1 引言
　　數(shù)控機(jī)床是高精高效的機(jī)床制造、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)三者結(jié)合的產(chǎn)物。隨著國(guó)外高檔數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的進(jìn)口和國(guó)外數(shù)控技術(shù)的引進(jìn)，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床制造得到快速發(fā)展。隨著機(jī)床結(jié)構(gòu)研究的突破、大量成熟功能部件的出現(xiàn)、生產(chǎn)效率及功能的不斷提高，數(shù)控磨床在市場(chǎng)需求引導(dǎo)下，以專(zhuān)用磨床為先導(dǎo)，逐步完成了從可編程控制器(PLC)為主的機(jī)電一體化產(chǎn)品向數(shù)控產(chǎn)品的方向發(fā)展。開(kāi)展數(shù)控專(zhuān)用磨床設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用已成為新的潮流。
　　2 新設(shè)計(jì)思路
　　傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是按單一機(jī)床應(yīng)具備的功能進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、總體布局設(shè)計(jì)：對(duì)各部件進(jìn)行原理設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)：制定工藝方案：設(shè)計(jì)、制造工裝夾具：進(jìn)行機(jī)床的試制。一種新產(chǎn)品或?qū)C(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期都在一年以上。
　　隨著功能模塊化設(shè)計(jì)思想的出現(xiàn)，典型的平臺(tái)(床身)部件、主軸部件、進(jìn)給部件、控制部件、(液壓、氣動(dòng)、機(jī)械)驅(qū)動(dòng)部件、支承定位部件、檢測(cè)部件的獨(dú)立化，機(jī)床設(shè)計(jì)從單一機(jī)床設(shè)計(jì)變?yōu)闄C(jī)床系列化設(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)一種系列產(chǎn)品，只進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、總體布局設(shè)計(jì)，選用典型部件，加上少量的零件設(shè)計(jì)，不用試制，即可成為新產(chǎn)品或商品。在保證制造周期的前提下，可大大壓縮設(shè)計(jì)周期。
　　模塊化進(jìn)一步發(fā)展，大量典型部件的社會(huì)化、標(biāo)準(zhǔn)化，各種各樣的功能部件出現(xiàn)，使我們的機(jī)床設(shè)計(jì)只在選用功能部件的狀況下開(kāi)展總體設(shè)計(jì)。作為機(jī)床制造廠，關(guān)鍵要設(shè)計(jì)出適應(yīng)性好的機(jī)床平臺(tái)，即：能安裝各種可采購(gòu)的功能部件，適應(yīng)各種加工功能，有很好的防護(hù)功能，能成為一件藝術(shù)品。
　　這就是簡(jiǎn)化、標(biāo)準(zhǔn)化、要素化、模塊化匯合的設(shè)計(jì)思想。按這個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路，能提供市場(chǎng)的產(chǎn)品要多樣化，以滿(mǎn)足各種不同用戶(hù)的需要。不久的將來(lái)，產(chǎn)品將按每個(gè)用戶(hù)的要求專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，完全相同的產(chǎn)品不復(fù)存在。按用戶(hù)要求生產(chǎn)專(zhuān)用性較強(qiáng)的數(shù)控機(jī)床已成為主流，專(zhuān)用化意味著減少多余的功能、降低產(chǎn)品成本。數(shù)控專(zhuān)用磨床正是依據(jù)這種新的思路開(kāi)展設(shè)計(jì)的。
