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我國數控車床的現狀和發展趨勢
作者：寶雞機床廠科技處 師鴻飛 鄒翠波 張彩虹 轉自：《CAD/CAM與製造業信息化》
數控機床是集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術為一體的機電一體化產品。是機械製造設備中具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優點的工作母機。數控機床的技術水平高低及其在金屬切削加工機床產量和總擁有量的百分比是衡量一個國家國民經濟發展和工業製造整體水平的重要標志之一。數控車床是數控機床的主要品種之一，它在數控機床中佔有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視並得到了迅速的發展。
我國數控車床從20世紀70年代初進入市場，至今通過各大機床廠家的不懈努力，通過採取與國外著名機床廠家的合作、合資、技術引進、樣機消化吸收等措施，使得我國的機床製造水平有了很大的提高，其產量在金屬切削機床中佔有較大的比例。目前，國產數控車床的品種、規格較為齊全，質量基本穩定可靠，已進入實用和全面發展階段。
根據不同的市場定位和需求，數控車床可分為經濟型數控車床和全功能型數控車床。下面結合寶雞機床廠數十年研製和生產數控車床的經驗和實踐，談談我國數控車床在結構方面的現狀及今後數控車床的整體發展趨勢。
一、數控車床的現狀
1. 床身和導軌
(1)床身
機床的床身是整個機床的基礎支承件，是機床的主體，一般用來放置導軌、主軸箱等重要部件。床身的結構對機床的布局有很大的影響。按照床身導軌面與水平面的相對位置，床身有圖1所示的5種布局形式。一般來說，中、小規格的數控車床採用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型數控車床或小型精密數控車床才採用平床身，立床身採用的較少。平床身工藝性好，易於加工製造。由於刀架水平放置，對提高刀架的運動精度有好處，但床身下部空間小，排屑困難；刀架橫滑板較長，加大了機床的寬度尺寸，影響外觀。平床身斜滑板結構，再配置上傾斜的導軌防護罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優點，床身寬度也不會太
大。斜床身和平床身斜滑板結構在現代數控車床中被廣泛應用，是因為這種布局形式具有以下特點：
☆ 容易實現機電一體化；
☆ 機床外形整齊、美觀，佔地面積小；
☆ 容易設置封閉式防護裝置；
☆ 容易排屑和安裝自動排屑器；
☆ 從工件上切下的熾熱切屑不至於堆積在導軌上影響導軌精度；
☆ 宜人性好，便於操作；
☆ 便於安裝機械手，實現單機自動化。
例如，寶雞機床廠設計生產的CJK6140H系列簡式數控車床採用的是平床身平滑板結構；CK75系列全功能數控車床採用的是後斜床身斜滑板結構。而我們剛剛研製開發完成的CK535D全功能數控倒置立式車床，採用的是直立床身直立滑板結構。該機床採用大功率內藏式電主軸結構，主軸可沿X和Z軸移動，以實現自動上下料功能。該機床配置有自動回轉料庫，從而實現單機自動化，同時該機床也很容易被加入生產線。
a)後斜床身-斜滑板 b)直立床身-直立滑板

c)平床身-平滑板 d)前斜床身-平滑板

e)平床身-斜滑板

圖1 床身布局
(2)導軌
車床的導軌可分為滑動導軌和滾動導軌兩種。
滑動導軌具有結構簡單、製造方便、接觸剛度大等優點。但傳統滑動導軌摩擦阻力大，磨損快，動、靜摩擦系數差別大，低速時易產生爬行現象。目前，數控車床已不採用傳統滑動導軌，而是採用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動導軌和新型塑料滑動導軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長等特點。
導軌剛度的大小、製造是否簡單、能否調整、摩擦損耗是否最小以及能否保持導軌的初始精度，在很大程度上取決於導軌的橫截面形狀。車床滑動導軌的橫截面形狀常採用山形截面和矩形截面。山形截面，如圖2(a)所示。這種截面導軌導向精度高，導軌磨損後靠自重下沉自動補償。下導軌用凸形有利於排污物，但不易保存油液。矩形動變速。而全功能數控車床的主傳動系統大多採用無級變速。目前，無級變速系統主要有變頻主軸系統和伺服主軸系統兩種，一般採用直流或交流主軸電機，通過帶傳動帶動主軸旋轉，或通過帶傳動和主軸箱內的減速齒輪(以獲得更大的轉矩)帶動主軸旋轉。由於主軸電機調速范圍廣，又可無級調速，使得主軸箱的結構大為簡化。主軸電機在額定轉速時可輸出全部功率和最大轉矩。
