数控转台选型优化工具研究与应用*

陈 田，王 华，黄筱调

（南京工业大学机械与动力工程学院，南京 210009）

数控转台选型优化工具研究与应用*

陈 田，王 华，黄筱调

（南京工业大学机械与动力工程学院，南京 210009）

为了促进主机用户与数控转台厂商之间的技术对接，更好的指导主机用户选用国产数控转台这一功能部件，从而有效体现数控转台产品的性能，对数控转台自动选型软件系统的功能及实现方式进行了研究。依据数控机床重要特征指标总结建立数控转台选型的第一型谱参数，基于产品的典型工况与实际选型参数建立了数控转台参数化数据库，在此基础上，提出了基于数控转台安装方式的数字化描述方法，基于VB与Access 2003开发出数控转台选型系统，并根据实际需要对产品的某一技术参数进行校核。在初选的基础上，综合各选型参数，运用模糊综合评判法优选出最佳结果。最后通过设计选型实例验证了软件系统方案的可行性。

数控转台；自动选型；数字描述；优化分析；模糊综合评判

0 引言

数控机床生产制造企业与功能部件提供厂商之间应具有企业与用户之间的对接示范。在“共性技术→产品研发→产业化→用户应用示范”这一整条环节中，国内目前普遍缺少与用户对接的技术，缺少应用规范、自动选型策略等工具作为指导。这在一定程度上影响了主机用户对国产功能部件的选用。其中，大多数功能部件厂家针对自身产品的某些选型参数、性能分析未经试验或验证，没有充分的设计、调试以及验收规范以便有效证明产品的性能，影响了主机用户对国产功能部件的信任。

作为数控机床关键功能部件之一的数控转台，其发展水平可以说是整个数控机床工业技术水平的标志之一。然而，目前国内专业生产数控转台的厂家普遍在产品的材料、转速、载荷量、分度精度等技术参数和指标上落后于国外高档产品，对于普及型的数控转台产品，其可靠性、耐用性、精度保持性也不如欧美日的相应产品，高档产品主要依赖于进口［1］。这在一定程度上阻碍了与主机厂之间科学有效的对接。相比于国内，许多欧美大型公司都设有专门开发产品选型的部门，针对自身产品的特色开发了相应的选型系统，因而国外数控转台等功能部件的选型软件、规范早已标准化、系列化，在国内主机用户中有一定的影响力，而国内产品在这方面相对十分薄弱。

在科技不断发展、市场需求不断加大的今天，主机与功能部件厂家之间的合作日趋紧密，累积的技术资料增多［7］；随着新型多功能数控转台的不断出现，通过人为查阅相关资料的方式选择合适的产品已难以满足不断发展的技术要求。国内现有类似机械产品选型软件普遍存在缺少实际选型环节，用户工况描述简单，缺乏用户使用相关性能分析等不足之处，针对以上问题，本文意在总结大量数控转台型谱的基础上，克服数控转台结构的多样性及复杂性，建立基于产品实际工况及特征参数的数控转台设计选型系统，并运用模糊综合评判法对初选结果进行优化，以期获得满足实际工程需求的最佳结果。

1 系统结构及核心功能

系统主要由产品参数化数据库及相应的交互功能、选型设计软件以及基于工况的产品数学描述与分析等内容构成。图1显示了系统的组成及其相互之间的关系。

图1 软件系统的构成

1.1 产品参数化数据库

通过调研分析主机厂对数控转台工况的具体需求及特征参数，搜集数控转台型谱，优选关键参数，建立包含数控转台工况条件参数的用户选型数据库以及包含实际需求参数的产品型谱数据库。用户选型数据库中还包含数控转台的典型使用时间数据、结合面参数等信息；产品型谱数据库又可分为第一型谱参数（必要参数：形状、尺寸、选型计算需求参数）和第二型谱参数（非必要参数：刚性、振动、可靠性等优化分析需求参数）。

