数控机床设计数字化体系的研究与应用

李玲玲

摘 要：本文结合企业现状，以及国际先进制造技术的发展趋势，对数字化机床设计体系结构、原理、问题等进行了简要探究。

关键词：数控机床设计；数字化；应用

重型数控机床主要应用于国防领域、航空领域、能源领域、交通领域、工程领域等工业支柱型领域。目前，我国自主研发的重型机床和超重型机床基本满足了现实发展的要求，国际化水准也日益提高。比如，我国我国成功研发的能够加工直径长达25m的超重型数控立式铣车床，加工宽度高达10m的数控龙门镗铣床，回转直径在5m以上的数控重型卧式车床等拥有自主知识产权，完全可媲美国际先进重型机床。为了进一步刺激内需，确保经济稳定发展，国家不断加强对企业自主研发的政策扶持，可以说，加快产品研发速度已经成为企业发展的重要战略方针。

1 数控机床的组成及工作原理

数控机床，顾名思义，就是利用了数字技术的机床，就是利用数字技术控制机床运行的过程。具体来讲，就是将具体加工信息和运行参数转化为数字信息，并记录在程序介质上，然后将其纳入数控系统，最后经过一系列的计算机语言转换，实现对机床加工的自动控制，从而加工出规格尺寸都达标的零件，这就是我们通常所讲的数控机床。目前，数控机床运动轨迹主要分为点位控制运动、连续控制运动和直线控制运动三种形式。

1.1 根据伺服系统进行的分类

由数控装置发出数字信号，然后通过伺服系统对机床进行自动化控制。根据伺服系统的不同类型可将数控方式分为三种，主要包括开环、闭环、半闭环控制系统。

1.2 数控机床的硬件系统

通常来讲，数控机床的硬件系统主要由输入设备、输出设备、伺服單元、执行机构、PLC、辅助装置、机床床体、电气控制装置及测量装置构成。

2 数字化机床设计体系结构

加快新产品的研发设计，尽量满足各种加工的新需求，是机床企业的主要工作内容，因此机床企业要加强创新设计，不断完善数字化机床设计体系。目前新产品研发主要分为三类：

（1）拓展规格尺寸等表层化设计，丰富机床加工功能，扩大机床加工范围；

（2）新功能的拓展设计，比如复合机床、反结构机床设计等；

（3）全新规格、全新功能和全新机构的机床研发，比如虚拟轴机床、机器人机床等；

在上述三种类型新产品研发方式中，前两种是最为常见的。在数字化机床设计体系结构的创新过程中，一定要注重用户导向功能的分析与选择，在充分掌握功能系统运行规律的基础上，灵活构建系统应用平台。在满足用户要求和性能要求的前提下实现体系结构的创新。若是结构求解存在多解，那么就采用多变量模糊隶属度函数进行加权判别，最后选择符合度最高的机构。

以复合变异结构为基础进行创新设计，以形成全新的设计体系结构。该思路就是将无参照新产品研发纳入计算分析开发模式，然后制定出一个方向明确的研发方案，并搭建完善的研发平台。

3 现代数控机床设计特点和问题

3.1 现代数控机床的特点

目前，随着数字化信息技术的日益成熟，数控机床的现代化水平越来越高，现代化特征也日益明显。随着现代科学技术日新月异的发展，数控机床设计也呈现了许多新变化、新特征：

（1）高指标。数控机床作为现代化高端产品，性能要求日益提高。效率、速度、精度、安全性已经成为衡量产品竞争力的核心指标。

（2）功能部件技术。随着功能部件生产的专业化、精准化水平日益提高，进一步推动了数控机床质量的提高，也充分体现了数控机床产品的设计特征。目前，在我国自主研发的机床中，外购功能部件是非常普遍的现象，并成为了我国数控机床生产的一大特征。据不完全统计，一台数控机床的成本构成中，电主轴、数控系统和其他辅助元件分别占33、25%和30%。

3.2 数控机床设计制造中存在的问题

就现状来讲，虽然我国数控机床设计制造已经取得了显著成绩，但客观来讲，相比于西方发达国家，我国在高端数控机床设计制造领域还存在较大差距，并存在以下几点问题：

（1）新产品研发水平不高，设计领域和工艺领域的仿造现象还很普遍；

（2）以外购功能部件组装机床已经成为主流，企业无法形成品牌核心竞争力，因此阻碍了机床制造企业的市场拓展；

（3）机床设计完全从用户需求出发，根本没有考虑指标性能方面的设计需要。

3.3 现代数控产品设计特征

（1）创新性强。采用新理念、新方法研发出符合市场需求、核心竞争力强的数控技术和数控产品。比如机器人机床、虚拟轴和反结构，运动驱动等现代化理念的广泛普及，有效促进了数控机床技术的创新发展。

（2）计算设计技术的成熟。在数字化设计领域，计算设计已经成为最显著的优势，对提高数字化设计水平具有关键意义。该技术彻底颠覆了传统的设计体系，在理念与方法等方面带来了一场深刻的变革。计算设计理念充分体现在数控设计制造的各个环节，结合计算仿真分析的应用，已经成为提高机床产品精准性、可靠性的关键。

（3）仿真考察设计的应用。信息化技术在数控机床设计制造领域的广泛应用，全面缩短了新产品的研发周期，有效提高了产品质量。合理利用仿真软件和技术，能够及时修改、优化设计指标，及时消除错误，降低设计成本和缩减研发周期。仿真能够应用在装配、加工、性能测试等多个缓解，在很大程度上降低了设计误差的产生，改正设计考察阶段出现的错误，极大地提高了设计质量和设计效率。

4 结语

目前，我国已经成为全球最大的数控机床消费市场，但是高端数控机床的设计制造还无法与国际先进国家相比，在产品研发和技术创新方面尚有很大差距。数字化设计系统的建设和发展对提高我国数控机床的设计水平和制造能力具有非常重要的推动作用。因此，加强对数控机床设计数字化体系的研究，不仅具有非常重要的理论价值，而且具有非常重要的现实意义。

参考文献 ：

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[2]刘英.面向机床产品协同数字化设计关键技术的研究[D].2006.

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