史紅霞 王國棟

（山東萊克工程設計有限公司 山東省東營市 257000）

數(shù)控技術是現(xiàn)代科技技術發(fā)展過程中加工機械與電子信息融合的產物。數(shù)控技術自誕生以來被廣泛應用在我國的農業(yè)、工業(yè)、制造業(yè)等多個領域，通過使用數(shù)控設備能夠有效降低人力資源成本的消耗和人為操作的失誤，同時也降低了技術工作人員在金屬加工過程中的人身安全風險，在此基礎上提升了企業(yè)的生產效率和質量?，F(xiàn)代化機械金屬構件加工過程，數(shù)控銑床將傳統(tǒng)機床的優(yōu)勢和數(shù)字化技術進行了融合，確保加工質量的同時也提升了加工的效率。因此，企業(yè)更加需要注重數(shù)控銑床的機械自動化控制技術的應用和發(fā)展，從技術的角度進行合理的優(yōu)化和改良。

1 數(shù)控銑床金屬構件加工工藝應用

1.1 平面加工

我國的工業(yè)制造業(yè)在不斷的升級和優(yōu)化，市場對金屬構件的精細程度與性能也有了更高的要求，為對粗放加工工藝進行進一步的優(yōu)化，降低產品需求和產品性能中間的差異度，從加工技術著手對操控工藝和相關技術之間的差異性進行深度研究，強化技術的應用范圍。數(shù)控銑床在金屬構件的加工方面，平面加工屬于較為常見的工藝，通常指的是構件的縱向和橫向水平的加工模式，或者與水平面能夠呈現(xiàn)一定的角度的加工面。

1.2 曲面加工

金屬構件加工中另一個較為常見的結構是曲面結構，曲面的結構能夠在金屬構件組合時提升整體的穩(wěn)定性，提升工業(yè)的生產質量。數(shù)控銑床在對曲面結構進行加工時主要依靠程序參數(shù)與加工參數(shù)的實時對比來確保能夠精準地進行加加工。加工過程中加工的空間主要呈曲面的運動路徑，但其路徑與直線運行的路徑并沒有較大的差異性，主要差異性是刀具的路徑，一般可以分為直紋加工和曲紋加工。

1.3 立體加工

數(shù)控銑床能夠進行多軸的聯(lián)動操作，設定不同的空間坐標，對金屬構件進行立體的加工。數(shù)控銑床的立體加工功能可以讓金屬構件在三個坐標點的加工軸上進行同時加工，且每一個軸體都能夠進行單獨的路徑驅動，有效避免了刀具在加工的過程中出現(xiàn)碰撞的情況?；诳臻g三聯(lián)動的坐標，三個軸體能夠進行同步的運行，有效實現(xiàn)了多軸向的操控，可以進行球形、半球形、空間直線穿插等金屬結構的加工。

2 數(shù)控銑床主要零部件設計

2.1 床身設計

床身是機床的主體部分，也是整體機床的支撐部分，其功能性在于連接工作臺和支撐零件。床身通常用來放置主軸箱、連接導軌等重要的零部件。為提升數(shù)控銑床的精度、速度、效率、穩(wěn)定性、自動化程度，進行機床設計時需要考慮到床身的抗震性、剛度、熱穩(wěn)定性等相關機械性能，加深分析和研究，這樣才能夠滿足機床設計的實際需求。機床的類型各不相同，床身在結構和形式方面也存在著差異性。廣泛應用的數(shù)控銑床的床身結構主要采用固定立柱形式和移動立柱形式。固定立柱的形式主要針對中小型的立式或者臥式的銑床設計使用。這類銑床的床身結構通常較小，可以采用整體結構的形式。移動立柱形式的銑床主要可以分為整體T形和分開組裝T形這兩種床身結構。T形的床身組成包括水平橫向的前部分和垂直的后部分兩部分。整體的T形床身具備較高的精度和剛度，但成本較高，建造過程較為復雜。分開組裝的T形床身制造過程更簡單便利，也能夠有效提升其工藝性?？梢詰迷谥写笮偷你姶苍O計當中。

2.2 立柱設計

數(shù)控銑床立柱的功能性主要為對主軸箱進行支撐和連接床身。常見的立柱形式主要由立式和臥式兩種。立式的銑床立柱主軸箱位于立柱的側面，因此采用封閉式的箱型結構。內部采用井字形或者米字形的助板。臥式的銑床立柱通常采用雙立柱的框架結構，具有較強的穩(wěn)定性、剛性和熱對稱性，但其工藝性較差，不便于進行安裝和調試。本次研究主要針對加工工藝自動化，因此采用立柱橫梁組建的立式龍門機械結構。這種結構穩(wěn)定性更強、精度更高、剛度更高且受力更均勻。