图2为某一采用重载、高精度落地式转台的数控高效铣齿机。数控转台通过伺服驱动、与其他进给轴联动的方式完成连续回转加工以及复杂曲面加工，扩大了实际加工范围。通过锁紧装置增加转台圆周方向的阻尼和刚性，可以抑制转台的径向和周向振动。

结合转台对于整机的重要性，依据数控机床的以下几方面特征指标来确定数控转台的第一型谱参数：①加工范围；②切削载荷的性质；③切削效率；④加工精度。兼顾工程实际需要，按数控转台工作方式的不同对需求参数总结如表1所示。

图2 数控铣齿机

表1 数控转台需求参数

1.2 数控转台安装条件的数字化描述

数控转台的结合特性差极易引起主机颤振，刀具加速磨损，可靠性和寿命降低。安装方式下的边界条件的准确数字化定义是关键问题。考虑到数控转台所包含的零部件繁多，结构复杂多样，设计内容广泛，借助于产品描述的数字化平台，通过计算机辅助设计的方式，针对数控转台安装方式与结合面这一重要选型因素，建立数控转台的数字化模型。

在数字描述模块中输入基于数控转台安装方式的工况条件参数，结合产品的各项需求参数和设计数值，确定符合要求的产品型号及推荐使用方式。通过该模型的表示方法从而在一定程度上提高软件系统的应用性，图3揭示了该模块与系统中其他模块的关系，模块的构成还可细分为以下三个方面：

（1）获取用户使用条件：交互界面及知识库界面；

（2）获取关联参数：从数据库获取工况条件参数；从数据库或交互界面获取典型使用时间数据；从数据库或交互界面获取结合面参数；

（3）进行使用条件的数字化描述：向选型模块提供选型边界条件；向优化分析模块提供边界条件。

图3 数控转台安装条件数字化描述模块

1.3 软件通用选型模块

在统一的交互界面下，基于数控转台参数化数据库与数字化描述模块，综合动态输入参数值或范围筛选满足条件的结果并编辑，其基本流程如图4所示。基于系统的可扩展性以及模块化的设计思想，系统中预留了对产品承载能力以及相应零部件的校核模块，针对某一类型的产品，通过设置相关参数，根据需要对初选型号进行校核。

其基本功能包括：按工作状态划分的数控转台类型选择、数控转台特征参数与需求参数的显示、特征参数与需求参数值或范围的输入、数控转台重要工况条件的描述、对所输入的参数进行整合，产品筛选并显示等。

图4 系统通用选型模块的详细流程

2 基于模糊综合评判的选型优化分析

根据结果的各项参数以及主机厂对数控转台典型工况的具体需求，同时兼顾产品的技术经济性，结合软件系统实际功能需求，建立对初选结果的优化分析，以期选择出最优结果。选型分析提供分析后的客户使用工况数字化描述结果以及使用条件下对主机设计有所帮助的参考资料。图5显示了优化分析模块与其他模块之间的关系。

图5 数控转台的选型优化分析

2.1 数控转台智能化选型策略

关于机械产品智能优化选型的研究，国外在这方面起步相对较早。在这方面主要的解决方案是构建一个专家系统；或是根据选型的综合评价体系和评价准则，选取一种选型的综合评价方法，对选型结果进行优化。后者为前者所搭建的整体系统的一部分，前者自成一个多功能的系统，而后者更加适用于针对特定选型需求、包含产品其他重要属性功能的软件系统中，也完全可以满足相应优化选型功能的需要。

数控转台选型涉及产品实际工况、使用条件和具体需求等多个因素的综合评价，各项参数的选取通常具有模糊性，可应用模糊数学理论对各因素进行定量化处理和综合评价，根据最大隶属度原则选出最优结果［10］。

