数控机床机械结构设计与制造技术的研究探讨

（深圳市强华科技发展有限公司，广东 深圳 518126）

数控机床机械结构设计与制造技术的研究探讨

姚杰

（深圳市强华科技发展有限公司，广东 深圳 518126）

随着工业化以及科技信息的不断发展，制造也得到了飞速的发展。本文以PCB数控钻孔为例，对数控机床机械结构设计以及机床以及PCB数控钻孔做了简单的介绍，总结了这一领域的发展状况，并对PCB数控钻孔机床的机械结构设计与制造技术的优化提出了相关的优化策略。

数控机床；机械结构设计

1 数控机床简介

数控机床是基于现在科学技术的基础上的一种产品，其可以将科学技术融入生产中，并与系统的操作指令相结合，从而能够实现信息化的产品生产。在实际运行数控机床的操作中，信息以及数据是其中最基础的部分，要一切以产品的需求为目标，将产品信息正确无差错录入进系统，保证最终产品生产的准确性。此外，在操作的过程中，要加强对数控机床的监控，尤其是生产效率以及质量；除了加强监控，还要注重数控机床的转型升级，并定期对设备进行检修。

PCB数控机械钻孔是数控机床的一种具体表现。PCB，即印刷线路板，一般指在绝缘材料上，按照一定的方案设计，将印刷线路以及印刷元件组合形成印刷电路板。在线路板上钻孔的方法一般有两种，即激光钻孔和数控机械钻孔。与激光钻孔相比，数控机械钻孔一般对加工材料的适应性较强，成本较低等明显优势，因此，被广泛使用。

2 数控机床机械结构设计与制造技术的发展动态

全球经济以及工业化的不断发展，促使了科技的不断创新和进步。在这一大的时代背景下，数控机床机械结构设计以及制造技术也在不断的完善与发展。就现阶段而言，数控技术正朝着智能化、高精度的方向迈进。在实际的工业生产中，数控机床是非常重要的一个环节，更多的是应用与机械生产中，这就对机床的稳定性以及完整性提出了很高的要求。数控机床的广泛使用能够有效的提高产品的质量以及生产效率，对保证产品的性能也有一定的促进作用。主轴的带动是数控机床的主要部分，其原理是利用设备的机械传动从而实现对其余部分的辅助支撑，从而进一步达到整体控制数控机床的目的。科学的数控机床的机械结构设计对提高其工作效率起到了至关重要的作用，尤其是主轴的部分，因此，这就需要我们利用现代科技以及现代的工业制造技术不断的改进数控机床的主轴部分，特别是其运转速度。

以PCB数控钻孔为例，其原理是利用X、Y、Z三个坐标轴，当X以及Y轴达到指定的目标坐标后，Z轴遵循计算机发出的指令，执行精密钻孔操作。与其余工业发达国家相比，我国的PCB数控钻孔的出现较晚，但是发展却相对更迅速一些。从上世纪80年代开始，经过了三十多年的发展，我国的PCB数控钻孔技术有了长足的发展，尤其是在精密孔的加工、运转速度等方面。就现阶段我国的实际情况而言，PCB数控钻孔的发展主要朝着以下几个方向发展。

（1）超高精度、超高运转速度。由于现代科学技术以及计算机技术的飞速发展，数控机床的发展也十分迅速。为了能够与工业发展的速度相匹配，数控机床必须要具备超高精度以及超高运转速度的优势，这两点是评价数控PCB数控钻孔的最为关键的因素，其好坏对产品的质量以及生产效率有着决定性的作用。

（2）提高可靠性。除了上述的运转速度以及精度外，可靠性也是评价数控机床的重要指标之一。以国外的标准为例，数控机床中数控系统的MTBF（平均故障间隔时间）已达到6000h以上，平均无故障时间大于10000h，具有相当大的可靠性。但是，就我国目前可达到的水平而言，数控系统的MTBF只有3000h小时左右，达到5000h的非常少。除此之外，数控机床整机的平均无故障时间可以达到800h；而我国，目前已知的最长时间只有300h。因此，提高数控机床的可靠性非常有必要。在之后的发展道路上，数控机床可以充分利用现代高科技，包括集成电路等，提高其可靠性。其次，还要增强数控机床自身的故障诊断排除系统、自我修复系统、以及自我保护系统等进一步提高其可靠性。

（3）实时智能化。以PCB钻孔为例，其发展的早期较为简单，只需满足简单的数控机械钻孔的目的。而随着智能化的不断发展，PCB数控钻孔也与其结合并发展。PCB数控机械钻孔的实时智能化的方法主要是对相关影响运行精度和运行速度的因素进行实时监控、建模等，并根据得到的数据做出及时准确的判断以及决策。通过这一流程，可以对数控钻孔的精度不断改进，从而得到相对最为精确的结果。此外，实时智能化还能提高数控机床的生产效率以及自我修复功能。当系统出现故障时，实时智能可以第一时间判断故障位置、故障原因，进行故障报警，并自动脱离故障模块，接入备用模块，实施系统的自我修复。因此，实时智能化是数控机床的未来重要的发展趋势之一。