　　3 用戶(hù)的成熟工藝是設(shè)計(jì)成功的保證
　　作為機(jī)床設(shè)計(jì)者，往往是站在制造者的立場(chǎng)，注重機(jī)床功能設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，而對(duì)機(jī)床如何使用或使用中會(huì)出現(xiàn)哪些問(wèn)題，在設(shè)計(jì)時(shí)不能充分給予考慮。這種設(shè)計(jì)方法往往不能一次取得成功，甚至可能是失敗的結(jié)局。因此，現(xiàn)代設(shè)計(jì)者，更要注重機(jī)床的應(yīng)用及應(yīng)用過(guò)程的一些經(jīng)驗(yàn)。
　　數(shù)控專(zhuān)用磨床在設(shè)計(jì)時(shí)有明顯的針對(duì)性。針對(duì)性的基礎(chǔ)就是用戶(hù)對(duì)工件加工工藝積累的一些經(jīng)驗(yàn)或國(guó)外專(zhuān)用機(jī)床新工藝的經(jīng)驗(yàn)啟示。在開(kāi)發(fā)時(shí)，我們到用戶(hù)廠進(jìn)行調(diào)研、實(shí)踐。了解工件的上、下料，支承(長(zhǎng)軸或異形軸零件的中心架支承)、裝夾、定位，磨削參數(shù)(包括：粗磨、精磨的余量、速度、光磨時(shí)間)、磨削順序，精度、粗糙度、效率，自動(dòng)測(cè)量功能的選用，砂輪材質(zhì)及參數(shù)，砂輪修整參數(shù)、頻率，冷卻液供給壓力及品種，工作溫度的適宜性，根據(jù)操作者的使用習(xí)慣，調(diào)整夾具的定位方式、機(jī)床的適宜性、加工精度及可制造性。
　　使用現(xiàn)有通用磨床加工的用戶(hù)，提出用數(shù)控機(jī)床替代時(shí)，在加工效率、加工精度、可靠性、安全性方面會(huì)有更高的要求。這時(shí)必須在現(xiàn)行成熟工藝基礎(chǔ)上，進(jìn)行新的配置，分析其可行性。使之一次設(shè)計(jì)制造就可商品化，真正用在生產(chǎn)線上。
　　4 通用磨床模塊化
　　數(shù)控專(zhuān)用磨床和通用型磨床都要完成相同的磨削功能。
　　在外圓磨削中，應(yīng)具有支承并帶動(dòng)工件回轉(zhuǎn)及往復(fù)運(yùn)動(dòng)的功能：應(yīng)具有砂輪高速回轉(zhuǎn)并能實(shí)現(xiàn)進(jìn)給位移的功能。這就是完成外圓磨削的基本功能，是產(chǎn)品存在的必要條件。將這些功能設(shè)計(jì)成工件頭架模塊(包括傳動(dòng)、主軸系、定位、驅(qū)動(dòng)等)、尾架模塊、工作臺(tái)模塊(包括驅(qū)動(dòng)、定位等)、砂輪架模塊(包括傳動(dòng)、主軸系、定位、防護(hù)、驅(qū)動(dòng)、進(jìn)給等)、磨削中心(可實(shí)現(xiàn)外圓、內(nèi)圓、端面、端面外圓的磨床)轉(zhuǎn)臺(tái)模塊以及砂輪修整模塊。這些模塊設(shè)置在一個(gè)床身平臺(tái)上，加上一些控制系統(tǒng)及輔助功能模塊，即可開(kāi)發(fā)出一臺(tái)通用磨床。這些模塊的特點(diǎn)是：
　　功能獨(dú)立化 模塊獨(dú)立，易于在統(tǒng)一平臺(tái)上拼組和搭配獨(dú)立性強(qiáng)的電氣、數(shù)顯、檢測(cè)、液壓和冷卻系統(tǒng)等模塊，構(gòu)成多種變型品種，實(shí)現(xiàn)不同加工精度、不同工作性能、不同自動(dòng)化程度及不同加工效率的機(jī)床。
