数控机床机械结构设计和制造技术优化

安红卫

摘要：只有有效地优化数控机床内部的机械结构才能够更好地提升设计机床的效率，实际也可以更好地改进机床自身的质量。通过在实践中有效地优化关键性结构才能够更好地改善设计的质量，最终才能够更好地提升机床本身的动态性能。本文重点分析数控机床机械结构设计和制造技术，以更好地达到理想的效果。

关键词：数控机床;机械结构;结构设计;制造技术

0  引言

广大设计师只有更好地通过创新思维来提升设计制造的技术才能够更好地优化数控机床内部的结构，为的是更好地增强数控机床的开发能力。因此，只有在实践中有效地掌握与数控机床设计有关的原则才能够更好地提升数控机床设计的效率。

1  数控机床机械结构概述

1.1 数控机床的概念

数控机床又被称为数字控制机床，是一种直接装有程序的自动化的机床。多数数控机械内部的机械可以在第一时间更为高效地处理相关编码合符号程序，并配合用代码来处理相关的数字，最终更需要借助信息载体来控制整个数控装置[1]。在经过计算之后，多数数控装置的内部可以发出不同类型的控制信号，并按照不同图形的形状和要求来直接加工零件。

多数数控机床不仅可以更好地解决包括较为复杂、批量较小和其他不同的问题，而且还属于一种柔性化技术，多数数控机床不仅代表着现代化机床的一种控制方向，更是一种典型的机电一体化产品。

1.2 数控机床机械结构的特点

1.2.1 具有较高的柔性

数控机床内部的加工零件实际和普通机床有着直接的不同，甚至不需要直接借助更多的程序就可以更好地调整整个机床。因此，更多的数控机床都可以被用来加工不同类型的零件，更可以被应用于开发产品的过程中，实践中不仅可以直接缩短生产的周期，更可以直接降低生产的成本。

1.2.2 加工精度较高

多数数控机床的实际精度可以达到0.05-0.1mm，实践中可以借助不同的數字信号形式来直接输出不同的脉冲信号。多数数控机床内部的数控装置都可以用来控制机床传动链的间隙和丝杆螺之间存在的平均误差，所以从实践看更多数控机床的实际加工精度显得较高。

1.2.3 实际质量较为稳定和可靠

如果可以运用合适的数控机床来直接加工零件，所涉及的工具、程序和工具的走向也是完全一样的，最终数控机床所生产出来的零件的质量显得较为稳定。

1.2.4 生产效率较高

通过使用数控机床可以更好地减少加工零件的时间，并让数控机床在最大范围内进行强力切削。目前已经进入了经济高速发展的时代，多数存在于数控机床内部的部件可以在较短的时间内更好地提升生产效率。如果能够让加工中心内部的刀具更好地相互配合，自然就可以实现在同一道工序中连续加工，并在减少产品周转时间的基础上更好地提升生产的效率。

1.2.5 充分借助现代化管理

在运用数控机床进行加工时，专业人员可以先有效地估计加工的时间，并在充分使用刀具和夹具的基础上更好地实现现代化管理。这种现代化管理的方式实际一直都在数控机床使用的过程中发挥重要角色。

1.3 数控机床主要机械构造

常规的数控机床构造重点是由如下几个部分组成的：

1.3.1 加工程序载体

多数数控机床不需要让工人直接参与在内就可以实现高效工作，实际更需要将不同类型的编程程序更好地融入数控机床加工的过程中。可以借助一定的格式和代码将不同的加工程序存储在同一程序载体内部[2]。包括穿孔纸带、软磁盘和其他不同的内容都可以借助数控机床来更好地发挥实际作用。

1.3.2 数控装置

所有数控装置都是机床内部的核心内容，现代的数控机床主要可以配合CNC来更好地发挥实际作用。这种常见的CNC装置往往可以在将多个微型处理器集中在一起的基础上，再通过运用程序化的软件来更好地控制功能，所以这一类装置又被称为软件数控。多数数控机床内部的装置主要是由输入设备、处理设备和输出设备组成，这些不同的部分都会让整个系统更好地发挥实际作用。

1.3.3 伺服与测量反馈系统

伺服系统实际也是数控机床中非常重要的组成部分，重点是用来实现数控机床的控制过程。更多伺服系统本质的作用就是将来自不同装置中的指令信息在较短的时间内放大，并在借助整形处理之后来直接转换机床执行的部件。伺服和测量反馈系统可以在比较实际不同指令的基础上来让伺服系统内部的设定值达到所需的位移量。

1.3.4 数控机床辅助装置

数控机床内部的辅助装置是为了发挥机床功能的必要装置。数控机床内部常用的辅助装置主要是由液压装置、冷却装置、润滑装置和其他不同类型的装置构成。

数控机床是一种内部装有程序的自动化机床，更多的人可以在分析已经编好的程序的基础上让机床高效地加工零件。多数存在于数控机床中的零件主要是由接近开关、温度传感器、电流传感器、压力传感器和其他不同类型的传感器组成的，实践中主要是用来检测不同的直线位移、角度位移、压力和速度等不同的内容。

2  数控机床机械结构设计和制造技术优化的措施

2.1 设计较为轻型化的结构

在优化数控机床设计的过程中注意让整个机床能够更好地达到动态和静态的性能指标，使得机床内部的部件尽可能朝着轻型的方向发展。传统数控机床设计的观念下，机床的刚度越大越能够发挥较大的作用，但是这样一种观念早就落伍了。如果能够让数控机床内部构造的刚度朝着更轻的方向发展，一方面可以减少驱动的功率，更可以有效地减少材料的使用量。

