談基于現代工業設計理念的機床設計

王金源

摘要：隨著世界科技的發展和進步，我國的工業也得到很大的進步，其中機床應用在工業中越來越多，現在我國工業所用機床大多為數控機床，下面文章就對我國現代化機床設計進行討論，并就先進的機器人控制機床進行重點闡述。

關鍵詞：現代工業；機床設計；

中圖分類號：TG502文獻標識碼： A

1.數控系統發展狀況

將計算機技術和普通機床加工設備融合在一起，具有高精度加工能力的機床即為數控機床。數控機床的發展是隨著計算機控制技術的不斷提高而進步的。目前，按照自動控制系統劃分數控機床的類別，市場上主要有四大類數控機床產品。第一類集成控制系統。這類控制系統都是集成的、封閉體系結構，主要包括數控裝置 CNC、交直流驅動系統、可編程控制器、位置控制系統、通信系統以及輔助控制系統等。由于該類數控系統功能齊全、種類繁多、適用性較強以及信價比高，因而很多機床設計、制造時首選這類控制裝置，我國就有很多這類產品的用戶；第二類是 CNC+PC機的開放式數控系統。該種產品提高了開放程度，CNC作為機床的直接控制裝置，PC 機將各種命令、數據進行傳輸；第三類 PC+運動卡式的開放式數控系統。這類產品完全采用PC機作為真正的控制核心，用戶可以根據需要進行硬件結構設計并利用windows操作系統和高級編程軟件進行開發。系統除了PC機外，比較重要的硬件是運動卡，它是對外控制伺服系統的控制接口；第四類全軟件型開放式數控系統。這種系統Pfl，PC機為控制核心，主要采用軟件形式實現運動系統控制，是目前最新的機床數控系統。

2. 數控機床自動化設計

數控自動化機床的設計主要包括硬件系統和系統軟件。下面主要在這兩個方面分析數控機床自動化設計的特點。

2.1硬件系統。數控機床和普通機床在這方面區別不大，但是在刀具轉換裝置、 傳感器系統、 主軸及坐標軸伺服系統等硬件系統方面還是具有顯著不同。數控機床的硬件裝置更適用于自動化、智能的加工過程。首先，數控機床的刀具轉換裝置必須滿足自動化控制的要求。普通機床一般為手動轉位刀架，在加工過程中手動完成刀具的更換。數控機床一般選擇自動轉位刀架。刀架由數控系統直接控制，實現刀架自動回轉，加工時用程序自動選用不同刀具。該種刀架體積小，重復定位精度高，工藝性能可靠。其次，傳感器系統是機床PLC 主軸控制程序床實現自動控制的主要信息采集部件。傳感器系統包括位置、 位移、溫度、速度、電流、電壓等等多種傳感器。這些傳感器檢測到的信息傳送到數控機床的CNC和PLC內，再由CNC和PLC進行決策，輸出控制信號，控制負載改變機床運行狀態。由于數控機床具有眾多的傳感器元件，因此，相比普通機床主要靠人工檢測、采集信息而言，自動化程度空前提高。很多操作由機床控制系統自動控制完成，無需人工參與，提高了自動化程度。最后，主軸及坐標軸伺服系統。一般由CNC 分配控制通道給 PLC，再由PLC輸出控制信號到變頻器或電機驅動模塊。例如工作臺的X、Y軸，利用光柵尺實現全閉環控制，對工作臺進行精確定位。通過外擴模擬量 IO 點對高速變頻器進行控制，實現四個主軸電機可以進行啟停分開控制，轉速同步控制。還包括X、Y軸進行兩側硬限位和軟限位放的雙重保護。這些控制自動實現，不要手工操作，因而大幅度提高加工的效率。

2.2 軟件編程。集成控制系統類的數控機床程序設計包括CNC程序和 PLC程序。CNC主要完成數據分析以及計算、系統流程控制等工作； PLC程序實現機床主軸停止、轉向和進給運動的啟動和停止、刀庫及換刀機械手控制、切削液開關、夾具定位等動作，進行特性次序控制等邏輯性控制。因此，機床自動化控制過程需要功能強大的軟件支撐，下面以數控沖床為例的介紹CNC和PLC程序的編寫。數控沖床主要用于加工槽孔類工件，由于加工對象有很多形狀、尺寸相同的孔槽，所以為提高加工效率，經常使用M98類指令，調用編寫好的具體沖孔或槽的子程序。CNC 指令如下：主程序O2346 M3$2000 Tl01 GO X21 ； Z一20：M98 P1000；第一次進入子程序Z-30；M98 P1000；第二次進入子程序GO Z100； M30；結束程序回到程序開頭切槽子程序O1000 GO X21；G1 X16 F0 05；X21 F 5：M99；回到主程序PLC程序一般采用梯形圖編寫。

3.現代工業設計理念的引入和運用

3.1 環?；矫娴脑O計

就工業設計而言 ，綠色設計的關鍵就是3R原則。在綠色設計過程中 ，應對產品在壽命時限內的各個環節進行充分的考慮。就數控機床產品而言，綠色設計最核心、最常見的表現為可拆卸性設計以及可回收性設計。

