谈基于现代工业设计理念的机床设计

王金源

摘要：随着世界科技的发展和进步，我国的工业也得到很大的进步，其中机床应用在工业中越来越多，现在我国工业所用机床大多为数控机床，下面文章就对我国现代化机床设计进行讨论，并就先进的机器人控制机床进行重点阐述。

关键词：现代工业；机床设计；

中图分类号：TG502文献标识码： A

1.数控系统发展状况

将计算机技术和普通机床加工设备融合在一起，具有高精度加工能力的机床即为数控机床。数控机床的发展是随着计算机控制技术的不断提高而进步的。目前，按照自动控制系统划分数控机床的类别，市场上主要有四大类数控机床产品。第一类集成控制系统。这类控制系统都是集成的、封闭体系结构，主要包括数控装置 CNC、交直流驱动系统、可编程控制器、位置控制系统、通信系统以及辅助控制系统等。由于该类数控系统功能齐全、种类繁多、适用性较强以及信价比高，因而很多机床设计、制造时首选这类控制装置，我国就有很多这类产品的用户；第二类是 CNC+PC机的开放式数控系统。该种产品提高了开放程度，CNC作为机床的直接控制装置，PC 机将各种命令、数据进行传输；第三类 PC+运动卡式的开放式数控系统。这类产品完全采用PC机作为真正的控制核心，用户可以根据需要进行硬件结构设计并利用windows操作系统和高级编程软件进行开发。系统除了PC机外，比较重要的硬件是运动卡，它是对外控制伺服系统的控制接口；第四类全软件型开放式数控系统。这种系统Pfl，PC机为控制核心，主要采用软件形式实现运动系统控制，是目前最新的机床数控系统。

2. 数控机床自动化设计

数控自动化机床的设计主要包括硬件系统和系统软件。下面主要在这两个方面分析数控机床自动化设计的特点。

2.1硬件系统。数控机床和普通机床在这方面区别不大，但是在刀具转换装置、 传感器系统、 主轴及坐标轴伺服系统等硬件系统方面还是具有显著不同。数控机床的硬件装置更适用于自动化、智能的加工过程。首先，数控机床的刀具转换装置必须满足自动化控制的要求。普通机床一般为手动转位刀架，在加工过程中手动完成刀具的更换。数控机床一般选择自动转位刀架。刀架由数控系统直接控制，实现刀架自动回转，加工时用程序自动选用不同刀具。该种刀架体积小，重复定位精度高，工艺性能可靠。其次，传感器系统是机床PLC 主轴控制程序床实现自动控制的主要信息采集部件。传感器系统包括位置、 位移、温度、速度、电流、电压等等多种传感器。这些传感器检测到的信息传送到数控机床的CNC和PLC内，再由CNC和PLC进行决策，输出控制信号，控制负载改变机床运行状态。由于数控机床具有众多的传感器元件，因此，相比普通机床主要靠人工检测、采集信息而言，自动化程度空前提高。很多操作由机床控制系统自动控制完成，无需人工参与，提高了自动化程度。最后，主轴及坐标轴伺服系统。一般由CNC 分配控制通道给 PLC，再由PLC输出控制信号到变频器或电机驱动模块。例如工作台的X、Y轴，利用光栅尺实现全闭环控制，对工作台进行精确定位。通过外扩模拟量 IO 点对高速变频器进行控制，实现四个主轴电机可以进行启停分开控制，转速同步控制。还包括X、Y轴进行两侧硬限位和软限位放的双重保护。这些控制自动实现，不要手工操作，因而大幅度提高加工的效率。

2.2 软件编程。集成控制系统类的数控机床程序设计包括CNC程序和 PLC程序。CNC主要完成数据分析以及计算、系统流程控制等工作； PLC程序实现机床主轴停止、转向和进给运动的启动和停止、刀库及换刀机械手控制、切削液开关、夹具定位等动作，进行特性次序控制等逻辑性控制。因此，机床自动化控制过程需要功能强大的软件支撑，下面以数控冲床为例的介绍CNC和PLC程序的编写。数控冲床主要用于加工槽孔类工件，由于加工对象有很多形状、尺寸相同的孔槽，所以为提高加工效率，经常使用M98类指令，调用编写好的具体冲孔或槽的子程序。CNC 指令如下：主程序O2346 M3$2000 Tl01 GO X21 ； Z一20：M98 P1000；第一次进入子程序Z-30；M98 P1000；第二次进入子程序GO Z100； M30；结束程序回到程序开头切槽子程序O1000 GO X21；G1 X16 F0 05；X21 F 5：M99；回到主程序PLC程序一般采用梯形图编写。

3.现代工业设计理念的引入和运用

3.1 环保化方面的设计

就工业设计而言 ，绿色设计的关键就是3R原则。在绿色设计过程中 ，应对产品在寿命时限内的各个环节进行充分的考虑。就数控机床产品而言，绿色设计最核心、最常见的表现为可拆卸性设计以及可回收性设计。

