于海
齐重数控装备股份有限公司 黑龙江省 齐齐哈尔市 161005
摘要：由于我国经济飞速发展，数控机床市场发展潜力巨大，但国产数控机床的市场占有率较低，其根本原因是国产数控系统的可靠性远远落后于国外发达国家，在高档数控系统应用领域极少有国内品牌。国内外数控机床的差距，大多数人认为，三轴以下的数控机床国内外的差距较小，三轴以上的差距较大，主要是因为数控系统相关基础研究的滞后，使得国内数控机床产业发展十分缓慢，为数控机床配套的数控系统大多是从国外引进，国产数控系统主要用于旧机床的改造。由于数控系统不同于普通电气产品，它是生产资料，不是消费资料，在实际加工中要能经受各种严酷工业环境的考验，如对切削油、冷却液、噪声、振动、温度的耐受性，其可靠性水平的高低将直接影响数控机床的可靠性水平。
关键词：数控机床；主轴；优化；专家系统设计；
数控机床是生产加工作业中的重要设备，它能够加工普通机床难以完成的零件，并提高作业效率，降低工人的劳动强度。将对机床主轴的优化设计进行分析。
一、数控机床主轴设计概述
数控重型机床的主轴部件是整台机床核心的执行件，它是支承并带动工件旋转，承受切削力和驱动力等载荷的执行部件。其结构特性直接影响到机床的加工精度，精度稳定性和加工效率。因此控制机床主轴的结构稳定性是机床设计精度赖以保证的关键性因素，通过控制机床主轴的结构稳定性保证主轴部件的旋转精度、刚度、抗震性、温升变形以及后期的精度保持性。以往主轴部件的结构设计，经常靠设计人员的经验和常规计算来进行主轴部件的优化。对主参数的选取有一定的盲目性。势必造成设计主参数并非最优参数，使设计参数的改变引起结构特性的变化。
二、主轴传动系统结构分析
主轴传动系统一般由箱体、主轴、转动轴、齿轮、变速机构、拉刀机构、轴承、伺服电机、电气元器件、液压系统、润滑系统和冷却系统等组成。主轴箱是数控机床的重要部件之一，其材质一般为优质铸铁精密铸造而成。主轴部件是数控机床中的一个重要部件。主轴部件的回转支撑形式、零件的加工精度及安装精度，都会影响被加工零件的形状精度和尺寸分散度。此外，主轴部件的工作性能对设备的效率和刀具的使用寿命都有很大的关联。因此，我们可以这样理解，数控机床主轴的回转精度直接影响工件的几何形状、尺寸误差和表面粗糙度，主轴的回转刚性、抗振性和热稳定性是保证机床加工零件精度优劣的关键所在。如果需要实现自动换刀功能，还需要包括主轴拉刀机构、主轴准停装置、主轴锥孔自动清理装置、换刀机械手和刀库等辅助装置。
三、数控机床系统设计
1.数控机床主传动系统调速方式设计。数控机床主驱动系统是重要的一部分，对于主驱动系统配置较多，一般可分为分级传动系统和CVT系统。为了提高数控机床的加工精度，充分发挥数控机床在机械制造行业的重要作用，在设计主驱动系统时，必须以一定的速度旋转最经济的主轴切削速度。机械制造的经济效益。总之，主驱动系统的设计需要考虑到经济技术的统一，选择合适的驱动电机来实现系统机器恒功率自动变速的速度，以达到主控系统CNC系统的速度控制方式设计重要目的。另外，在速度模式设计中，还要对数控机床进行交流电机的频率控制和频率控制，需要全面了解电机的工作原理。只有按照电机的原理，使用相应的公式计算，才能清除科学的频率控制，使数字电机达到平稳的电机转速。应该注意的是，数控机床交流电机转速相对较小，旋转灵活，响应灵敏，有效避免了传统电机的不利影响，应广泛应用于数控机床，确保数控机床系统设计更科学。
