数控机床机械结构设计及制造技术探讨
（沈阳第一机床厂）
摘 要：数控机床是近些年逐渐发展起来的一种新型的自动化应用技术，其是高度机电一体化中的重要范畴。随着科学技术水平的不断提升，机械结构设计的重要性越来越突出，科学合理的设计不仅可以提高机械结构的优越性，同时还可以提高机械产品的精度和效率。因此，对数控机床的机械结构进行优质的设计，并不断完善数控机床的制造技术，是数控机床生产企业可持续发展的重要保障。
关键词：数控机床；机械结构；设计；制造技术
在充分了解市场需求和产品应用工艺条件后，与国内外先进的数控机床生产厂家进行对比，分析总结出更合理的机械结构，良好的机械结构不但能大幅提升机床整体刚性，又能提升加工的稳定性及机台寿命，并确保加工精度。
1 数控机床介绍
数控机床主要是把先进的科学技术、信息化技术、生产系统和操作指令进行有效的结合，提高信息化产品生产的效率和质量。在数控机床的操作过程中，最为基础的内容是信息和数据，而最终的目标是实现产品的高效生产，把所需要生产的产品信息录入到信息系统中，从而提高所生产产品的精准度。另外，在数控机床的操作过程中，还需要对其操作情况进行监管和控制，以此来保障生产产品的效率和质量；此外，随着科学技术水平的不断发展，数控机床相关的技术也需要进行不断的升级和优化，从而提高数控机床生产的高效性和稳定性。
2 数控机床机械结构设计特点
数控机床的提出就是为了代替人工，实现自动化的生产。因此其在生产线的普及应用，对于提高生产效率和产生能力有着极高的价值。
数控机床在实际应用中，可以胜任绝大多数的生产的工作，很大程度减少了企业人力资源的投入，为企业带来了更多的经济效益，促进企业生产线全面实现自动化。企业要想全面提高生产效率和产品的合格率，就要加大自动化的建设力度，使生产线与时代接轨，构建智能化、现代化的生产流程。企业生产方式的转变对其发展的促进作用不言而喻，同时也能减轻施工人员的工作压力，增加员工对企业的归属感，提高其工作效率，促进企业快速发展。在数控机床机械结构设计中，设计人员应充分了解和分析其所具备的三大特点，即自动化、技术化和智能化。并取其精华，为企业数控机床机械设计和制造所用。
2.1 高速化、高效化
目前，国内外高端机床总体特点是高速化、精密化、高效率、系统化、复合化、宜人性好，如世界知名品牌机床 DMG，小型斜车主轴标配转数 6000rpm，两轴快移均以达到 30m/min 以上，主轴端面精度均已达到 0.003mm，数控系统已从 16 位微机发展到 32 位、64 位机。在机床的操作使用上，也充分考虑了操作者的便易，如增加了工具箱、图纸夹等附件。在万物互联的时代背景下，数控机床的普及应用可以帮助企业实现自动化生产线的建设，例如很多生产企业已经使用了单机自动生产单元、桁架自动生产线、机械手自动加工生产单元等，加工效率高、工件质量一致性好、加工质量稳定。
2.2 智能化
数控技术是指利用数字信息技术实现对数控机床的远程控制使用，使之达到无人化工厂。目前，数控系统的智能化主要体现在各个方面，加工过程的自适应控制、自动生成相匹配的加工参数等，为提高驱动性能和使用连接方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载等，简化编程，简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、人机界面、智能诊断、智能监控等。全面实现数控机床技术可以使生产更加简单，同时也要求实际操作人员具有较高的技术水平和操作经验。
2.3 柔性化、复合化
数控机床一经问世就得到广泛应用，很大程度上是由于其智能化的特点。在生产过程中，技术人员通过代码控制直接控制机床的生产程序，实现数控机床的智能化功能，充分发挥机床的集成功能。它还可以对程序进行创新和升级，逐步减少手动控制，使机床形成操作回路，连续独立工作。这不仅可以提高机床和机械的智能化水平，而且可以使企业适应经济快速发展的形势。另外，智能化操作需要众多技术人员的协同建设，因此企业应加强技术人员的培训，实现普通工人向技术方面的转变，为数控机床的自动化、智能化发展提供技术支撑。
3 数控机床机械结构设计分析及优化方法
3.1 数控机床机械结构设计分析
数控机床机械结构设计主要包括三大部分，第一部分为主轴部件；第二部分为机械的传动结构；第三部分为支撑部件；最新一代的数控机床从根本上实现了极强的刚性、极高的精准度和极佳的热稳定性。
所有铸件均采用有限元分析法（FEA）进行优化，从而达到最高的刚性标准。
主轴部件在机械结构中发挥着关键性的作用，主轴部件质量水平的高低会影响到转速的高低和输出扭矩的大小，触角式混合式的陶瓷角接触轴承在市场中得到了广泛的应用，并且有着比较强的综合性能，其最高的转速可以达到 30000r/min，所以，我国很多机械结构设计中重点对主轴承的精准度进行了分析和控制，通过这种方式来提高主轴、零件的加工速度和主轴的回转精度，确保其在支撑导轨的过程中滑块的位置和动导轨体的准确性更高。
另外，在数控机床液体静压导轨的高效设计过程中，主要是通过额定负载来实现的，之后，通过圆弧同步齿形带和张力轮、密度比较小的工程塑料制作而成的涂塑导轨和贴塑导轨代替传统的滚动式导轨来达到高转速和高精准度的目的，并确保驱动轴上的带轮可以直接在电机上安装，这样就可以很好的缩减传动过程中过量问题的发生。
另外，在数控机床支撑部件应用时，床身和立柱是需要重点分析和讨论的，需要对其在相应单位内的刚度质量进行控制，一般情况下，采用最多的是人造花岗岩，花岗岩可以对其尺寸进行很好的把控，并且花岗岩还有一定的抗腐蚀性，有着比较好的效果。在数控机床机械结构刀库设计中，需要对其平衡性进行把控，可以采用对链式的刀库设计，这样可以对其刀座的运动轨迹进行很好的控制，通过借助于滚动轴承来对刀库外援进行支撑，这时候只需要对刀库的排列间距进行平衡处理，保障其间距数值和刀具直径的一致就可以了。
3.2 对关键结构的截面进行优化
多数截面优化的方法已经在数控机床结构设计中存在了很长一段时间，该方法实际已经显得非常成熟，但是这种传统的方法是建立在拓扑结构和几何布局的基础上的。先选择结构件内部的截面面积和截面厚度作为优化设计的变量，为的是更好地提升结构的刚度，最终再选择最合适的参数来作为优化设计时的重要目标。
在实际优化结构内部截面的过程中，需要采用专业的方式来直接计算约束梯度。但是在实践中只要能够适当地改变内部的变量就能够更好地提升优化的效率。在截面的优化过程中多数是以特定的拓扑结构为基础的，其优化的结果势必会受到二者的限制，其主要结构如图 1所示。
