数控机床的选用.

数控机床的选用

摘要：数控机床是用数字信息进行控制的机床。它用数字代码将刀具相对工件移动的轨迹、速度等信息记录在程序介质上，送入数控系统，然后经过译码和运算，控制机床刀具与工件的相对运动，加工出所需要的工件。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。加工制造企业的效益来自于所有设备的效益，因此，正确的选用、安装、调试和验收能否达到预期效果，直接关系到数控机床投入使用后能否实现机床的技术性能指标和使用功能水准。相比较而言，普通型数控机床的的选用要简单，中、高档数控机床的选用则难度较大，其主要原因是数控系统的调试比较复杂。

关键词：数控机床选用效益

Abstract

NC machine tools is controlled by digital information.It uses digital code relative to the cutting tool workpiece moving track, speed and other information recording medium in a program, into numerical control system,then after decoding and operations, control the relative motion of the machine tool and the workpiece, work out the required artifacts.Technical level of the NC machine tools and metal cutting machine tool production and the percentage of the total ownership is to measure a country's economic development and an important symbol of the overall level of industrial manufacturing.Processing and manufacturing enterprise benefit from all the equipment efficiency, therefore, the correct selection, installation, debugging and acceptance can achieve the desired effect, and put into use nc machine tool is directly related to the realization of machine tool of the technical performance indicators and functional level.In comparison, simple, ordinary numerical control machine tool selection of medium and high-grade CNC machine tool selection is difficult, the main reason is the numerical control system debugging is more complex.

Keywords NC machine Selection Effectiveness

1 引言

目前，我国已能生产各种各样的数控机床，而且其中许多机床在技术性能上已经比较完善。用户如何合理的利用有限的资金，选用适合本单位的机床；如何从品种繁多、价格昂贵的设备中选择适用的设备；如何使这些设备在机械制造中发挥作用；如何正确、合理的选购与主机相配套的附件及软件技术，这些都是十分重要的问题。

1．1 数控机床的分类

数控机床可以根据不同的方法进行分类，常用的有按数控机床工艺用途分类、按数控机床运动轨迹分类、按进给伺服系统控制方式分类、按数控系统的功能水平分类等。

1.1.1 按数控机床工艺用途分类

表1-1 按数控机床工艺用途分类

序号分类名称

1 数控车床数控卧式车床、数控立式车床、车削中心

2 数控铣镗床数控卧式铣镗床、数控立式铣镗床、其他数控铣镗床

3 加工中心卧式加工中心、立式加工中心、立卧式加工中心等

4 数控磨床数控平面磨床、外圆磨床、轮廓磨床、工具磨床、坐标磨床

5 数控钻床数控滑座式钻床、龙门式钻床、立式铣钻床、铣钻加工中心

6 数控特种机床数控电火花机床、线切割机床、激光切割机床

7 数控组合机床数控多加工位组合机床

8 数控专用机床数控齿轮机床、曲轴机床、管子加工机床、活塞车床等

9 数控机床生产线活塞生产线、柔性生产线

10 其他数控冲床、超声波加工机床、三坐标测量机床等

1.1.2 按数控机床运动轨迹分类

数控机床运动轨迹主要有点位控制运动、直线控制运动和轮廓控制运动三种

形式。

（1）点位控制数控机床

点位控制方式就是刀具与工件相对运动时，只控制从一点运动到另一点的准确性，而不考虑两点之间的运动路径和方向。即刀具在相对工件移动过程中不进行切削加工。多应用于数控钻床、数控冲床、数控坐标镗床和数控点焊机等。

（2）直线控制数控机床

直线控制数控机床的特点是不仅要控制从起点到终点的准确定位，而且保证在两点之间的运动轨迹是一条平行机床坐标轴的直线，或两轴同时移动，形成与坐标轴有一定角度的斜线。直线控制数控机床虽然比点位控制数控机床工艺范围广，但在使用中仍受到很大限制。这类数控机床主要有经济型数控车床、数控镗铣床和加工中心等。

