1 引言
　　數(shù)控機床是高精高效的機床制造、微電子技術和計算機技術三者結合的產(chǎn)物。隨著國外高檔數(shù)控機床產(chǎn)品的進口和國外數(shù)控技術的引進，我國的數(shù)控機床制造得到快速發(fā)展。隨著機床結構研究的突破、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)控磨床在市場需求引導下，以專用磨床為先導，逐步完成了從可編程控制器(PLC)為主的機電一體化產(chǎn)品向數(shù)控產(chǎn)品的方向發(fā)展。開展數(shù)控專用磨床設計、制造、應用已成為新的潮流。
　　2 新設計思路
　　傳統(tǒng)的設計思想是按單一機床應具備的功能進行方案設計、總體布局設計：對各部件進行原理設計、機構設計、零件設計：制定工藝方案：設計、制造工裝夾具：進行機床的試制。一種新產(chǎn)品或專機產(chǎn)品開發(fā)周期都在一年以上。
　　隨著功能模塊化設計思想的出現(xiàn)，典型的平臺(床身)部件、主軸部件、進給部件、控制部件、(液壓、氣動、機械)驅動部件、支承定位部件、檢測部件的獨立化，機床設計從單一機床設計變?yōu)闄C床系列化設計。開發(fā)一種系列產(chǎn)品，只進行方案設計、總體布局設計，選用典型部件，加上少量的零件設計，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，可大大壓縮設計周期。
　　模塊化進一步發(fā)展，大量典型部件的社會化、標準化，各種各樣的功能部件出現(xiàn)，使我們的機床設計只在選用功能部件的狀況下開展總體設計。作為機床制造廠，關鍵要設計出適應性好的機床平臺，即：能安裝各種可采購的功能部件，適應各種加工功能，有很好的防護功能，能成為一件藝術品。
　　這就是簡化、標準化、要素化、模塊化匯合的設計思想。按這個產(chǎn)品設計思路，能提供市場的產(chǎn)品要多樣化，以滿足各種不同用戶的需要。不久的將來，產(chǎn)品將按每個用戶的要求專門設計，完全相同的產(chǎn)品不復存在。按用戶要求生產(chǎn)專用性較強的數(shù)控機床已成為主流，專用化意味著減少多余的功能、降低產(chǎn)品成本。數(shù)控專用磨床正是依據(jù)這種新的思路開展設計的。
　　3 用戶的成熟工藝是設計成功的保證
　　作為機床設計者，往往是站在制造者的立場，注重機床功能設計的實現(xiàn)，而對機床如何使用或使用中會出現(xiàn)哪些問題，在設計時不能充分給予考慮。這種設計方法往往不能一次取得成功，甚至可能是失敗的結局。因此，現(xiàn)代設計者，更要注重機床的應用及應用過程的一些經(jīng)驗。
　　數(shù)控專用磨床在設計時有明顯的針對性。針對性的基礎就是用戶對工件加工工藝積累的一些經(jīng)驗或國外專用機床新工藝的經(jīng)驗啟示。在開發(fā)時，我們到用戶廠進行調研、實踐。了解工件的上、下料，支承(長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、光磨時間)、磨削順序，精度、粗糙度、效率，自動測量功能的選用，砂輪材質及參數(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)操作者的使用習慣，調整夾具的定位方式、機床的適宜性、加工精度及可制造性。
　　使用現(xiàn)有通用磨床加工的用戶，提出用數(shù)控機床替代時，在加工效率、加工精度、可靠性、安全性方面會有更高的要求。這時必須在現(xiàn)行成熟工藝基礎上，進行新的配置，分析其可行性。使之一次設計制造就可商品化，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，應具有支承并帶動工件回轉及往復運動的功能：應具有砂輪高速回轉并能實現(xiàn)進給位移的功能。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。將這些功能設計成工件頭架模塊(包括傳動、主軸系、定位、驅動等)、尾架模塊、工作臺模塊(包括驅動、定位等)、砂輪架模塊(包括傳動、主軸系、定位、防護、驅動、進給等)、磨削中心(可實現(xiàn)外圓、內(nèi)圓、端面、端面外圓的磨床)轉臺模塊以及砂輪修整模塊。這些模塊設置在一個床身平臺上，加上一些控制系統(tǒng)及輔助功能模塊，即可開發(fā)出一臺通用磨床。這些模塊的特點是：