（4）控制系统小型化。在数控机床未来的发展趋势中，应该会采取超高集成度的印刷电路板，使得控制系统更加小型化。此外，还可以采用新型超薄液晶显示屏，更进一步的缩小控制系统的体积，更便于数控机床的实际操作。

（5）创新能力的不断提高。虽然我国数控机床的发展速度较快，但是创新能力明显不足。目前而言，我国数控机床的发展主要处于模仿国外阶段，自主创新只占了比较小的一部分。因此，为了促进我国数控机床机械结构设计与制造技术的快速发展，必须提高自主创新能力，将更多的科技与信息化融入其中，才能提高相关企业的市场竞争力。

3 数控机床机械结构设计的优化策略

数控机床机械结构设计与制造技术在工业的发展中起到了十分重要的作用，可以促进国民经济的稳定发展。因此，我们要不断的对数控机床的机械结构设计以及制造技术进行优化。以PCB数控钻孔为例，主要可以从以下几个方面进行优化：

（1）提高机床的稳定性。提高这一类型数控机床的稳定性，主要从系统的加速度控制以及结构设计方面考虑。PCB数控钻孔的运动位移较小，起止时间间隔很短，因此，就造成了定位不准确的结果。因此，在机械结构的设计中，必须采用合理的方式，提高运行的稳定性以及定点的准确性，减少操作中的惯性；此外，还可以使用一些特殊的材料，提高系统运行的平稳性，达到定点准确的目的。具体来说，可以采用以下措施：尽量使用刚性结构设计、减少各方向轴移动物体质量、加大静态物体质量以及适当使用防震材料等。

（2）提高主轴的运行精度和速度。主轴的运行精度以及速度是评价PCB数控钻孔机床的重要指标之一。在数控机械结构中，如果主轴运行精度以及速度较低，往往实现不了机械加工的精密化，会造成钻孔精密度差、钻孔质量不高的结果，给后续加工带来很大的困难。在机械结构设计以及制造技术中，可以采用静压空气轴承主轴。静压空气轴承主轴的运行速度可以达到200Krpm，精度最高是0.03μm级，具有较高的运行精度，能够实现微小孔的高速加工。此外，静压空气轴承主轴的使用寿命较一般主轴长、动态特性更好。

（3）采用三维稳定性仿真技术。随着现代工业以及信息产业的不断发展，对印制电路板的要求也越来越高，需要更加精细、更加快速的钻孔技术。然而，目前我国最小只可以达到0.2 mm的孔径，与国外0.08 mm还有较大的距离；在运行速度方面，国外可以达到75 m/min，是我国的2.5倍。因此，亟需采取一定的手段提高机床的整体机械性能，三维稳定性仿真技术就是其中比较好的一种。三维稳定性仿真技术具体来说是指，采用仿真测量建立相关模型，减少钻床在操作运行时，由于高速旋转导致的偏离，提高钻头定点的准确性，进而提高钻头的三维稳定性。

（4）采取自适应跟踪控制器。钻孔精度是PCB数控钻孔的重要评价指标之一，电气又是影响钻孔精度的最重要的影响因素之一。电气因素导致的钻孔精度可以通过提高伺服系统的性能加以控制。在实际的操作中，伺服系统对钻孔精度的控制主要体现在三个方面，即反应速度快、运行精度高以及转矩小。由于在运转过程中，存在很多外界干扰，例如摩擦等，会影响机床的精度。为了解决这一问题，课题采用自适应跟踪控制器。自适应跟踪控制器包括基本控制器、前馈控制器、摩擦补偿控制器、位置反馈控制器等几部分，对减少外部的干扰、提高加工精度起到了积极的作用。

（5）采用带GA功能的贪婪算法。随着印刷电路板的不断发展，电路板上的钻孔数量也在不断增多。传统的算法一般有较多的空行程，因此，就必须采用一种全新的算法改善这一缺点。带GA功能的贪婪算法恰恰能解决这一问题。贪婪算法的运行处理速度一般较快，在其中加入GA功能可以进一步对这一算法进行优化，改善钻孔的运行轨迹，减少空行程的运行，最终达到提高运行速度以及生产效率的目的。

4 结语

数控机床是工业化进程中最为基础的一个环节，而运行速度以及运行精度又是其中的重中之重。根据以上的分析，以PCB数控钻孔机床为例，从机械结构设计以及制造技术两个方面入手，对提高数控机床的运行精度和速度、稳定性等提出了相应优化策略，包括机械的优化以及控制系统的优化，以期能够促进我国数控机床产业的发展，加快我国的工业化进程。

[1]姚小群, 姚锡凡, 张洁. 数控机床多领域建模与设计优化的研究及发展[J]. 机械制造, 2015, 11: 1-5.

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