2.2 模糊综合评判法及应用

设需选择某种卧式数控转台，对其基本参数有如下要求：由机床加工范围限定的工作台面直径范围为800～1200mm，最大载荷量不低于2500kg，工作台最高转速不高于10rad/min，分度精度不大于20"，重复精度不大于6"。初选出符合要求的数控转台信息如下表所示。

表2 数控转台型号及相关参数

把初选出的各数控转台型号组成一个集合作为备选，建立模糊综合评判的决策集：

式中，v1=TK12800A，v2=TK121000A…以此类推。

根据所需数控转台特征参数及典型工况（输入参数）动态确定评价指标，在这里即为表2中的五个参数，形成的综合评判因素集U为：

根据模糊评判因素集中各因素重要性的不同由专家经验或通过调研实际需求设置相应的权重。本软件系统对数控转台选型参数进行了系统的评级，每次可根据实际要求动态确定所需参数的权重，本例中得到权向量为：

运用隶属度函数评价式（2）中每一个因素与目标值的符合程度。针对不同影响因素，通过模糊统计法以及逻辑推理法来计算并确定。本例中

在此基础上，结合表2数据，建立单因素评价矩阵，确定式（1）中各元素对式（2）中各元素的隶属度，建立的模糊综合评判矩阵形式为：

由式（3），运用M（·，+）模型进行模糊综合评判，综合考虑各项因素的影响，得评判集为：

根据最大隶属度原则，可得第二种方案即型号为TK121000A的数控转台为最优结果。根据实际需求软件系统中还可加入实际使用工况及产品技术经济性方面的参数作为评判因素。

3 软件系统的设计路线与架构

3.1 系统需求分析

数控转台优化设计选型系统开发的主要目的是通过数控转台的计算机辅助选型设计，更好的指导主机用户选用国产数控转台这一功能部件，从而提高选型设计的效率，加快行业的发展。系统的需求主要有以下几点：①数控转台零部件及工况描述的多样化；②系统实现采用模块化的设计思想，易于升级，并具有产品校核等模块的可扩展性；③选型模块具有向导式界面，操作方式人性化；④针对不同类型的数控转台，在统一界面及模式下进行选型，系统具有通用性。

基于上述设计思想，结合软件系统设计要求，划分系统核心模块如图6所示。

图6 软件系统核心模块划分

3.2 系统的设计路线与流程

系统使用Access 2003作为数据库管理系统，基于Visual Basic 6.0数据库编程技术完成开发，采用ActiveX数据对象（ADO）进行数据访问，使用基于VB的SolidWorks二次开发技术生成模型或图纸，设计基于Excel与OLE技术的通用报表。其中，用户信息管理数据库用来存放登陆的用户信息。用户管理包括用户类型分类管理、所有用户信息显示、新用户信息的输入及添加、用户信息记录的删除、用户信息的修改、系统登录用户化管理等。图7显示了软件系统开发的数据流图。

图7 软件系统的数据流图

4 软件系统的实现与应用

软件中广泛搜集了国内数控转台型谱，按转台工作方式的不同分为卧式、立式、立/卧式和可倾式四个大类，以各数控转台型号为主键存于数据库中。

启动系统首先进入登录模块，通过输入的用户名及口令，系统判断用户类型，从而赋予用户相应操作系统功能的权力。进入系统选型的主界面后，首先选择所需数控转台的类型，根据数控转台实际需求参数输入相应值或范围，而后对产品的典型工况进行描述。设根据需要选择某一卧式数控转台，要求台面直径2000～3000mm，最大载荷量不小于10000kg，分度精度不大于25"，重复精度不大于6"，应用于某一数控镗床。在软件系统主界面输入上述信息，得出结果如图8所示。点击右下角的“结果优化”按钮可运用之前所述方法优选出最佳结果。界面左上方的菜单中包含了对数据库的操作及显示功能，通过向导式界面可添加、删除产品记录。双击某一产品型号可显示相应产品模型及其详细信息，如图9所示。限于篇幅，仅给出部分功能界面，按流程导航逐步完成设计选型后，生成相应选型结果的报表并可进行打印，如图10所示。报表内容可根据实际需要进行相应的增减。