　　基礎(chǔ)件功能化 基礎(chǔ)件是指機(jī)床的大件，如床身、工作臺(tái)、箱體和滑座等，它們大多使用鑄件或焊接件，毛坯準(zhǔn)備、加工周期長(zhǎng)，影響產(chǎn)品迅速發(fā)展。因此整個(gè)系列模塊化設(shè)計(jì)一般只采用以同類(lèi)大型零件為基礎(chǔ)，將之功能化，使機(jī)床能擴(kuò)大工作空間，適應(yīng)不同的機(jī)床外觀布局、造型及防護(hù)：使機(jī)床的規(guī)格、性能在保證剛度的前提下具有變化的可能性。一個(gè)磨床床身模塊，可適應(yīng)各種箱體、滑座的固定，派生萬(wàn)能型、端面外圓型、高效切入型或其它專(zhuān)用型機(jī)床。
　　適應(yīng)新技術(shù)應(yīng)用 目前新技術(shù)的應(yīng)用往往是以提高效率(高速化)、提高加工精度(納米級(jí))、自動(dòng)化程度(數(shù)控化)、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化為主要目的。只要在基礎(chǔ)件模塊或在箱體、滑座模塊中留有一定空間增設(shè)一些模塊就可實(shí)現(xiàn)。
　　功能部件社會(huì)化在模塊化思想的指導(dǎo)下各種功能部件，如驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、主軸系、導(dǎo)軌副、滾珠絲杠副、冷卻系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)等的獨(dú)立化、標(biāo)準(zhǔn)化及專(zhuān)業(yè)制造，促進(jìn)了模塊化設(shè)計(jì)法的發(fā)展。數(shù)控專(zhuān)用磨床的大量功能模塊來(lái)源于工廠自身的通用磨床模塊及可采購(gòu)的社會(huì)配套的功能部件。
　　5 主要設(shè)計(jì)點(diǎn)
　　工作臺(tái)面的布置設(shè)計(jì)
　　專(zhuān)用磨床是根據(jù)一些典型零件(如曲軸、凸輪軸、氣閥、左右曲柄、偏心軸、萬(wàn)向節(jié)、齒輪軸等)進(jìn)行高效率磨削。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，要在選擇的通用磨床的平臺(tái)(工作臺(tái))上，針對(duì)工件進(jìn)行磨削工藝分析，設(shè)置相應(yīng)的專(zhuān)用部分。這些部分包括：
　　工件上下料 較小的工件多采用自動(dòng)上下料。較大的工件由人工上料至輔助托架上，采用翻轉(zhuǎn)機(jī)械手將工件送出來(lái)，人工下料。
　　工件的支承 包括工件定位前的輔助托架及工件定位的頭、尾架頂尖支承，或頭架卡盤(pán)支承。配置相應(yīng)的輔助功能，如用潤(rùn)滑冷卻液注入頂尖孔，防止支承定位熱變形。
　　工件的驅(qū)動(dòng)及準(zhǔn)停 通過(guò)頭架主軸撥盤(pán)或裝在可回轉(zhuǎn)型的主軸卡盤(pán)上，驅(qū)動(dòng)工件回轉(zhuǎn)。對(duì)一些外圓異形的工件(曲軸、凸輪軸等)，在驅(qū)動(dòng)停止時(shí)，應(yīng)停在好裝卸的位置上，驅(qū)動(dòng)裝置就應(yīng)有準(zhǔn)停功能。
　　工件安裝識(shí)別 根據(jù)工件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)安放在輔助托架的軸向及徑向定位，通過(guò)光電或無(wú)觸點(diǎn)信號(hào)控制，防止人為安裝時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤。
　　工件的軸向定位 以工件某一肩面作為軸向定位基準(zhǔn)。通過(guò)工件軸向數(shù)控軸進(jìn)給，讓定位量?jī)x與工件定位肩面接觸發(fā)信，獲得數(shù)控坐標(biāo)軸編程的基點(diǎn)。對(duì)某些工件用自身肩面在安裝時(shí)就完成軸向定位，可不設(shè)置定位量?jī)x，以簡(jiǎn)化磨削工藝。但對(duì)前工序的定位肩面加工精度要相應(yīng)提高。
　　工件的自動(dòng)測(cè)量 對(duì)于微米級(jí)的磨削精度，一般都要配置工件在線自動(dòng)測(cè)量裝置。絕大部分的自動(dòng)測(cè)量安裝在臺(tái)面上，通過(guò)編程控制，卡入工件測(cè)量，發(fā)出粗、精、到尺寸的信號(hào)并退出工件。
