北京信息科技大学学报　　　　　　　　　　　　　　　　　第

卷

数控机床设计制造体现出一些明显特点 :

1)创新性。数控机床为了满足各种加工需要 ,

在精度、

功能、

效率、

性能以及特殊加工等方面提出

很多新要求。近年来 ,出现了许多新结构机床 ,如并
联机床、

三杆铣头 ( Z3) 、

车铣 (铣车 )复合、

多工艺复

合机床、

变结构机床、

逆运动机床等。机床设计的创

新性、

应用性成为市场的新需求。

2)高指标。数控机床作为加工机床的高端产

品 ,性能要求越来越高。高速度、

高精度、

高效率、

高

可靠性等性能指标已成为市场竞争的新热点 ,也是
反映一个国家和企业制造水平和能力的观测点。

3)功能部件技术。数控机床的另外一个显著

特点是功能部件技术。随着功能部件生产的专业
化、

功能质量的不断提高 ,极大地促进了数控机床质

量的提高 ,也反映出数控机床产品的设计特点。国
产机床中 ,采用外购功能部件组合机床已经成为主
流 ,机床的主要技术指标几乎是功能部件的指标。
粗略统计 ,一台数控机床的成本中 ,电主轴占 1 /3,
数控系统占 1 /4,丝杠、

导轨驱动测量元件等占 1 /3。

1. 2

数控机床设计制造中的共同问题

近 20年 ,我国的数控机床设计制造取得了长足

的发展 ,形成了能够影响国际市场的巨大产业基地 ,
同时高速发展的经济也使我国成为世界最大的机床
消费市场。但在高端数控机床方面还缺乏国际竞争

力。体现出的主要问题 :

1)新产品开发能力不强 , 仿造还占很大比例。

制造大国和制造强国的区别很大程度取决于技术创
新能力。企业缺乏创新基础条件 ,创新体系和技术
基础 ,包括设计技术和工艺技术。

2)以功能部件组装机床为主 ,缺乏企业核心技

术 ,不能形成品牌优势 ,因而不能生产高附加值机床
产品。

3)机床设计以满足用户功能需求为主 ,没有考

虑多方面指标性能。基础技术、

深层次技术研究不

到位 ,如机床动静特性、

热性能、

精度寿命、

无故障时

间、

机电耦合特性、

机床人性化设计等 ,不能形成精

品 ,陷入价格竞争 ,阻碍了数控机床国产化发展。

1. 3

现代数控产品设计特征

1)开发创新设计方法。采用新理念、

新需求开

发具有市场竞争力、

推动机床技术的产品和技术。

例如虚拟轴、

逆运动、

反结构 ,用户需求、

运动驱动等

理念对于推动技术创新起到了很大作用。

2)推进计算设计技术。数字化设计的出发点

和优势在于计算设计。计算设计改变了设计理念 ,

以及经验类比设计、

仿照设计等方法。从基本结构

运动到详细工程设计始终贯穿计算设计 ,再结合计
算仿真分析的运用 ,是创新开发、

精确设计、

制造机

床精品的关键。

3)应用仿真考察设计。信息化技术在数控机

床设计领域的应用发展 ,极大的提高了设计质量和
新产品开发速度。目前应用较好的仿真软件和技术
方法 ,在设计阶段考察产品的各项指标 ,修改、

优化 ,

消除错误、

减少试制投入和周期。仿真可以应用于

功能仿真、

装配仿真、

加工仿真、

受力、

振动、

热变形

等性能仿真 ,在很大程度上可消除设计误差 ,改正试
制过程中出现的错误 ,提高设计质量和设计效率。

数字化设计体系结构

为开发推广现代高档数控机床 ,提高数字化设

计的质量和效率 ,创新开发新产品 ,掌握核心技术 ,
针对加工中心产品 ,项目组开发了数字化设计系统 ,
组成如图 1所示。

数控机床的数字化设计应具备比较完整 ,基于

信息化技术支持的系统化设计体系结构。设计体系
的主要模块包括创新设计模块、

快速设计模块、

仿真

分析模块、

优化设计模块、

可靠性设计模块、

人机工

程设计模块和数据管理。

2. 1

支持新产品开发的创新设计模块

产品的不断更新换代 ,不断追求新技术满足各

种加工的新需要 ,是机床企业的主要工作之一。新
产品开发有三种类型 : 1)拓展型号规格的系列化设
计 ,扩大机床加工功能和范围 ; 2)新功能的变型设
计 ,例如复合机床、

反结构机床等。这类机床的特点

是对已经有的机床结构变形 ,结构变位 ,结构复合
等 ; 3)新原理、

新机构机床。例如虚拟轴机床、

机器

人机床等。三类机床中 ,企业开发更多集中在前两
种。

创新设计模块面向新产品开发 ,采用有规律的

设计模式。首先是用户导向的功能分析和分解 ,根
据功能和子功能因素进行运动驱动的机构原理分
析。在满足功能和运动的基础上进行机构求解。在
多解状态下 ,采用多变量模糊隶属度函数加权判别 ,
选出合理机构。结合复合变异结构设计 ,得到新产
品设计原型。

这种创新设计方法的思路是将无参照新产品开

发纳入计算分析开发模式 ,给出一个有迹可循的创
新产品开发方法 ,并开发了设计平台。