5 总结

从数控转台设计原理、选型策略、关键选型参数出发，建立数控转台参数化数据库，通过了解主机厂对数控转台典型工况的具体要求，设计“根据用户输入参数优化选型”的方法，进行软件系统的开发。根据数控转台典型安装方法及结合面，优选关键参数，研究适合于数控转台的安装方式与结合面的数字化描述方法。设计的软件系统经调试和产品选型验证，运行良好，选型效率较高，具有较高的应用价值，对于有效体现数控转台产品性能、更好的指导主机用户选用国产数控转台这一功能部件，从而促进双方的相互沟通和发展具有深远意义。软件系统的成功开发将有利于加快国内高档数控机床的发展，统一数控功能部件发展市场，也集中体现了在04专项功能部件课题上的科研成果。

［1］阎晓彦.您看好国产数控转台行业的前景吗？［J］.机械工人：冷加工，2007（3）：12-17.

［2］崔旭芳，周英.数控回转工作台的原理和设计［J］.砖瓦，2008（6）：23-27.

［3］甄吉磊.数控机床进给系统数字化设计技术研究与系统开发［D］.南京：南京理工大学，2014.

［4］马北川.基于UG/ANSYS二次开发的静压转台设计与分析工具［D］.北京：北京工业大学，2013.

［5］任雷雷.管壳式换热器设计选型软件系统开发［D］.西安：西安理工大学，2006.

［6］李智娟，翟瑞虎，林颖，等.离心通风机选型软件系统［J］.风机技术，2009（4）：53-54.

［7］石铁铮，肖霞，郭宏杰，等.基于ACCESS的机床转台信息数据库的开发 ［J］.精密制造与自动化，2013（4）：32-35.

［8］R Mookherjee，B Bhattacharyya.Development of an expert system for turning and rotating tool selection in a dynamic environment［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，113（1-3）：306-311.

［9］S.Hamid L.Mirhosseyni，Phil Webb.A Hybrid Fuzzy Knowledge-Based Expert System and Genetic Algorithm for efficient selection and assignment of Material Handling E-quipment［J］.Expert Systems with Applications，2009，36（9）：11875-11887.

［10］米长富，田建平，杨海栗，等.基于模糊综合评判的机床设备选型研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2012（7）：109-112.

（编辑 李秀敏）

Study on Optimal Selection Tool for NC Rotary Table and Its App lication

CHEN Tian，WANG Hua，HUANG Xiao-diao
（School of Mechanical and Power Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China）

To improve the technique docking between domestic customers that produce main NC machines and themanufacturers that produce NC rotary table，allow ing customers to choose the domestic NC rotary table which meet their requirements better，thus show ing the performance effectively，this paper studied the function and implementation approach of automatic selection software system for NC rotary table.Parameters of the first kind on type spectrum of NC rotary tablewere summarized and established according tomain characteristic indexes of CNCmachine tools.Moreover，a novel parameterized production database based on product’s typical conditions and demanding parameters was set up.On this base，a method for digital description of NC rotary table’s installation conditions was proposed.Then，a selection system for NC rotary table based on VB and Access 2003 was developed before checking certain technical parameters of prelim inary results when needed.Synthesizing different selection parameters，FCE was used as an aid to select the optimal NC rotary table.At last，the feasibility of this projectwas tested and verified based on design and selection examples.

NC rotary table；auto-selection；digital description；optim ization analysis；FCE

TH164；TG659

A

1001-2265（2015）07-0041-05 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.07.012

2014-09-23；

2014-11-25

"高档数控机床与基础制造装备"国家科技重大专项（2014ZX04001-033）

陈田（1989-），男，南京人，南京工业大学大学硕士研究生，研究方向为数控技术，（E-mail）chent@njtech.edu.cn。