大量创新技术及人才来对数控机床技术及结构进行优化，从而实现我国工业行业经济效益最大化，确保数控机床行业可以具备可持续发展潜力，能够为我国工业技术水平提升打下坚实技术基础。本文对数控机床结构的设计优化能够证明，主轴结构和关键结构的设计都需要创新设计理念，且遵从新技术需求。可见，我国在对数控机床技术进行优化过程中，需要注重对其机械结构优化，并且引入新的技术内容，从而为未来数控机床技术发展提供数据依据。

参考文献：

[1]安汝伟，王廷猛，张太勇，等.数控机床机械结构设计和制造技术新动态的探讨[J].内燃机与配件，2019，279（03）：83-84.

[2]马佳.数控机床机械结构设计和制造技术的研究[J].区域治理，2018（025）：190.

[3]许恒伟.数控机床机械手机械结构设计[J].南方农机，2019，050（003）：29.

[4]曹川川，郭鹏远，杨大奎.基于UG的教学型五轴联动数控铣床的机械结构设计[J].农机使用与维修，2019.

[5]刘碧云.数控机床机械结构设计和制造技术新动态的研究[J].南方农机，2019（23）.