數控機床機械結構設計研究探索論文
摘要：隨著(zhù)工業(yè)化以及科技信息的不斷發(fā)展，制造也得到了飛速的發(fā)展。本文以PCB數控鉆孔為例，對數控機床機械結構設計以及機床以及PCB數控鉆孔做了簡(jiǎn)單的介紹，總結了這一領(lǐng)域的發(fā)展狀況，并對PCB數控鉆孔機床的機械結構設計與制造技術(shù)的優(yōu)化提出了相關(guān)的優(yōu)化策略。
關(guān)鍵詞：數控機床；機械結構設計
1數控機床簡(jiǎn)介
數控機床是基于現在科學(xué)技術(shù)的基礎上的一種產(chǎn)品，其可以將科學(xué)技術(shù)融入生產(chǎn)中，并與系統的操作指令相結合，從而能夠實(shí)現信息化的產(chǎn)品生產(chǎn)。在實(shí)際運行數控機床的操作中，信息以及數據是其中最基礎的部分，要一切以產(chǎn)品的需求為目標，將產(chǎn)品信息正確無(wú)差錯錄入進(jìn)系統，保證最終產(chǎn)品生產(chǎn)的準確性。此外，在操作的過(guò)程中，要加強對數控機床的監控，尤其是生產(chǎn)效率以及質(zhì)量；除了加強監控，還要注重數控機床的轉型升級，并定期對設備進(jìn)行檢修。PCB數控機械鉆孔是數控機床的一種具體表現。PCB，即印刷線(xiàn)路板，一般指在絕緣材料上，按照一定的方案設計，將印刷線(xiàn)路以及印刷元件組合形成印刷電路板。在線(xiàn)路板上鉆孔的方法一般有兩種，即激光鉆孔和數控機械鉆孔。與激光鉆孔相比，數控機械鉆孔一般對加工材料的適應性較強，成本較低等明顯優(yōu)勢，因此，被廣泛使用。
2數控機床機械結構設計與制造技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)
全球經(jīng)濟以及工業(yè)化的不斷發(fā)展，促使了科技的不斷創(chuàng )新和進(jìn)步。在這一大的時(shí)代背景下，數控機床機械結構設計以及制造技術(shù)也在不斷的完善與發(fā)展。就現階段而言，數控技術(shù)正朝著(zhù)智能化、高精度的方向邁進(jìn)。在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，數控機床是非常重要的一個(gè)環(huán)節，更多的是應用與機械生產(chǎn)中，這就對機床的穩定性以及完整性提出了很高的要求。數控機床的廣泛使用能夠有效的提高產(chǎn)品的質(zhì)量以及生產(chǎn)效率，對保證產(chǎn)品的性能也有一定的促進(jìn)作用。主軸的帶動(dòng)是數控機床的主要部分，其原理是利用設備的機械傳動(dòng)從而實(shí)現對其余部分的輔助支撐，從而進(jìn)一步達到整體控制數控機床的目的�？茖W(xué)的數控機床的機械結構設計對提高其工作效率起到了至關(guān)重要的作用，尤其是主軸的部分，因此，這就需要我們利用現代科技以及現代的工業(yè)制造技術(shù)不斷的改進(jìn)數控機床的主軸部分，特別是其運轉速度。以PCB數控鉆孔為例，其原理是利用X、Y、Z三個(gè)坐標軸，當X以及Y軸達到指定的目標坐標后，Z軸遵循計算機發(fā)出的指令，執行精密鉆孔操作。與其余工業(yè)發(fā)達國家相比，我國的PCB數控鉆孔的出現較晚，但是發(fā)展卻相對更迅速一些。從上世紀80年代開(kāi)始，經(jīng)過(guò)了三十多年的發(fā)展，我國的PCB數控鉆孔技術(shù)有了長(cháng)足的發(fā)展，尤其是在精密孔的加工、運轉速度等方面。就現階段我國的實(shí)際情況而言，PCB數控鉆孔的發(fā)展主要朝著(zhù)以下幾個(gè)方向發(fā)展。