　　工件的磨削冷卻 大多采用高壓、大流量、具有磁、紙過(guò)濾，甚至帶制冷裝置的冷卻系統(tǒng)。
　　砂輪相對(duì)工件的原點(diǎn) 砂輪不同于車(chē)、銑、鉆削的刀具，它極易損耗，外形尺寸在不斷變化。隨著砂輪尺寸變小，砂輪架位置不斷向前移動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮砂輪架移動(dòng)的極限位置，可能干涉的空間位置，可能進(jìn)行砂輪修整的位置。對(duì)一些一次切入可實(shí)現(xiàn)端面及外圓磨削的機(jī)床，砂輪相對(duì)工件傾斜30°角，砂輪架進(jìn)給方向移動(dòng)量與垂直方向移動(dòng)量有一個(gè)函數(shù)關(guān)系。因此，要求數(shù)控系統(tǒng)具有斜軸功能。
　　設(shè)置砂輪修整 砂輪修整裝置大多設(shè)置在工作臺(tái)面上或頭架上，以充分利用兩個(gè)進(jìn)給數(shù)控軸的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)砂輪外圓的成型修整。這樣，大大簡(jiǎn)化了機(jī)床結(jié)構(gòu)。目前薄型金剛石滾輪修整裝置的出現(xiàn)，可大大提高砂輪修整精度。

　　臺(tái)面布置設(shè)計(jì)示例圖
　　1.自動(dòng)測(cè)量?jī)x 2.準(zhǔn)停開(kāi)關(guān) 3.工件(左右曲柄) 4.頭架頂尖 5.撥塊 6.砂輪修整座 7.砂輪修整位置 8.砂輪原點(diǎn)位置 9.軸向定位器 10.砂輪工作位置 11.尾架頂尖 12.輔助托架 13.自動(dòng)測(cè)量?jī)x接頭 14.量?jī)x底座
　　臺(tái)面布置設(shè)計(jì)示例圖
　　臺(tái)面布置設(shè)計(jì)，就是以工件為核心，通過(guò)工藝分析將上述各種配置用現(xiàn)有的模塊、功能部件及少許的工藝件組合在一起的設(shè)計(jì)，見(jiàn)右圖。由于臺(tái)面安放裝置較多，設(shè)計(jì)時(shí)，一定要逐一準(zhǔn)確無(wú)誤地對(duì)裝置的安放、運(yùn)動(dòng)范圍、空間、人為的干涉度及工藝件的配置作出設(shè)計(jì)，直至能以此編輯出機(jī)床的磨削程序?yàn)橹鳌?br />　　造型設(shè)計(jì)
　　同其它數(shù)控機(jī)床一樣，數(shù)控專(zhuān)用磨床在造型設(shè)計(jì)(外觀設(shè)計(jì))上已成為與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法不同的關(guān)鍵部件。造型設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)就是機(jī)床外觀設(shè)計(jì)。它包括總體布局設(shè)計(jì)、防護(hù)設(shè)計(jì)、管線設(shè)計(jì)，同時(shí)三者又密切關(guān)聯(lián)。
　　總體布局設(shè)計(jì) 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床總體布局是給觀賞者的一個(gè)直觀感覺(jué)：美觀、勻稱(chēng)、線條流暢、色調(diào)明亮、立體性強(qiáng)、整體性強(qiáng)(機(jī)、電、液、氣一體化)：給使用者一個(gè)人性化適宜的感覺(jué)：機(jī)床操作簡(jiǎn)便，上下工件、調(diào)整、維護(hù)、故障排除方便。
　　由于普通機(jī)床上的大量的機(jī)械操作手輪在數(shù)控機(jī)床上均不存在，使用者只通過(guò)(手持)鍵盤(pán)上的電氣按鈕操作機(jī)床，因此可將機(jī)床與操作者隔離，全封閉起來(lái)。這是當(dāng)今數(shù)控機(jī)床的主要特點(diǎn)之一。