传统背景下，多数制造商会选择不断地加大数控机床内部材料的厚度，而数控机床结构的壁厚和质量呈现出一种立方关系，但是壁厚和刚度却呈现出一种线性关系，而内部存在的刚度质量比实际也会发挥重要的作用。但是随着数控机床内部的壁厚不断地增加，其机床内部结构的刚度其实也会不断地降低。

因此，专业人员在设计数控机床时一定要准确合理地设计整个数控机床的主要形状，并让其朝着轻型化的方向发展。图1显示了常规数控机床的主要结构，多数数控机床都是一种较为扁平的结构，在布置筋板的过程中需要重点考虑其整体结构是否会产生变形的情况，并通过多选择米字型的筋板来更好地预防产生变形的现象。

多数与数控机床有关的固有频率计算公式为w=k/m，其中m表示数控机床本身的质量，k则表示的是数控机床自身的刚度。从这样一个式子中可以明显看出如果数控机床的零件和结构能够相互匹配，其固有的频率将会随着质量的变大而不断地减少，必要时可以采用一字筋板来代替可以承受数控机床部位的材料。

2.2 对关键结构的截面进行优化

多数截面优化的方法已经在数控机床結构设计中存在了很长一段时间，该方法实际已经显得非常成熟，但是这种传统的方法是建立在拓扑结构和几何布局的基础上的。先选择结构件内部的截面面积和截面厚度作为优化设计的变量，为的是更好地提升结构的刚度，最终再选择最合适的参数来作为优化设计时的重要目标。

在实际优化结构内部截面的过程中，需要采用专业的方式来直接计算约束梯度。但是在实践中只要能够适当地改变内部的变量就能够更好地提升优化的效率。在截面的优化过程中多数是以特定的拓扑结构为基础的，其优化的结果势必会受到二者的限制，其主要结构如图2所示。

从图2（a）中可以看出，实践中需要结合机床的实际情况来计算出合适的结果，其中静态和动态的性能约束已经达到了临界值，但是模型内部的尺寸中有大部分的下限还存在明显的距离，这直接反映出多数优化截面的方法实际更具有着一定的缺陷，只有有效地优化整个结构才能够更好地解决实际存在的缺陷。从图2（b）中的内容来看，只有将合适的节点坐标来看作几何设计中的变量才能够提升优化设计的效率[3]。实际在进行优化设计之后，内部尺寸的内容会在较短的时间内减少，其重量更会不断地减轻。

2.3 对机床结构进行建模和仿真优化设计

在实际设计机床时，专业的人员需要在较短的时间内先考虑存在于机床内部产品的性能，并在设计的过程中寻找设计产品的思路。例如，在进行实体建模时可以先分析整个床内部的不同要求再直接建立对应的模型。更可以通过次要改静力学分析、动态设计和其他分析方法来设计不同类型的机床结构和性能参数，最终才能够使得整个机床的结构变得更加合理。

例如，如果数控机床内部的刚度没有发生变化，如果体积变得更小，则可以在一定程度上更好地减轻整个机床的质量。如果数控机床自身的体积没有直接发生变化，却让其刚度达到最大化，则会在最短的时间内防止机床出现变形的现象。而如果直接保持数控机床的体积不变，再直接提高其内部的固有频率，自然就可以直接提升整体的动态性能。因此，实践中需要通过不断地优化不同的设计过程才能够保证数控机床的整体性能。

2.4 以模块化思想为基础来实现结构的创新

模块化建设实际是实现机床大规模设计的重要方式。所谓的模块化就是指的先通过将不同的机床分解成不同的模块，之后再结合实际的产品需求来重新组合。从机床布局来看，专业人员可以在具体分析产品需求的基础上来实现高效组合。但是常规机床的模块主要是由不同的硬件和软件组成的，不同的模块更有着统一的标准化界面对其进行支撑。因此，在实际设计机床时需要先分析不同的产品需求，再根据实际情况来改变机床的功能。

高模块化的结构不仅使得产品具有更高的柔性，更能够在较短的时间内缩短产品更新换代的时间，最终不仅可以更好地满足产品加工的需求，更可以将机床内部的功能更好地结合在一起，最终让大规模的生产发挥更好的作用。另外，内部模块化的结构可以在第一时间引进各类模块的新技术，包括直线机电技术和滚动导轨技术都可以很好地提升模块自身的性能，实际也可以更好地在简化机床结构的基础上实现模块的重组。

3  结束语

综上所述，当前我国的高端机床和国外先进厂家之间确实存在着不小的差距。因此需要在实践中通过采用各类研究方法来开展基础性研究的工作，并在创新机床设计结构理念的基础上更好地通过运用先进的数控机床技术来为客户提供更加高效的服务，最终自然可以保证数控机床具有较高的性能。

参考文献：

[1]杨姝.复杂机械结构拓扑优化若干问题研究[D].大连：大连理工大学，2018（5）：49-53.

[2]谭力，葛巧琴，等.机床结构件优化设计的初步研究.中国机械工程学会第三届机床设计与研究会议论文集

[3]颜华生，候亮，饶柳生.基于BP-GA机床大件关键尺寸复合优化研究[J].中国机械工程，2017（5）：49-53.