3. 刀架系統
數控車床的刀架是機床的重要組成部分。刀架用於夾持切削用的刀具，因此其結構直接影響機床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的結構和性能體現了機床的設計和製造技術水平。隨著數控車床的不斷發展，刀具結構形式也在不斷翻新。
刀架是直接完成切削加工的執行部件，所以，刀架在結構上必須具有良好的強度和剛度，以承受粗加工時的切削抗力。由於切削加工精度在很大程度上取決於刀尖位置，所以要求數控車床選擇可靠的定位方案和合理的定位結構，以保證有較高的重復定位精度。此外，刀架的設計還應滿足換刀時間短、結構緊湊和安全可靠等要求。
按換刀方式的不同，數控車床的刀架系統主要有回轉刀架、排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式。
(1) 排式刀架
排式刀架一般用於小規格數控車床，以加工棒料或盤類零件為主。它的結構形式為，夾持著各種不同用途刀具的刀夾沿著機床的X坐標軸方向排列在橫向滑板上。刀具的典型布置方式如圖4所示。這種刀架在刀具布置和機床調整等方面都較為方便，可以根據具體工件的車削工藝要求，任意組合各種不同用途的刀具，一把刀具完成車削任務後，橫向滑板只要按程序沿X軸移動預先設定的距離後，第二把刀就到達加工位置，這樣就完成了機床的換刀動作。這種換刀方式迅速省時，有利於提高機床的生產效率。寶雞機床廠生產的CK7620P全功能數控車床配置的就是排式刀架。
圖4 排式刀架
(2) 回轉刀架
回轉刀架是數控車床最常用的一種典型換刀刀架，通過刀架的旋轉分度定位來實現機床的自動換刀動作，根據加工要求可設計成四方、六方刀架或圓盤式刀架，並相應地安裝4把、6把或更多的刀架。回轉刀架的換刀動作可分為刀架抬起、刀架轉位和刀架鎖緊等幾個步驟。它的動作是由數控系統發出指令完成的。回轉刀架根據刀架回轉軸與安裝底面的相對位置，分為立式刀架和卧式刀架兩種。寶雞機床廠生產的CJK6140H系列簡式數控車床配置的是四工位立式刀架或六工位卧式刀架，CK75系列全功能數控車床配置的是8工位或12工位卧式刀架，如圖5所示。
圖5 卧式回轉刀架
(3) 帶刀庫的自動換刀裝置
上述排刀式刀架和回轉刀架所安裝的刀具都不可能太多，即使是裝備兩個刀架，對刀具的數目也有一定限制。當由於某種原因需要數量較多的刀具時，應採用帶刀庫的自動換刀裝置。帶刀庫的自動換刀裝置由刀庫和刀具交換機構組成。
4. 進給傳動系統
數控車床的進給傳動系統一般均採用進給伺服系統。這也是數控車床區別於普通車床的一個特殊部分。
數控車床的伺服系統一般由驅動控制單元、驅動元件、機械傳動部件、執行件和檢測反饋環節等組成。驅動控制單元和驅動元件組成伺服驅動系統。機械傳動部件和執行元件組成機械傳動系統。檢測元件與反饋電路組成檢測系統。
進給伺服系統按其控制方式不同可分為開環系統和閉環系統。閉環控制方式通常是具有位置反饋的伺服系統。根據位置檢測裝置所在位置的不同，閉環系統又分為半閉環系統和全閉環系統。半閉環系統具有將位置檢測裝置裝在絲杠端頭和裝在電機軸端兩種類型。前者把絲杠包括在位置環內，後者則完全置機械傳動部件於位置環之外。全閉環系統的位置檢測裝置安裝在工作台上，機械傳動部件整個被包括在位置環之內。
開環系統的定位精度比閉環系統低，但它結構簡單、工作可靠、造價低廉。由於影響定位精度的機械傳動裝置的磨損、慣性及間隙的存在，故開環系統的精度和快速性較差。
全閉環系統控制精度高、快速性能好，但由於機械傳動部件在控制環內，所以系統的動態性能不僅取決於驅動裝置的結構和參數，而且還與機械傳動部件的剛度、阻尼特性、慣性、間隙和磨損等因素有很大關系，故必須對機電部件的結構參數進行綜合考慮才能滿足系統的要求。因此全閉環系統對機床的要求比較高，且造價也較昂貴。閉環系統中採用的位置檢測裝置有：脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。
數控車床的進給伺服系統中常用的驅動裝置是伺服電機。伺服電機有直流伺服電機和交流伺服電機之分。交流伺服電機由於具有可靠性高、基本上不需要

維護和造價低等特點而被廣泛採用。
二、數控車床發展趨勢
數控技術的應用不但給傳統製造業帶來了革命性的變化，使製造業成為工業化的象徵，而且隨著數控技術的不斷發展和應用領域的擴大，它對國計民生的一些重要行業(IT、汽車、輕工、醫療等)的發展起著越來越重要的作用，因為這些行業所需裝備的數字化已是現代發展的大趨勢。當前數控車床呈現以下發展趨勢。
