数控技术在机械设计与制造中的应用

引言

当前，信息化技术在我国工业机械制造领域的应用范围不断扩大，人们对工业生产中机械设计制造及其自动化技术的要求越来越高。较之传统的工业生产模式，新时代智能化技术的机械设计制造技术在设计制造方面占据了很大优势，机械设计制造方式更加多样，推动工业生产产业进入全新的发展阶段，促进机械设计制造朝着自动化、信息化方向发展。

1 数控技术概述

数控技术是以数字信息为控制依据，通过计算机程序对机械制造设备进行控制的先进制造技术。它集计算机技术、伺服驱动技术、检测技术等多学科为一体，通过复杂的算法和硬件架构实现工件的自动、精确加工。数控技术的核心在于通过数字指令控制机床进给速度、主轴转速等加工参数，同时结合坐标系统精准定位刀具位置，从而达到高效、高质量生产的目的。以数控铣削加工为例，通过 G 代码编程控制铣削路径和切削参数，再利用插补算法解算出各轴的进给速度和位移量，经过伺服系统驱动机床运动，最终完成复杂曲面的加工任务，加工精度可达到微米级。数控技术在机械制造各环节中发挥着不可替代的作用。在产品设计阶段，CAD/CAM 软件可将三维模型转化为数控加工程序，缩短开发周期；在生产制造环节，数控机床、加工中心、柔性制造系统等装备大幅提升生产效率和产品精度，实现多品种、小批量的柔性生产；在质量检测方面，三坐标测量机等数控检测设备可快速、准确地完成尺寸测量，确保产品质量。可以看出，数控技术以其诸多优势成为现代机械制造的关键支撑技术，推动制造业的数字化、智能化、绿色化发展。

2 机械制造技术中数控技术应用

2.1 数控编程

数控编程的核心是制定加工路径和刀具路径，直接影响到最终产品的质量和加工效率，在进行数控编程时，需要考虑工件的几何形状、加工工艺以及机床的运动特性，针对不同的工件形状和加工要求，需要选择合适的加工策略，如粗加工和精加工的顺序、切削深度和切削速度等，还需要合理选择刀具类型和刀具尺寸，并确定刀具路径，以确保切削过程稳定且高效。数控编程需要充分考虑加工过程中可能出现的问题，如刀具碰撞、加工余量不足等，为了避免这些问题的发生，需要在编程过程中添加合适的安全余量，并进行碰撞检测和仿真，通过先进的数控编程软件，可以对加工路径进行模拟，并及时发现潜在的问题，从而提前调整加工方案，保障加工过程的顺利进行。在制定加工路径时，需要综合考虑加工时间、切削力和表面粗糙度等因素，以实现最佳的加工效果，通常情况下，可以采用高速切削和高速进给等先进加工技术，以提高加工效率并保证加工质量。在进行数控编程时，需要考虑机床的最大加工速度、最大进给速度和最大切削力等参数，以确保编程方案与机床性能相匹配，还需要根据机床的精度要求进行加工路径的优化和调整，以实现最终产品的精度和表面质量要求。

2.2 产品结构优化与仿真分析

数控技术在机械设计中的另一个重要应用是产品结构优化与仿真分析。借助计算机辅助工程（CAE）技术，结合数控技术的精确控制原理，设计师能够对机械产品的结构进行优化设计，并通过仿真分析预测产品在实际工作中的性能表现。在产品结构优化方面，CAE 软件可以根据数控技术提供的精确数据，对产品的力学性能、热性能等进行分析计算。通过建立产品的有限元模型，模拟产品在不同工况下的受力情况、温度分布等，找出产品结构中的薄弱环节和应力集中区域。设计师根据分析结果，对产品结构进行优化改进，如调整零件的厚度、形状，增加加强筋等，以提高产品的强度、刚度和稳定性，同时减轻产品重量，降低材料成本。在仿真分析方面，数控技术为仿真提供了精确的运动控制数据。利用多体动力学仿真软件，结合数控技术对机床运动的精确控制原理，能够模拟机械产品在实际运行中的运动状态，如机构的运动轨迹、速度、加速度等。通过仿真分析，设计师可以提前发现产品在运动过程中可能出现的问题，如运动干涉、振动过大等，并及时进行优化改进，避免在实际制造和调试过程中出现问题，降低研发成本和周期。在设计工业机器人的关节结构时，通过多体动力学仿真，优化关节的运动参数和结构设计，确保机器人在工作过程中的运动精度和稳定性。

2.3 机器视觉技术

由于机器视觉技术具备了部件尺寸定位、检查部件瑕疵、辨识和定位等优势，成为机械自动化领域的核心技术。机器视觉技术可应用于现代自动化生产线中，该技术获取产品图像的准确度非常高，能够根据设计要求分析和处理图像数据。机器视觉技术属于一种无接触式检测手段，在高精度制造中可发挥较大优势，弥补了传统人工操作存在的不足，极大地提高了生产效率，确保产品质量始终保持标准范围。另外，机器人引导系统也是机器视觉技术的重要功能。工业机器人执行复杂的装配与加工任务时，会从多角度分析被操作对象，待明确方位与状态后做出相应的调整，并结合机器视觉确定物体的具体位置进行下一步的调整工作，确保抓取、组装及处理任务的高效完成。采用该工艺后，自动化设备在执行任务时能够准确地完成操作，而且对生产条件的适应性较强，能够根据生产环境的变化灵活调整执行模式。

2.4 数控铣削

进行数控铣削需要数控铣床，包括机床本体、数控装置、刀具和夹具等组成部分，在进行数控铣削之前，需要进行工件和刀具的准备，工件通常是块状的金属或塑料材料，而刀具则根据加工需求选择不同类型的刀具，如立铣刀、球头铣刀等。程序编写通常采用 CAM（计算机辅助制造）软件进行，操作人员根据工件的几何形状和加工要求，通过 CAM 软件绘制出加工轨迹，并生成相应的 G 代码，G 代码包括加工路径、切削速度、进给速度等加工参数，是数控铣床实际操作的指令。操作人员将预先编写好的 G 代码输入数控铣床的数控装置中，并进行调试和确认，确认无误后，开始加工，数控铣床按照G 代码指令，通过控制伺服系统和主轴驱动系统，使刀具按照预定路径对工件进行切削。在数控铣削过程中，关键的加工参数包括切削速度、进给速度、切削深度和切削宽度等，切削速度是刀具在单位时间内切削掉工件的表面长度，通常用米 / 分钟（）表示；进给速度是刀具在单位时间内相对于工件的运动速度，通常用毫米 / 分钟（ mm/min ）表示。切削深度和切削宽度则决定了每次切削的量，需要根据工件材料和刀具类型进行合理选择。