�。�1）超高精度、超高運轉速度。由于現代科學(xué)技術(shù)以及計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，數控機床的發(fā)展也十分迅速。為了能夠與工業(yè)發(fā)展的速度相匹配，數控機床必須要具備超高精度以及超高運轉速度的優(yōu)勢，這兩點(diǎn)是評價(jià)數控PCB數控鉆孔的最為關(guān)鍵的因素，其好壞對產(chǎn)品的質(zhì)量以及生產(chǎn)效率有著(zhù)決定性的作用。
�。�2）提高可靠性。除了上述的運轉速度以及精度外，可靠性也是評價(jià)數控機床的重要指標之一。以國外的標準為例，數控機床中數控系統的MTBF（平均故障間隔時(shí)間）已達到6000h以上，平均無(wú)故障時(shí)間大于10000h，具有相當大的可靠性。但是，就我國目前可達到的水平而言，數控系統的MTBF只有3000h小時(shí)左右，達到5000h的非常少。除此之外，數控機床整機的平均無(wú)故障時(shí)間可以達到800h；而我國，目前已知的最長(cháng)時(shí)間只有300h。因此，提高數控機床的可靠性非常有必要。在之后的發(fā)展道路上，數控機床可以充分利用現代高科技，包括集成電路等，提高其可靠性。其次，還要增強數控機床自身的故障診斷排除系統、自我修復系統、以及自我保護系統等進(jìn)一步提高其可靠性。
�。�3）實(shí)時(shí)智能化。以PCB鉆孔為例，其發(fā)展的早期較為簡(jiǎn)單，只需滿(mǎn)足簡(jiǎn)單的數控機械鉆孔的目的。而隨著(zhù)智能化的不斷發(fā)展，PCB數控鉆孔也與其結合并發(fā)展。PCB數控機械鉆孔的實(shí)時(shí)智能化的方法主要是對相關(guān)影響運行精度和運行速度的因素進(jìn)行實(shí)時(shí)監控、建模等，并根據得到的數據做出及時(shí)準確的判斷以及決策。通過(guò)這一流程，可以對數控鉆孔的精度不斷改進(jìn)，從而得到相對最為精確的結果。此外，實(shí)時(shí)智能化還能提高數控機床的生產(chǎn)效率以及自我修復功能。當系統出現故障時(shí)，實(shí)時(shí)智能可以第一時(shí)間判斷故障位置、故障原因，進(jìn)行故障報警，并自動(dòng)脫離故障模塊，接入備用模塊，實(shí)施系統的自我修復。因此，實(shí)時(shí)智能化是數控機床的未來(lái)重要的發(fā)展趨勢之一。
�。�4）控制系統小型化。在數控機床未來(lái)的發(fā)展趨勢中，應該會(huì )采取超高集成度的印刷電路板，使得控制系統更加小型化。此外，還可以采用新型超薄液晶顯示屏，更進(jìn)一步的縮小控制系統的體積，更便于數控機床的實(shí)際操作。
�。�5）創(chuàng )新能力的不斷提高。雖然我國數控機床的發(fā)展速度較快，但是創(chuàng )新能力明顯不足。目前而言，我國數控機床的發(fā)展主要處于模仿國外階段，自主創(chuàng )新只占了比較小的一部分。因此，為了促進(jìn)我國數控機床機械結構設計與制造技術(shù)的快速發(fā)展，必須提高自主創(chuàng )新能力，將更多的科技與信息化融入其中，才能提高相關(guān)企業(yè)的市場(chǎng)競爭力。
3數控機床機械結構設計的優(yōu)化策略
數控機床機械結構設計與制造技術(shù)在工業(yè)的發(fā)展中起到了十分重要的作用，可以促進(jìn)國民經(jīng)濟的穩定發(fā)展。因此，我們要不斷的對數控機床的機械結構設計以及制造技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以PCB數控鉆孔為例，主要可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：