1. 高速、高精密化
高速、精密是機床發展永恆的目標。隨著科學技術突飛猛進的發展，機電產品更新換代速度加快，對零件加工的精度和表面質量的要求也愈來愈高。為滿足這個復雜多變市場的需求，當前機床正向高速切削、干切削和准干切削方向發展，加工精度也在不斷地提高。另一方面，電主軸和直線電機的成功應用，陶瓷滾珠軸承、高精度大導程空心內冷和滾珠螺母強冷的低溫高速滾珠絲杠副及帶滾珠保持器的直線導軌副等機床功能部件的面市，也為機床向高速、精密發展創造了條件。
數控車床採用電主軸，取消了皮帶、帶輪和齒輪等環節，大大減少了主傳動的轉動慣量，提高了主軸動態響應速度和工作精度，徹底解決了主軸高速運轉時皮帶和帶輪等傳動的振動和雜訊問題。採用電主軸結構可使主軸轉速達到10000r/min以上。
直線電機驅動速度高，加減速特性好，有優越的響應特性和跟隨精度。用直線電機作伺服驅動，省去了滾珠絲杠這一中間傳動環節，消除了傳動間隙(包括反向間隙)，運動慣量小，系統剛性好，在高速下能精密定位，從而極大地提高了伺服精度。
直線滾動導軌副，由於其具有各向間隙為零和非常小的滾動摩擦，磨損小，發熱可忽略不計，有非常好的熱穩定性，提高了全程的定位精度和重復定位精度。
通過直線電機和直線滾動導軌副的應用，可使機床的快速移動速度由目前的10～20m/mim提高到60～80m/min，甚至高達120m/min。
2. 高可靠性
數控機床的可靠性是數控機床產品質量的一項關鍵性指標。數控機床能否發揮其高性能、高精度和高效率，並獲得良好的效益，關鍵取決於其可靠性的高低。
3. 數控車床設計CAD化、結構設計模塊化
隨著計算機應用的普及及軟體技術的發展，CAD技術得到了廣泛發展。CAD不僅可以替代人工完成繁瑣的繪圖工作，更重要的是可以進行設計方案選擇和大件整機的靜、動態特性分析、計算、預測及優化設計，可以對整機各工作部件進行動態模擬模擬。在模塊化的基礎上在設計階段就可以看出產品的三維幾何模型和逼真的色彩。採用CAD，還可以大大提高工作效率，提高設計的一次成功率，從而縮短試制周期，降 低設計成本，提高市場競爭能力。
通過對機床部件進行模塊化設計，不僅能減少重復性勞動，而且可以快速響應市場，縮短產品開發設計周期。
4. 功能復合化
功能復合化的目的是進一步提高機床的生產效率，使用於非加工輔助時間減至最少。通過功能的復合化，可以擴大機床的使用范圍、提高效率，實現一機多用、一機多能，即一台數控車床既可以實現車削功能，也可以實現銑削加工；或在以銑為主的機床上也可以實現磨削加工。寶雞機床廠已經研製成功的CX25Y數控車銑復合中心，該機床同時具有X、Z軸以及C軸和Y軸。通過C軸和Y軸，可以實現平面銑削和偏孔、槽的加工。該機床還配置有強動力刀架和副主軸。副主軸採用內藏式電主軸結構，通過數控系統可直接實現主、副主軸轉速同步。該機床工件一次裝夾即可完成全部加工，極大地提高了效率。
5. 智能化、網路化、柔性化和集成化
21世紀的數控裝備將是具有一定智能化的系統。智能化的內容包括在數控系統中的各個方面：為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如加工過程的自適應控制，工藝參數自動生成；為提高驅動性能及使用連接方面的智能化，如前饋控制、電機參數的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監控等方面的內容，以方便系統的診斷及維修等。
網路化數控裝備是近年來機床發展的一個熱點。數控裝備的網路化將極大地滿足生產線、製造系統、製造企業對信息集成的需求，也是實現新的製造模式，如敏捷製造、虛擬企業、全球製造的基礎單元。
數控機床向柔性自動化系統發展的趨勢是：從點(數控單機、加工中心和數控復合加工機床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨立製造島、FA)、體(CIMS、分布式網路集成製造系統)的方向發展，另一方面向注重應用性和經濟性方向發展。柔性自動化技術是製造業適應動態市場需求及產品迅速更新的主要手段，是各國製造業發展的主流趨勢，是先進製造領域的基礎技術。其重點是以提高系統的可靠性、實用化為前提，以易於聯網和集成為目標，注重加強單元技術的開拓和完善。CNC單機向高精度、高速度和高柔性方向發展。數控機床及其構成柔性製造系統能方便地與CAD、CAM、CAPP及MTS等聯結，向信息集成方向發展。網路系統向開放、集成和智能化方向發展。