2.3 橫梁設計

前面提到的立式龍門結構在橫梁方面的結構形式主要包括梯形、工字形以及矩框形三種。龍門銑床的橫梁在設計方面要考慮到機床的強度和剛度，且盡量確保結構能夠質量更輕，綜合多方面后選擇了梯形的機床橫梁。

2.4 實體建模

近幾年，人工智能虛擬技術得到了快速的發(fā)展。計算機技術和網絡技術被廣泛應用在機械制造生產當中。通過構建虛擬環(huán)境和進行運動仿真，能夠極大程度降低設計的成本，縮短設計周期，提升生產質量。虛擬設計中的實體建?？梢酝ㄟ^三維軟件來進行零部件和整機的3D數(shù)字建?！，F(xiàn)階段我國在機械產品設計中主要采用三維設計軟件用以進行產品外形的設計，通過運動仿真來對裝配、應力等進行分析，生成數(shù)控代碼，提升產品的質量。市場上常見的三維設計軟件包括CATIA、Pro/Engineer、3D MAX、Solid Works、UG等。本次研究采用有限元軟件結合三維設計軟件對數(shù)控銑床自動控制技術的結構優(yōu)化進行了分析和研究。

3 數(shù)控銑床的自動控制技術結構優(yōu)化

3.1 自動控制系統(tǒng)故障診斷

3.1.1 故障分類

主機：自動刀具和工件的交換裝置出現(xiàn)故障、液壓系統(tǒng)故障、氣動管道系統(tǒng)故障、冷卻系統(tǒng)故障、潤滑系統(tǒng)故障；

電氣裝置：包含強電和弱電兩部分，主要為弱電故障（數(shù)字控制裝置、編程控制裝置）：硬件故障，包括顯示器、運行器、存儲器、接插件、開關；軟件故障，系統(tǒng)、參數(shù)、運算、程序；

驅動裝置：主軸驅動、進給驅動，主要故障：位置控制、速度控制、過熱報警；

位置檢測：位置檢測故障、定位超差等。

3.1.2 診斷方法

數(shù)控銑床采用自動化控制系統(tǒng)能夠在機床運行的過程中對其運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控和自動掃描，一旦出現(xiàn)故障能夠通過PLC系統(tǒng)進行自檢，確定故障原因和故障方位，反饋給顯示系統(tǒng)，協(xié)助技術人員及時解決問題。

3.2 優(yōu)化設計模型構建

對數(shù)控銑床進行結構的優(yōu)化時需要構建優(yōu)化設計模型，通過數(shù)學來對優(yōu)化工程中復雜的問題進行描述，采用優(yōu)化算法進行尋優(yōu)能夠有效提升設計效率和效果。該模型主要包含三項要素，即設計變量、約束條件、目標函數(shù)。

3.2.1 設計變量

通過選擇適合的優(yōu)化參數(shù)來對結構進行優(yōu)化，這項參數(shù)的變化能夠對結構性能產生直接的影響。這一參數(shù)即為設計變量，通常為截面的幾何參數(shù)、薄殼類的結構厚度、單元密度、桿系長度、幾何尺寸等。數(shù)學式為：

x=[xxx…x]

3.2.2 約束條件

優(yōu)化過程具備一定的約束條件，這也是尋優(yōu)的標準。通常這一約束條件可以分為幾何約束和性能約束兩個方面，幾何約束主要針對設計變量中的尺寸，性能約束主要針對結構的應變、應力、體積、質量以及固有頻率等。數(shù)學式為：

g(x)≤0 q=1,2,3…z

h(x)=0 j=1,2,3…m

式中：g(x)：等式約束；h(x)：不等式約束

3.2.3 目標函數(shù)

優(yōu)化的過程中需要篩選出最適合的方案，為區(qū)別這些方案的優(yōu)缺點，可以構建一個或一個以上的評價函數(shù)，用以判斷方案的優(yōu)劣，這就是目標函數(shù)。數(shù)學式為：

minf(x)=f(xxx…x)

3.3 采用靈敏度分析的尺寸優(yōu)化

使用有限元軟件對數(shù)控銑床的各項尺寸進行靈敏度的測試和分析，根據分析結果選出關鍵的尺寸，通過尺寸優(yōu)化技術優(yōu)化整機的尺寸。根據不同方案得出的優(yōu)化結果，選擇最適合的方案，其流程表如圖1所示。