（3）轮廓控制数控机床

轮廓控制运动也称为连续控制运动，指刀具或工作台按工件的轮廓轨迹运动，运动轨迹为任意方向的直线、圆弧、抛物线或其他函数关系的曲线。采用这种控制方式的数控机床有数控车床、数控铣床和加工中心等。

1.1.3 按进给伺服系统控制方式分类

按进给伺服系统控制方式，数控机床可分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。

（1）开环控制系统

开环控制系统驱动部分采用步进电动机，无位置测量元件，输入数据经过数控系统运算，输出指令脉冲控制步进电动机工作，如下图所示。开环控制系统的设备成本低，调试简单，但控制精度低，工作速度受到步进电动机的限制，目前广泛应用于经济型数控机床。

图1-1 开环控制系统

（2）闭环控制系统

闭环控制系统测量元件安装在工作台上，将测出工作台的实际位移值反馈给数控装置。位置比较电路将测量元件反馈的工作台实际位移值与指令的理论位移值相比较，用比较的误差值控制伺服电动机工作，直至达到实际位置，误差值消除。闭环控制系统的控制精度高，但要求机床的刚度好，对机床的加工、装配要求高，调试较复杂，设备成本高。

图1-2 闭环控制系统

（3）半闭环控制系统

半闭环控制系统不是直接检测工作台的位移量，而是采用转角位移检测元件，测出伺服电动机或丝杠的转角，推算出工作台的实际位移量，反馈到计算机中进行位置比较，用比较的差值进行控制。半闭环控制精度较闭环控制的精度差，但稳定性好，成本较低，调试维修较容易，兼顾了开环控制和闭环控制的特点，因此应用比较普遍。

图1-3 半闭环控制系统

1.1.4 按数控系统的功能水平分类

（1）经济型数控机床

经济型数控机床结构简单，精度中等，价格较低，仅能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件。

（2）普及型数控机床

普及型数控机床具有人机对话功能，应用较广，价格适中，通常称为全功能数控机床。

（3）高级型数控机床

高级型数控机床是指加工复杂形状、多轴控制、工序集中、自动化程度高、柔性度高的机床。

2 数控机床的选择

使用要求不同，选用的侧重点也不同，具体选用依据如下：

（1）多品种中小批量轮番生产宜选用数控机床。

（2）根据被加工零件的特点选用数控机床的类型。

2.1 数控系统的选择

数控系统的种类规格极其繁多。为了能使数控系统与所需机床匹配，在选择

数控系统时，应遵循以下几条基本原则：

（1）根据数控机床类型选择相应的数控系统。

（2）根据数控机床的设计指标选择数控系统。

（3）根据数控机床的性能选择数控系统功能。

（4）根据加工精度的需要选择数控系统。

（5）订购数控系统时要考虑周全。

2.2 确定典型加工工件

选购数控机床首先必须确定用户所要加工的典型工件。每一种机床的性能只适应于一定的适用范围，只有在满足工件加工的条件俠，数控机床才能发挥最佳效果。对每一类数控机床都有其最佳加工的典型零件，适于加工和不适于加工是相对比较而言，评价的标准不仅仅是该机床能否加工出这些零件，而要综合考虑生产效率和加工精度等因素。

用户应当确定哪些工件的哪些工序准备用数控机床来完成，然后采用成组技术把这些工件进行归类。确定比较满意的典型工件后，再来选择适合加工的数控机床。每一种数控机床都有其特定加工的典型工件，具体如下：卧式加工中心适用于加工箱体零件——箱体、泵体、阀体和壳体等。