3.2 人性化方面的设计

所谓人性化设计，即为以人为根本进行相关性的设计。基于人对产品的使用，确保机器可很好的为人进行服务。伴着科学技术的不断发展，人们在产品的人性化设计方面提出了更高的要求，特别体现于和人们运用安全相关的一些设计，所以，数控机床产品上的一些设计在该方面的要求将会表现的更高。以人为根本，在注重人性化方面应有以下两个概念：其一，满足人的尺度；其二，应有较好的人体操作界面。

3.3 文化特色方面的设计

我们从产品语意学中可以得知，产品一方面具有其本身的一些物质功能，另一方面也表现了一定的文化特征。数控机床的造型设计除了给人有一种优越的感知外，同时在很大程度上也对名族特征以及深厚的名族文化内涵进行了体现，在不断追求数控机床的科学价值的过程中，应重视文化价值和艺术方面的一些追求，甚至还要把整个名族的个性特征适当的在其中体现出来，所以，数控机床造型是完全能表现一个行业，甚至一个国家的形象与设计能力的。与此同时，数控机床在其造型风格的形成上受到以下两个因素的影响：其一，当时的整个科学发展水平；其二，当时的整个时尚风格。科学的对文化元素进行运用，能最大限度的促进科学文化价值和艺术文化价值间的融合。

4.基于工业理念的机床外观设计

4.1人体与机床造型之间的和谐化

人在操作或维修机床时，身体与机床进行交互构成联系，因此人体与机床造型和谐关系的设计是机床外观美学设计的一个方面。对于人来说，顺其自然的操作方式是最美的。机床作为一种工具，是人的各种器官的延伸，当人机的关系融洽完美时，这种延伸就会非常自然，机床如同人体的一部分，人可以顺其自然地操作它，在舒适中达到预期目的。相反，操作中人若感到身体不适，或是由于操作中缺乏安全感而感到心理压力，这种延伸都是不自然的、生硬的，这种人机关系便不和谐。因此，在对机床造型时，围绕人体尺度展开机床设计是建立和谐人机关系的一个重要途径。尽量避免或减少对人的行为迸行苛刻的规定，使人保持自然状态，建立以人机界面设计为主导而非以机械结构设计为主导的设计思想，以人机界面的优化为核心内容展开机床造型。

4.2人的视觉思维与机床外观之间的和谐化

机床外观与视觉思维关系的和谐化是其外观美学设计的一个重要方面。这种和谐的关系表现为，其形式、色彩和细节是否能够体现出美观性以引起视觉的愉悦，同时这些因素是否是健康性的，在带来视觉愉悦的同时保护着视觉和心理的健康。

4.3人的心理认知系统与机床外观之间的和谐化

日用品设计中，产品语意学的运用使它们的操作方式能够很快的被人所理解。而机床类产业用品中，产品语意学的优势却没有很好地得到发挥。大部分机床都需要使用者经过长时间的学习培训才可以了解其各部件用途，掌握其操作方式。这便是人的心理认知系统与机床外观和谐化程度不高的一个体现，使机床利用自身的造型自语，合理运用产品语意学知识，实现人与机床的良好沟通，使机床的操作方式更加易于操作人员理解，使其操作系统和显示系统利用人性化的面板设计自身诠释其功能，是达到人的心理认知系统与机床外观和谐的重要手段。

5.机床的防护

机床防护是重要的一个方面，大多机床会采用安装防护罩的方式进行机床防护。机床防护罩除了保护机床及其导轨和零部件外，还应该起到提升机床美观效果的作用。它能够保护机床操作人员的安全，使机床的表面和导轨不受外界铁屑、杂物和化学品的破坏和侵蚀，从而延长机床尤其是精密数控机床的使用寿命。下面文章选择两种常见的防护罩作用进行阐述。

5.1盔甲防护罩

盔甲式防护罩的设计使其能经受撞击和炽热碎片引起的+900℃高温。装配在每个折面上的不锈钢盔甲就具有这种功能。它们可以摆动也可以被固定。摆动的盔甲适用的防护罩为：当防护罩处于压缩状态时，迫使盔甲向外转动90°。固定的盔甲可以应用的防护罩为：当防护罩处于压缩状态时，没有任何障碍从而使得这些盔甲可以保持其原有的状态。由于预置的盔甲之间有良好的粘附力，该护罩可靠的保护层抵御大量的灰尘，砂末，铁屑等。

5.2圆形丝杠防护罩特点

完全防漏可任意弯曲伸缩管的直径和长度不受限制均可按客户要求制作连接方式；两端颈口卡箍连接；两端法兰用螺丝连接；一端颈口卡箍连接一端法兰螺丝连接。

结束语：从一般意义上来讲，设计就是一种从人的内心深处挖掘、

构思，同时体现于形式的过程。设计的中心思想始终不变，在设计过程中蕴含了设计诸多方面的一些情感诉求，但其所表达的形式始终不变。在设计过程中，我们可从多方面着手，综合考虑进行设计。文章对我国机床设计的现状以及机先进的机器人数控机床特点进行了分析。

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