圖1：優(yōu)化流程圖

3.3.1 靈敏度分析

數(shù)控銑床的結構優(yōu)化目標是提升自動化控制系統(tǒng)的運行效率，選擇最適合的設計變量值能夠在確保性能達到約束條件的狀態(tài)下達到最優(yōu)的目標函數(shù)。設計人員通過靈敏度的分析能夠確定哪一些優(yōu)化參數(shù)能夠對結構的性能產生巨大的影響，能夠為結構優(yōu)化打下良好的基礎。將影響力最大的參數(shù)作為設計變量的關鍵，進而進行優(yōu)化設計。這種分析法能夠有效提升優(yōu)化的效率還能夠降低計算資源的消耗。設靈敏度函數(shù)為F(x)，其計算公式為：

各項性能指標針對設計變量進行靈敏度分析的計算公式為：

A代表ω（固有頻率）的對應模態(tài)；A代表特征向量所構建的空間組基；

3.3.2 構建近似模型

結構優(yōu)化的過程中因目標函數(shù)和約束條件與設計變量之間存在著隱性的關系，設計變量的每一次改變都需要考慮到是否符合（響應）目標函數(shù)與約束條件，需要通過重啟求解器來對有限元模型進行求解，進而判斷是否符合設計要求。為提升結構優(yōu)化的效率，通過靈敏信息來將目標函數(shù)和約束條件與設計變量之間的顯性關系顯示出來，后進行方案尋優(yōu)。常規(guī)情況下，優(yōu)化模塊可以根據實際情況選擇幾個近似模型進行分析，近似模型方式包含以下幾種：

線性近似：

倒近似：

凸近似：

設：

3.3.3 尋優(yōu)的條件和收斂的準則

通過優(yōu)化模型來進行尋優(yōu)需要滿足優(yōu)化設計的相關條件，采用拉格朗日乘子法來對目標函數(shù)和約束條件進行優(yōu)化，公式為：

設定迭代后的目標函數(shù)值與上一個目標函數(shù)值之間的差值為收斂容差，以此為基礎來對優(yōu)化問題是否存在收斂進行判斷。優(yōu)化模塊常規(guī)的默認收斂容差值是0.5%，也可以根據用戶的實際情況來進行自定義。用戶也可以根據生產需求來對迭代步數(shù)進行設置，以此來控制優(yōu)化收斂條件。

3.3.4 分析結果

采用有限元軟件對數(shù)控銑床的壁厚、筋板厚度等尺寸進行性能指標靈敏度分析，篩選出關鍵的尺寸。結構對應參數(shù)范圍見表1。

表1：參數(shù)對應表

選擇有限元軟件中的靈敏度分析卡，對結構尺寸進行分析，可以得出靈敏度圖。如果數(shù)值在零刻度線的上方就表示對應的尺寸出現(xiàn)增加或者減小的情況其結構的性能指標也會存在增加或者減少的情況。相反，如果數(shù)值在零刻度線以下，則會隨著尺寸的增加或者減小其結構性能指標會存在減少或者增加的情況。

3.3.5 優(yōu)化結果分析

以銑床整機的靈敏度分析結構為基礎，對整機的尺寸進行優(yōu)化，數(shù)學模型為：

設計變量：

T=TTTTTTTTTTTTT

約束條件：Freq1>45Hz；Freq2>55Hz；T=T=T

目標函數(shù)：min mass

采用尺寸優(yōu)化模塊對數(shù)學模型進行設置后進行結構優(yōu)化。

4 結束語

我國正式進入“十四五”階段，機械制造行業(yè)在數(shù)控技術、自動化控制技術方面得到了突飛猛進的發(fā)展。通過各種類型的數(shù)控設備能夠更加高效地完成生產的任務，提升產品的質量。數(shù)控銑床進行金屬構件加工的過程中通過自動控制系統(tǒng)進行平面、曲面和立體的加工能夠充分體現(xiàn)出數(shù)控設備的設定與管理之間存在著差異性。企業(yè)應當加大對數(shù)控技術和程序的完善與更新，對數(shù)控銑床進行定期的檢修與維護，這樣才能夠確保高質量與高效能地穩(wěn)定生產。對數(shù)控銑床進行結構優(yōu)化能夠進一步提升機械生產效率與效果，滿足市場需求的同時也能夠推動企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。