立式加工中心适用于加工板类零件——箱体、盖体、壳体和平面凸轮等平面曲线工件。

若在立式加工中心上加工复杂箱体，则工件的多面加工需要使用夹具和倒换工艺基准，这就会降低生产效率和加工精度。

若在卧式加工中心上加工平面曲线工件，则需要增加弯板夹具，会降低工件加工时的刚度，加工中心也不能充分发挥其效益。

同规格的机床，一般卧式加工中心的价格要比立式加工中心的高80%～100%，但是它适应的零件类型比较多，工艺性比较广泛，因此使用比例较高，占有率较大。

2.3 数控机床规格的选择

一般来说，数控机床的规格应根据确定的典型零件来选择。

（1）数控机床的主要规格选择反映在数控坐标的行程和主轴电动机功率方面。数控坐标的行程范围反映数控机床能容纳工件的大小和加工空间；主轴电动机功率反映机床的切削能力，即生产率。对加工中心、数控铣床和镗床，其三个基本曲线坐标反映机床允许的加工空间，一般情况下加工工件的轮廓尺寸应在机床的加工空间范围以内。如典型零件350mm×350mm的箱体，那么选取工作台面尺寸为400mm×400mm的加工中心，选用工作台面比典型零件稍大一些是考虑到安装夹具所需的空间。

数控车床和车削中心的X轴行程反映机床最大能加工工件的半径尺寸，Z轴行程反映能车削棒料的长度。车床上配置的动力卡盘受到允许夹持的最大工件、夹持力矩、通过主轴孔上料的工件最大直径等的限制。

（2）数控机床主轴电动机功率反映了机床对金属切削加工的能力，也从另一个侧面反映机床在切削时的刚性，在一些数控铣床和加工中心，主轴电动机每千瓦功率对应20～30cm3金属切除率（一般指中低碳钢）。数控机床中主轴电动机一般都采用可控大功率的直流或交流调速电动机，现代调速电动机有很好的调速性能，一般都能达到1：100以上的自动调速范围。所以主传动系统中机械变速齿轮大大减少，有的数控机床甚至主轴直接由电动机带动或主轴上安装主轴电动机。

随着市场需求的多样化，数控机床的产品中出现了不少高速轻载型、精密型等机型，即使同样大小规格的机床主轴电动机，其功率也相差较大。

总之，根据所加工的典型零件、加工余量大小、要求的切削能力、要求达到的加工精度、能配置什么样的刀具等因素综合考虑选择机床。

（3）对于特殊工件仅靠数控机床的基本直线坐标不能满足加工要求（车床是X、Z两轴、铣床和加工中心是X、Y、Z三轴），则应另外增加回转坐标（A、B、C）或附加坐标（U、V、W）等。目前国产数控机床已可实现五轴控制。增加坐标数的机床成本也相应有很大增加，所以对要求加工的典型零件族中，如果只有

个别零件有着少量加工内容要求，也可采用配置附件来满足要求。例如，立卧两用万能铣头、带转角的数控刀柄等。

2.4 机床精度的选择

影响零件加工精度的因素很多，但主要有两个，即机床因素和工艺因素。在一般情况下，零件的加工精度主要取决于机床。在机床因素中，主要有主轴回转精度、导轨导向精度、各坐标轴间的相互位置精度、机床的热变形特性等。国产加工中心按精度可分为普通型和精密型两种。加工中心的精度项目很多，关键项目如下表所示：

表2-1 机床精度关键项目

项目精度普通型精密型单轴定位精度/mm ±0.01/300或全长±0.005或全长

重复定位精度/mm ±0.006 ±0.003

铣圆加工精度/mm 0.003～0.05 0.02

数控机床的其他精度与表中所列数据都有一定的对应关系。

（1）定位精度和重复定位精度综合反映了该轴各运动元部件的综合精度。尤其是重复定位精度，它反映了该控制轴在行程内任意定位点的定位稳定性。这是衡量该控制轴能否稳定可靠工作的基本指标。选择机床精度时要特别着眼于机床的重复定位精度。目前的数控系统软件功能比较丰富，一般都具有控制轴的螺距误差补偿功能和反向间隙补偿功能，能对进给传动链上各环节误差进行稳定的补偿。