　　總體布局設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合設(shè)計(jì)，一種想象力的設(shè)計(jì)。它不同于一些原理性的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。現(xiàn)在大量機(jī)床外觀造型設(shè)計(jì)的軟件展示在我們面前。設(shè)計(jì)者可瀏覽大量不同類(lèi)型機(jī)床的外觀圖庫(kù)，并通過(guò)各部分的著色變化、各外觀模塊的位置調(diào)整，找到一個(gè)適宜機(jī)床總體外觀造型的效果圖。就好像一臺(tái)已做好的機(jī)床擺在我們面前去觀賞、評(píng)價(jià)，從中找出不足之處進(jìn)行改進(jìn)，使之一次研制成功。
　　對(duì)數(shù)控專(zhuān)用磨床而言，除滿(mǎn)足上述要求之外，還應(yīng)針對(duì)磨削工件的特殊性，以便于操作者上下工件、操作安全性為目標(biāo)考慮布局。而影響外觀布局設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分就是機(jī)床平臺(tái)(床身)的設(shè)計(jì)。
　　防護(hù)設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床的高速化、高自動(dòng)化、高壓驅(qū)動(dòng)、高壓冷卻，大量油、水、氣滲漏、飛濺，都給操作者、周?chē)h(huán)境帶來(lái)一些危險(xiǎn)感、污染感。因此，從現(xiàn)代安全防護(hù)的觀點(diǎn)出發(fā)，數(shù)控專(zhuān)用磨床與數(shù)控機(jī)床一樣，將機(jī)床加工區(qū)域、移動(dòng)部件、管線屏敝與操作者隔離，并設(shè)計(jì)成封閉型。這也是對(duì)機(jī)床總體造型提出的一項(xiàng)要求。防護(hù)設(shè)計(jì)不僅僅是一個(gè)全封閉的概念。為了安全操作，安全運(yùn)行，機(jī)床還需要設(shè)計(jì)大量的運(yùn)動(dòng)聯(lián)鎖裝置。如：開(kāi)門(mén)斷電，工件置換時(shí)砂輪的封閉，回收、凈化引起污染的廢液：在操作者最直觀的地方設(shè)置大量的警示標(biāo)志。
　　管線設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，需要用電、液、氣進(jìn)行控制及驅(qū)動(dòng)，再加上冷卻、制冷等，需連接大量的管線。如何處理好這些不同專(zhuān)業(yè)的管線是我們現(xiàn)代設(shè)計(jì)者要解決的問(wèn)題。
　　管線設(shè)計(jì)影響到機(jī)床的外觀、裝配、防護(hù)、維修、抗干擾、可檢查性。目前管線設(shè)計(jì)大多采用如下辦法：
　　機(jī)床全封閉設(shè)計(jì)是最好的解決辦法。可在防護(hù)罩內(nèi)高掛——屏敝，分管線或混管線處理，外觀整潔。
　　機(jī)電一體設(shè)計(jì)。電柜與機(jī)床平臺(tái)固定在一起，操作箱與電柜為一體或通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)走線筒將它們連在一起。充分利用平臺(tái)周邊的空間或周邊設(shè)計(jì)成槽型走線，既縮短了線路連接，又利于裝配檢查、維修。
　　液壓箱及液壓功能的集成、獨(dú)立化，并與機(jī)床平臺(tái)固定在一起，大大減少了管路連接。
　　冷卻箱及各種過(guò)濾功能、冷凝功能的集成、獨(dú)立，以減少管路。
　　在總體布局時(shí)，盡可能減少機(jī)床占地面積。如電氣柜、水箱占用上下空間。
　　6 結(jié)束語(yǔ)
　　數(shù)控專(zhuān)用磨床設(shè)計(jì)思路，是通過(guò)對(duì)用戶(hù)現(xiàn)行磨削工藝經(jīng)驗(yàn)的提練，制定可行的新磨削工藝，選用大量現(xiàn)行成熟的模塊部件及社會(huì)上的功能部件，重點(diǎn)是設(shè)計(jì)臺(tái)面的布局及造型。