广东科杰机械自动化有限公司
摘要：数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。
关键词：数控机床；机械结构设计；制造技术；新动态
一、数控机床结构
数控机床的基本组成包括加工程序载体、数控装置、伺服驱动装置、机床主体和其他辅助装置。下面分别对各组成部分的基本工作原理进行概要说明。
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高速数控机床
（1）加工程序载体
数控机床工作时，不需要工人直接去操作机床，要对数控机床进行控制，必须编制加工程序。零件加工程序中，包括机床上刀具和工件的相对运动轨迹、工艺参数（进给量主轴转速等）和辅助运动等。将零件加工程序用一定的格式和代码，存储在一种程序载体上，如穿孔纸带、盒式磁带、软磁盘等，通过数控机床的输入装置，将程序信息输入到CNC单元。
（2）数控装置
数控装置是数控机床的核心。现代数控装置均采用CNC（Computer Numerical Control）形式，这种CNC装置一般使用多个微处理器，以程序化的软件形式实现数控功能，因此又称软件数控（Software NC）。CNC系统是一种位置控制系统，它是根据输入数据插补出理想的运动轨迹，然后输出到执行部件加工出所需要的零件。因此，数控装置主要由输入、处理和输出三个基本部分构成。而所有这些工作都由计算机的系统程序进行合理地组织，使整个系统协调地进行工作。
1）输入装置：将数控指令输入给数控装置，根据程序载体的不同，相应有不同的输入装置。主要有键盘输入、磁盘输入、CAD/CAM系统直接通信方式输入和连接上级计算机的DNC（直接数控）输入，现仍有不少系统还保留有光电阅读机的纸带输入形式。
（1）纸带输入方式。可用纸带光电阅读机读入零件程序，直接控制机床运动，也可以将纸带内容读入存储器，用存储器中储存的零件程序控制机床运动。
（2）MDI手动数据输入方式。操作者可利用操作面板上的键盘输入加工程序的指令，它适用于比较短的程序。
在控制装置编辑状态（EDIT）下，用软件输入加工程序，并存入控制装置的存储器中，这种输入方法可重复使用程序。一般手工编程均采用这种方法。
在具有会话编程功能的数控装置上，可按照显示器上提示的问题，选择不同的菜单，用人机对话的方法，输入有关的尺寸数字，就可自动生成加工程序。
（3）采用DNC直接数控输入方式。把零件程序保存在上级计算机中，CNC系统一边加工一边接收来自计算机的后续程序段。DNC方式多用于采用CAD/CAM软件设计的复杂工件并直接生成零件程序的情况。
2）信息处理：输入装置将加工信息传给CNC单元，编译成计算机能识别的信息，由信息处理部分按照控制程序的规定，逐步存储并进行处理后，通过输出单元发出位置和速度指令给伺服系统和主运动控制部分。CNC系统的输入数据包括：零件的轮廓信息（起点、终点、直线、圆弧等）、加工速度及其他辅助加工信息（如换刀、变速、冷却液开关等），数据处理的目的是完成插补运算前的准备工作。数据处理程序还包括刀具半径补偿、速度计算及辅助功能的处理等。
3）输出装置：输出装置与伺服机构相联。输出装置根据控制器的命令接受运算器的输出脉冲，并把它送到各坐标的伺服控制系统，经过功率放大，驱动伺服系统，从而控制机床按规定要求运动。
（3）伺服与测量反馈系统
伺服系统是数控机床的重要组成部分，用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。伺服系统的作用是把接受来自数控装置的指令信息，经功率放大、整形处理后，转换成机床执行部件的直线位移或角位移运动。由于伺服系统是数控机床的最后环节，其性能将直接影响数控机床的精度和速度等技术指标，因此，对数控机床的伺服驱动装置，要求具有良好的快速反应性能，准确而灵敏地跟踪数控装置发出的数字指令信号，并能忠实地执行来自数控装置的指令，提高系统的动态跟随特性和静态跟踪精度。
伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分。驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元和主轴伺服电动机、进给伺服电动机组成。步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机是常用的驱动装置。
测量元件将数控机床各坐标轴的实际位移值检测出来并经反馈系统输入到机床的数控装置中，数控装置对反馈回来的实际位移值与指令值进行比较，并向伺服系统输出达到设定值所需的位移量指令。
（4）机床主体
机床主机是数控机床的主体。它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架及自动换刀装置等机械部件。它是在数控机床上自动地完成各种切削加工的机械部分。与传统的机床相比，数控机床主体具有如下结构特点：
1）采用具有高刚度、高抗震性及较小热变形的机床新结构。通常用提高结构系统的静刚度、增加阻尼、调整结构件质量和固有频率等方法来提高机床主机的刚度和抗震性，使机床主体能适应数控机床连续自动地进行切削加工的需要。采取改善机床结构布局、减少发热、控制温升及采用热位移补偿等措施，可减少热变形对机床主机的影响。
2）广泛采用高性能的主轴伺服驱动和进给伺服驱动装置，使数控机床的传动链缩短，简化了机床机械传动系统的结构。
3）采用高传动效率、高精度、无间隙的传动装置和运动部件，如滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨、静压导轨等。
（5）数控机床辅助装置
辅助装置是保证充分发挥数控机床功能所必需的配套装置，常用的辅助装置包括：气动、液压装置，排屑装置，冷却、润滑装置，回转工作台和数控分度头，防护，照明等各种辅助装置 。
二、数控机床的机械结构设计要求
1.静态刚度与动态参数
机械结构中静态刚度和动态刚度参数在机床机械结构运行和发展过程中，最重要的特性就是数据系统的输入指令，只有确保生产参数以及运行依据符合项目结构，才能提升机械加工过程的稳定性，确保项目几何精度以及变形参数结构符合控制要求。在实际项目处理过程中，设计人员要按照机床机械结构对部件的弹性形变进行控制，保证其在最小的响度范围内，真正提升设备加工表面的质量以及精确度。在设备操作过程中，主轴刚度、接触刚度、动态刚度等采纳数是需要着重关注的，要实现其数据的升级，才能确保机床机械结构发挥最大的功效，实现三支撑结构的优化。
2.减小机械结构摩擦传动间隙
机床结构在运行时，位移量和脉冲量是最基本的参考数据，需要保证必须根据最低的速度值来执行，掌控好温度，如果温度较低，就会导致机械结构无法良好的与其互动，因此就要确保在工作过程中摩擦传动间隙要不断的减小。如果需要进行中融合滑动导轨等项目时，可以提升运行参数数据的吻合度，有效的使用滚珠丝杠传动设备。另外还要注意的是要认识到传动链的重要性，严格监管质量，在验收阶段需要严格把控，尽最大化的减少传动齿轮和滚珠丝杠在工作中存在的误差，保证参数的稳定性。
3.减小机械结构热变形的产生率
数控机床机械结构的运营过程中，由于温度因素，经常会存在热变形的现象，设计工作人员需要具体情况具体分析，从而能够提高机床的运行速度。第一需要确保热源可以在主要部件中脱离出来，将散热与冷却作用进行优化与更新，保持机械呈现出最好的状态。另外，热源构造在减小的过程中，工作人员需要特别注意机床容易热的地方，确保它们的温度可以达到恒定为范围，只有这样，才能够避免因为温度产生的误差而导致存在变形的情况。还可以对机械结构采取实时优化，对其进行一定的调整，减小热变形的问题
4.优化机械结构寿命以及运行精度