3.2 人性化方面的設計

所謂人性化設計，即為以人為根本進行相關性的設計?；谌藢Ξa品的使用，確保機器可很好的為人進行服務。伴著科學技術的不斷發展，人們在產品的人性化設計方面提出了更高的要求，特別體現于和人們運用安全相關的一些設計，所以，數控機床產品上的一些設計在該方面的要求將會表現的更高。以人為根本，在注重人性化方面應有以下兩個概念：其一，滿足人的尺度；其二，應有較好的人體操作界面。

3.3 文化特色方面的設計

我們從產品語意學中可以得知，產品一方面具有其本身的一些物質功能，另一方面也表現了一定的文化特征。數控機床的造型設計除了給人有一種優越的感知外，同時在很大程度上也對名族特征以及深厚的名族文化內涵進行了體現，在不斷追求數控機床的科學價值的過程中，應重視文化價值和藝術方面的一些追求，甚至還要把整個名族的個性特征適當的在其中體現出來，所以，數控機床造型是完全能表現一個行業，甚至一個國家的形象與設計能力的。與此同時，數控機床在其造型風格的形成上受到以下兩個因素的影響：其一，當時的整個科學發展水平；其二，當時的整個時尚風格?？茖W的對文化元素進行運用，能最大限度的促進科學文化價值和藝術文化價值間的融合。

4.基于工業理念的機床外觀設計

4.1人體與機床造型之間的和諧化

人在操作或維修機床時，身體與機床進行交互構成聯系，因此人體與機床造型和諧關系的設計是機床外觀美學設計的一個方面。對于人來說，順其自然的操作方式是最美的。機床作為一種工具，是人的各種器官的延伸，當人機的關系融洽完美時，這種延伸就會非常自然，機床如同人體的一部分，人可以順其自然地操作它，在舒適中達到預期目的。相反，操作中人若感到身體不適，或是由于操作中缺乏安全感而感到心理壓力，這種延伸都是不自然的、生硬的，這種人機關系便不和諧。因此，在對機床造型時，圍繞人體尺度展開機床設計是建立和諧人機關系的一個重要途徑。盡量避免或減少對人的行為迸行苛刻的規定，使人保持自然狀態，建立以人機界面設計為主導而非以機械結構設計為主導的設計思想，以人機界面的優化為核心內容展開機床造型。

4.2人的視覺思維與機床外觀之間的和諧化

機床外觀與視覺思維關系的和諧化是其外觀美學設計的一個重要方面。這種和諧的關系表現為，其形式、色彩和細節是否能夠體現出美觀性以引起視覺的愉悅，同時這些因素是否是健康性的，在帶來視覺愉悅的同時保護著視覺和心理的健康。

4.3人的心理認知系統與機床外觀之間的和諧化

日用品設計中，產品語意學的運用使它們的操作方式能夠很快的被人所理解。而機床類產業用品中，產品語意學的優勢卻沒有很好地得到發揮。大部分機床都需要使用者經過長時間的學習培訓才可以了解其各部件用途，掌握其操作方式。這便是人的心理認知系統與機床外觀和諧化程度不高的一個體現，使機床利用自身的造型自語，合理運用產品語意學知識，實現人與機床的良好溝通，使機床的操作方式更加易于操作人員理解，使其操作系統和顯示系統利用人性化的面板設計自身詮釋其功能，是達到人的心理認知系統與機床外觀和諧的重要手段。

5.機床的防護

機床防護是重要的一個方面，大多機床會采用安裝防護罩的方式進行機床防護。機床防護罩除了保護機床及其導軌和零部件外，還應該起到提升機床美觀效果的作用。它能夠保護機床操作人員的安全，使機床的表面和導軌不受外界鐵屑、雜物和化學品的破壞和侵蝕，從而延長機床尤其是精密數控機床的使用壽命。下面文章選擇兩種常見的防護罩作用進行闡述。

5.1盔甲防護罩

盔甲式防護罩的設計使其能經受撞擊和熾熱碎片引起的+900℃高溫。裝配在每個折面上的不銹鋼盔甲就具有這種功能。它們可以擺動也可以被固定。擺動的盔甲適用的防護罩為：當防護罩處于壓縮狀態時，迫使盔甲向外轉動90°。固定的盔甲可以應用的防護罩為：當防護罩處于壓縮狀態時，沒有任何障礙從而使得這些盔甲可以保持其原有的狀態。由于預置的盔甲之間有良好的粘附力，該護罩可靠的保護層抵御大量的灰塵，砂末，鐵屑等。

5.2圓形絲杠防護罩特點

完全防漏可任意彎曲伸縮管的直徑和長度不受限制均可按客戶要求制作連接方式；兩端頸口卡箍連接；兩端法蘭用螺絲連接；一端頸口卡箍連接一端法蘭螺絲連接。

結束語：從一般意義上來講，設計就是一種從人的內心深處挖掘、

構思，同時體現于形式的過程。設計的中心思想始終不變，在設計過程中蘊含了設計諸多方面的一些情感訴求，但其所表達的形式始終不變。在設計過程中，我們可從多方面著手，綜合考慮進行設計。文章對我國機床設計的現狀以及機先進的機器人數控機床特點進行了分析。

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