　　功能獨立化 模塊獨立，易于在統(tǒng)一平臺上拼組和搭配獨立性強的電氣、數(shù)顯、檢測、液壓和冷卻系統(tǒng)等模塊，構成多種變型品種，實現(xiàn)不同加工精度、不同工作性能、不同自動化程度及不同加工效率的機床。
　　基礎件功能化 基礎件是指機床的大件，如床身、工作臺、箱體和滑座等，它們大多使用鑄件或焊接件，毛坯準備、加工周期長，影響產(chǎn)品迅速發(fā)展。因此整個系列模塊化設計一般只采用以同類大型零件為基礎，將之功能化，使機床能擴大工作空間，適應不同的機床外觀布局、造型及防護：使機床的規(guī)格、性能在保證剛度的前提下具有變化的可能性。一個磨床床身模塊，可適應各種箱體、滑座的固定，派生萬能型、端面外圓型、高效切入型或其它專用型機床。
　　適應新技術應用 目前新技術的應用往往是以提高效率(高速化)、提高加工精度(納米級)、自動化程度(數(shù)控化)、柔性化、網(wǎng)絡化為主要目的。只要在基礎件模塊或在箱體、滑座模塊中留有一定空間增設一些模塊就可實現(xiàn)。
　　功能部件社會化在模塊化思想的指導下各種功能部件，如驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、主軸系、導軌副、滾珠絲杠副、冷卻系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)等的獨立化、標準化及專業(yè)制造，促進了模塊化設計法的發(fā)展。數(shù)控專用磨床的大量功能模塊來源于工廠自身的通用磨床模塊及可采購的社會配套的功能部件。
　　5 主要設計點
　　工作臺面的布置設計
　　專用磨床是根據(jù)一些典型零件(如曲軸、凸輪軸、氣閥、左右曲柄、偏心軸、萬向節(jié)、齒輪軸等)進行高效率磨削。因此，在設計時，要在選擇的通用磨床的平臺(工作臺)上，針對工件進行磨削工藝分析，設置相應的專用部分。這些部分包括：
　　工件上下料 較小的工件多采用自動上下料。較大的工件由人工上料至輔助托架上，采用翻轉機械手將工件送出來，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，或頭架卡盤支承。配置相應的輔助功能，如用潤滑冷卻液注入頂尖孔，防止支承定位熱變形。
　　工件的驅動及準停 通過頭架主軸撥盤或裝在可回轉型的主軸卡盤上，驅動工件回轉。對一些外圓異形的工件(曲軸、凸輪軸等)，在驅動停止時，應停在好裝卸的位置上，驅動裝置就應有準停功能。
　　工件安裝識別 根據(jù)工件的特點，設計安放在輔助托架的軸向及徑向定位，通過光電或無觸點信號控制，防止人為安裝時出現(xiàn)的錯誤。
　　工件的軸向定位 以工件某一肩面作為軸向定位基準。通過工件軸向數(shù)控軸進給，讓定位量儀與工件定位肩面接觸發(fā)信，獲得數(shù)控坐標軸編程的基點。對某些工件用自身肩面在安裝時就完成軸向定位，可不設置定位量儀，以簡化磨削工藝。但對前工序的定位肩面加工精度要相應提高。
　　工件的自動測量 對于微米級的磨削精度，一般都要配置工件在線自動測量裝置。絕大部分的自動測量安裝在臺面上，通過編程控制，卡入工件測量，發(fā)出粗、精、到尺寸的信號并退出工件。
　　工件的磨削冷卻 大多采用高壓、大流量、具有磁、紙過濾，甚至帶制冷裝置的冷卻系統(tǒng)。
　　砂輪相對工件的原點 砂輪不同于車、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。設計時，要考慮砂輪架移動的極限位置，可能干涉的空間位置，可能進行砂輪修整的位置。對一些一次切入可實現(xiàn)端面及外圓磨削的機床，砂輪相對工件傾斜30°角，砂輪架進給方向移動量與垂直方向移動量有一個函數(shù)關系。因此，要求數(shù)控系統(tǒng)具有斜軸功能。