在实际工序运行过程中，主要的目标就是提高机床机械结构的精确度，因此要着重分析项目运行参数和结构，提高机床零部件的耐磨性，从而顺利推进整个运行结构的完整性，针对机床导轨、进给伺服驱动项目以及主轴的相应部件进行集中的精度控制，提升参数结构耐磨性的同时，确保机床机械结构润滑效果的升级。另外，在实际分析过程中，设计人员要对其热源温度控制进行必要的认知，可以利用一些措施减少温度对控件的影响，确保机床主轴结构的热变形可以发生在刀具切入的垂直角度上，确保减少损耗，从而提高机床机械结构的使用寿命。
5.提高机床的寿命和精度保持性
为了提高机床的寿命和精度保持性，在设计时应充分考虑数控机床零部件的耐磨性，尤其是机床导轨、进给伺服驱动和主轴部件等影响精度的主要零件的耐磨性。在使用过程中，应保证数控机床各部件润滑良好。
三、主轴控制设计与制造技术
主轴变速箱作为数控机床机械结构重要组成，其主要控制主轴部件应用，提高数控机床控制能力，其机械结构设计具体包括如下几个方面：
1.主轴部件
数控机床机械结构设计，主轴变速箱的应用，必须注意主轴部件设计。主轴部件包括主轴、皮带、电机座、主变速箱、拉刀油缸、主轴电机组成、主动带轮、带轮压盖等。主轴部件中的主电机，主要作用是帮助数控机床实现无级调速，这样就可以有效控制机床调速范围，进而实现数控机床无级加工需要，并且提高数控机床抗震性、热稳定性。主动带轮与皮带都是主传动系统组成，利用有利刀具提高切削功率，同时确保数控机床机械操作功率输出均匀，提高数控机床切削速度，甚至条件允许情况下，做到无级变速。主传动系统支撑机床主轴箱运行，主轴部件帮助数控机床机械操作不变形，操作刚度、精度、稳定性提高明显。
2.进给设计与制造技术
进给设计主要包括X、Y、Z轴进行研究设计。进给设计直接影响数控机床机械结构设计质量，更是其整体性研究的核心。
（1）X轴进给
进阶部分中的X轴，包括床身、轴承座、轴承、伺服电机、Y滚珠丝杆、连轴器、轴承支撑座。伺服电机主要为数控机床提供动力，帮助数控机床实现无级调速，这样就能够扩大数控机床调速范围。进给运行依靠电机驱动，利用滚珠丝杠的方式完成数控机床操作，确定数控机床坐标方向。伺服电机旋转情况下会直接带动联轴器，促使数控机床运行，滚珠丝杠协助数控机床导轨进行直线运动，确定运动轨迹，达到数控机床机械运行稳定的目的，由此可见X轴进给的重要性。
（2）Y轴进给
Y轴进阶组成与X轴进给组成相同，都包括床身、轴承座、轴承、伺服电机、Y滚珠丝杆、连轴器、轴承支撑座。伺服电机主要帮助机床无级调速，电机旋转之后，联轴器被带动，旋转丝杠，并且开始直线运动，带动Y轴运动，完成数控机床运行要求。数控机床机械结构设计过程中，滚珠丝杆必须处于固定与游动状态，特别是轴承支撑座的调整，帮助螺母能够同轴支撑两端，这样既可以降低数控机床机械结构设计的复杂度，还能够简化数控机床机械操作。滚珠丝杆与机床始终保持同轴度，这样既能够避免滚珠丝杆因为热膨胀影响出现计算误差，还可以拓展Y轴进给范围，对卧式滚珠丝杆同样适用。
（3）Z轴进给
Z轴进给包括Z、Y轴导丝杠螺母座、伺服电机、联轴器、Z电机座、支架以及立轴上盖板等。无级调速基础上，联轴器转动，丝杠随之旋转，丝杠旋转的同时丝杠螺母座开始进行直线运动。滚珠丝杆依然需要设定为固定、自由模式，及时调整Z、Y轴导丝杠螺母位置，简化设计的同时，降低其复杂性。
结语：
综上所述，数控机床技术在工业发展当中起着至关重要的作用。通过优化我国数控机床技术、培养创新科技人才以及引进新型数控机床技术，才能在保证企业实现经济效益的同时，促进我国数控机床技术的不断发展。
参考文献：
【1】张绍强.数控机床机械结构设计和制造技术[J].建筑工程技术与设计，2017（6）
【2】陈科.数控机床的机械结构设计探究[J].山东工业技术，2018（24）
【3】陶均恒.数控技术的最新进展及发展趋势研究[J].装备制造技术，2017（12）