2.驱动电机和主轴功率的匹配设计。机器是否可以运行取决于驱动电机，而在数控机床和电机中有自己的速度特性。为了促进高精度数控加工，必须在速度范围内，实现充分利用设备，促进电机和机床具有类似的速度性能。通过数控机床调速发现，一般交流电机的转速范围为3——5，而机床主轴转速范围为10—20，机床主轴转速高于交流电机转速。在数控机床主驱动系统的设计中，要注重主轴与机床主轴功率的匹配，使数控机床电机的转速范围达到速度范围要求机床主轴，并调整主轴与电机之间的关系速度调节，使数控机床主轴以适当的速度保证数控机床恒功率在适当的范围内，唯一的方法是实现机器加工性能和经济性能的重要目标。
四、数控机床主传动系统优化
1.数控机床主驱动系统的精度影响很大。为了促进数控机床高精度加工的重要目标，当数控机床主驱动系统得到优化时，主驱动系统的误差必须为入口点，是主要优化主机的唯一途径驱动系统为数控机床提供足够的保护。数控机床主驱动系统发生错误的主要原因主要体现在两个方面：一是指传统链条本身产生的错误。主要是因为机器驱动系统，传输链越长，传输会越多，导致误差非常大。因此，数控机床主驱动系统优化，需要尽量推动传动链简单，降低传动速度，在机械结构空间允许大传动比的情况下，传动链是有效产生误差的唯一途径，从而为驱动精度提供充分的保护。但需要注意的问题是，驱动器较大端的冲击力必须大幅减速，才是有效提高传动精度的唯一途径，这就促使数控机床实现高精度的生产重要目标。第二，需要减少常规系统齿轮与轴承间隙之间的误差的可能性。主要是因为在数控机床的运行过程中，传统系统齿轮间隙会对传动精度有一定的影响，从而影响传动的灵敏度和运行的稳定性。只有根据实际情况实现轴承间隙的合理调整，才能最大化主轴的刚度和旋转精度，减少数控机床的振动振幅，降低噪音，使轴承间隙合理控制，提高轴承精度，减少机器刚度负载，真正提高机器精度达到重要目标的唯一途径。另外，数控机床优化主驱动系统，还需要考虑轴承钻孔表面粗糙度，轴承钻孔表面粗糙度符合相应的标准，促进数控机床轴承精度和轴颈精度，轴承孔精度适应。主要是因为轴承孔和轴颈的紧度会对机床的运行产生一定的影响，提高数控机床主轴的精度和抗振性，需要改善轴承孔和轴颈的紧密度，如果二使用过紧，会造成机床主轴间隙误差，从而影响机床主轴精度的转动，当数控机床运行时，发热现象，数控机床的安全运行形成非常负面影响。
2.主轴优化设计专家系统。充分利用主轴驱动模式的模糊优化方法和主轴结构优化设计方法，可用于形成一套数控机床主轴优化设计专家系统。专家系统可以解决主轴设计过程，利用现有的数控机床主轴设计经验和知识。在非确定性问题中。数控机床主轴优化设计专家系统需要输入切割功率，切割能量切割能量等数据，由设计工程师输入主轴优化设计专家系统的数据，然后通过模糊处理模糊隶属函数。通过对模糊处理结果的聚类分析，获得主轴驱动模式优化的模糊数。数控机床主轴优化设计专家系统数据库可映射到模糊系统，并可设计访问。当模糊评级等级（如高，中，低）随技术要求而变化时，授权维护专家系统的人员可以修改成员资格和数据库。在优化数控机床主轴设计的过程中，值得指出的是，如果在优化设计专家系统和模糊逻辑的组合中，所需的转速和转矩高于电机的承载能力，专家系统会自动提示设计人员改进设计。为了方便使用数控机床主轴优化设计专家系统的施工来解决实际工程问题，开发了相应的技术实施过程。在数控机床主轴优化设计过程中，专家系统不仅可以优化主轴传动方式，而且可以针对各种加工条件，制造工艺原理，切削力，结构动态和静态性能，根据系统输入属性参数约束模型用于建立数控机床主轴结构的优化模型。采用逐行优化算法求解该模型，得到最优设计方案。
总之，根据对数控机床主轴的优化专家系统的设计，大大提高了机床的加工作业效果，提升了加工生产率。
参考文献：
[1]刘彦，关于数控机床主轴优化设计专家系统研究.2020.
[2]杨宏宇.基于危害性分析的重型数控机床主传动系统可靠性分析.2020.