　　設置砂輪修整 砂輪修整裝置大多設置在工作臺面上或頭架上，以充分利用兩個進給數(shù)控軸的運動實現(xiàn)砂輪外圓的成型修整。這樣，大大簡化了機床結構。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。

　　臺面布置設計示例圖
　　1.自動測量儀 2.準停開關 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.自動測量儀接頭 14.量儀底座
　　臺面布置設計示例圖
　　臺面布置設計，就是以工件為核心，通過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計，見右圖。由于臺面安放裝置較多，設計時，一定要逐一準確無誤地對裝置的安放、運動范圍、空間、人為的干涉度及工藝件的配置作出設計，直至能以此編輯出機床的磨削程序為主。
　　造型設計
　　同其它數(shù)控機床一樣，數(shù)控專用磨床在造型設計(外觀設計)上已成為與傳統(tǒng)設計法不同的關鍵部件。造型設計實質就是機床外觀設計。它包括總體布局設計、防護設計、管線設計，同時三者又密切關聯(lián)。
　　總體布局設計 現(xiàn)代數(shù)控機床總體布局是給觀賞者的一個直觀感覺：美觀、勻稱、線條流暢、色調明亮、立體性強、整體性強(機、電、液、氣一體化)：給使用者一個人性化適宜的感覺：機床操作簡便，上下工件、調整、維護、故障排除方便。
　　由于普通機床上的大量的機械操作手輪在數(shù)控機床上均不存在，使用者只通過(手持)鍵盤上的電氣按鈕操作機床，因此可將機床與操作者隔離，全封閉起來。這是當今數(shù)控機床的主要特點之一。
　　總體布局設計是一項綜合設計，一種想象力的設計。它不同于一些原理性的設計、結構設計。現(xiàn)在大量機床外觀造型設計的軟件展示在我們面前。設計者可瀏覽大量不同類型機床的外觀圖庫，并通過各部分的著色變化、各外觀模塊的位置調整，找到一個適宜機床總體外觀造型的效果圖。就好像一臺已做好的機床擺在我們面前去觀賞、評價，從中找出不足之處進行改進，使之一次研制成功。
　　對數(shù)控專用磨床而言，除滿足上述要求之外，還應針對磨削工件的特殊性，以便于操作者上下工件、操作安全性為目標考慮布局。而影響外觀布局設計的關鍵部分就是機床平臺(床身)的設計。
　　防護設計 數(shù)控機床的高速化、高自動化、高壓驅動、高壓冷卻，大量油、水、氣滲漏、飛濺，都給操作者、周圍環(huán)境帶來一些危險感、污染感。因此，從現(xiàn)代安全防護的觀點出發(fā)，數(shù)控專用磨床與數(shù)控機床一樣，將機床加工區(qū)域、移動部件、管線屏敝與操作者隔離，并設計成封閉型。這也是對機床總體造型提出的一項要求。防護設計不僅僅是一個全封閉的概念。為了安全操作，安全運行，機床還需要設計大量的運動聯(lián)鎖裝置。如：開門斷電，工件置換時砂輪的封閉，回收、凈化引起污染的廢液：在操作者最直觀的地方設置大量的警示標志。
　　管線設計 數(shù)控機床簡化了機械傳動結構，需要用電、液、氣進行控制及驅動，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業(yè)的管線是我們現(xiàn)代設計者要解決的問題。
　　管線設計影響到機床的外觀、裝配、防護、維修、抗干擾、可檢查性。目前管線設計大多采用如下辦法：
　　機床全封閉設計是最好的解決辦法。可在防護罩內(nèi)高掛——屏敝，分管線或混管線處理，外觀整潔。
　　機電一體設計。電柜與機床平臺固定在一起，操作箱與電柜為一體或通過標準走線筒將它們連在一起。充分利用平臺周邊的空間或周邊設計成槽型走線，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、獨立化，并與機床平臺固定在一起，大大減少了管路連接。
　　冷卻箱及各種過濾功能、冷凝功能的集成、獨立，以減少管路。
　　在總體布局時，盡可能減少機床占地面積。如電氣柜、水箱占用上下空間。
　　6 結束語
　　數(shù)控專用磨床設計思路，是通過對用戶現(xiàn)行磨削工藝經(jīng)驗的提練，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上的功能部件，重點是設計臺面的布局及造型。