�。�1）提高機床的穩定性。提高這一類(lèi)型數控機床的穩定性，主要從系統的加速度控制以及結構設計方面考慮。PCB數控鉆孔的運動(dòng)位移較小，起止時(shí)間間隔很短，因此，就造成了定位不準確的結果。因此，在機械結構的設計中，必須采用合理的方式，提高運行的穩定性以及定點(diǎn)的準確性，減少操作中的慣性；此外，還可以使用一些特殊的材料，提高系統運行的平穩性，達到定點(diǎn)準確的目的。具體來(lái)說(shuō)，可以采用以下措施：盡量使用剛性結構設計、減少各方向軸移動(dòng)物體質(zhì)量、加大靜態(tài)物體質(zhì)量以及適當使用防震材料等。
�。�2）提高主軸的運行精度和速度。主軸的運行精度以及速度是評價(jià)PCB數控鉆孔機床的重要指標之一。在數控機械結構中，如果主軸運行精度以及速度較低，往往實(shí)現不了機械加工的精密化，會(huì )造成鉆孔精密度差、鉆孔質(zhì)量不高的結果，給后續加工帶來(lái)很大的困難。在機械結構設計以及制造技術(shù)中，可以采用靜壓空氣軸承主軸。靜壓空氣軸承主軸的運行速度可以達到200Krpm，精度最高是0.03μm級，具有較高的運行精度，能夠實(shí)現微小孔的高速加工。此外，靜壓空氣軸承主軸的使用壽命較一般主軸長(cháng)、動(dòng)態(tài)特性更好。
�。�3）采用三維穩定性仿真技術(shù)。隨著(zhù)現代工業(yè)以及信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對印制電路板的要求也越來(lái)越高，需要更加精細、更加快速的鉆孔技術(shù)。然而，目前我國最小只可以達到0.2mm的孔徑，與國外0.08mm還有較大的距離；在運行速度方面，國外可以達到75m/min，是我國的2.5倍。因此，亟需采取一定的手段提高機床的整體機械性能，三維穩定性仿真技術(shù)就是其中比較好的一種。三維穩定性仿真技術(shù)具體來(lái)說(shuō)是指，采用仿真測量建立相關(guān)模型，減少鉆床在操作運行時(shí)，由于高速旋轉導致的偏離，提高鉆頭定點(diǎn)的準確性，進(jìn)而提高鉆頭的三維穩定性。
�。�4）采取自適應跟蹤控制器。鉆孔精度是PCB數控鉆孔的重要評價(jià)指標之一，電氣又是影響鉆孔精度的最重要的影響因素之一。電氣因素導致的鉆孔精度可以通過(guò)提高伺服系統的性能加以控制。在實(shí)際的操作中，伺服系統對鉆孔精度的控制主要體現在三個(gè)方面，即反應速度快、運行精度高以及轉矩小。由于在運轉過(guò)程中，存在很多外界干擾，例如摩擦等，會(huì )影響機床的精度。為了解決這一問(wèn)題，課題采用自適應跟蹤控制器。自適應跟蹤控制器包括基本控制器、前饋控制器、摩擦補償控制器、位置反饋控制器等幾部分，對減少外部的干擾、提高加工精度起到了積極的作用。
�。�5）采用帶GA功能的貪婪算法。隨著(zhù)印刷電路板的不斷發(fā)展，電路板上的鉆孔數量也在不斷增多。傳統的算法一般有較多的空行程，因此，就必須采用一種全新的算法改善這一缺點(diǎn)。帶GA功能的貪婪算法恰恰能解決這一問(wèn)題。貪婪算法的運行處理速度一般較快，在其中加入GA功能可以進(jìn)一步對這一算法進(jìn)行優(yōu)化，改善鉆孔的運行軌跡，減少空行程的運行，最終達到提高運行速度以及生產(chǎn)效率的目的。
4結語(yǔ)
數控機床是工業(yè)化進(jìn)程中最為基礎的一個(gè)環(huán)節，而運行速度以及運行精度又是其中的重中之重。根據以上的分析，以PCB數控鉆孔機床為例，從機械結構設計以及制造技術(shù)兩個(gè)方面入手，對提高數控機床的運行精度和速度、穩定性等提出了相應優(yōu)化策略，包括機械的優(yōu)化以及控制系統的優(yōu)化，以期能夠促進(jìn)我國數控機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加快我國的工業(yè)化進(jìn)程。
參考文獻：
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