（2）铣圆精度是综合评价数控机床有关数控轴的伺服跟随运动特性和数控系统插补功能的指标。由于数控机床具有圆弧插补功能，所以可以采用铣削方式，加工大直径圆弧曲线。测定数控机床铣圆精度的方法是用一把精加工立铣刀铣削一个标准圆柱试件；中小型机床圆柱试件的直径一般在Φ200～Φ300mm左右。将标准圆柱试件放到圆度仪上，测出加工圆柱的轮廓线，取其最大包络圆和最小包络圆，两者间的半径差即为其精度。

表2-1中所列的单轴定位精度是指在该轴行程内任意一个点定位时的误差范

围。它反映了在数控装置控制下通过伺服执行机构运动时，在这个指定点的周围一组随机分散的点群定位误差分散范围。在整个行程内一连串定位点的定位误差包络线构成了全行程定位误差范围，也就确定了定位误差，定位误差曲线如下图所示：

图2-1 定位误差曲线

（3）从机床的定位精度可估算出该机床在加工时的相关加工精度。例如刀具在坐标轴方向移动时加工相邻两孔，孔距精度约为单轴定位精度的1.5～2倍。因此，普通型加工中心可以批量加工出8级精度零件，精密型加工中心可以批量加工出6～7级精度零件。这些都是选择数控机床的一些基本参考因素。工件加工精度除了受数控机床精度的影响外，还与采用的工艺措施有关。

（4）数控机床的定位精度是数控机床最主要的精度项目，对于几何精度和切削精度，都和定位精度有一定对应关系。定位精度和重复定位精度综合反映了该轴各运动部件的综合精度。尤其是重复定位精度，它反映了机床在该控制轴行程内任意定位点的定位稳定性。这是衡量该控制轴能否稳定可靠工作的基本指标。

2.5 自动换刀装置的选择

自动换刀装置（ATC）的工作质量直接影响到数控机床投入使用的质量，ATC 的主要质量指标为换刀时间和故障率。据统计，加工中心有50%以上的故障与ATC 的状况有关。通常对ATC的投资占整机投资的30%～50%，为了降低总投资，在满足使用需要的前提下，尽量选用结构简单和可靠性高的ATC。

根据典型零件在一次装夹中所需要的刀具数来确定刀库容量。即使是大型加工中心的刀库容量也不宜选得太大，因为刀库容量越大，结构越复杂，整理量也越大，受到人为差错影响的机会增多，刀具管理相应复杂化，会使成本和故障率提高。同一型号的加工中心通常预设2～3种不同容量的刀库。例如，卧式加工中心的刀库容量有30把、40把、60把、80把等，立式加工中心的刀库容量有16把、20把、24把、32把等。在卧式加工中心上一般选用40把左右刀具的刀库容量较为适宜。对于所需刀具数超过刀库容量的复杂工件，可利用将粗、精加工分开进行或插入消除内应力的热处理工序和调换工件装卡工艺基准等手段，将复杂工件分工序分别编制加工程序进行加工，这样每个加工程序所需的刀具数就不会超过刀库容量。

主机和ATC选定以后，还必须选择所需的刀柄和刀具类型。

2.6 数控机床驱动电动机及附件的选择

用户在选择数控机床时，除认真考虑它具备的基本功能及基本件外，还应选用一些选择件、选用功能及附件，数控机床上除CNC系统外，执行机构中进给伺服电动机和主轴电动机是最重要部件，它是基本件，一般已由数控机床制造厂确定。

2.6.1进给驱动伺服电动机的选择

伺服电动机目前用在数控机床上较多的有：步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机。

伺服电动机选用功率大小取决于负载条件。在电动机轴上所加的负载有两种，即负载转矩和负载惯量转矩。对这两种负载都要正确地计算，其值应满足下列条件：

（1）当机床作空载运行时，在整个速度范围内，加在伺服电动机轴上的负载转矩应在电动机连续额定转矩范围之内，即应在转矩-速度特性曲线的连续工作区。

（2）最大负载转矩、加载周期以及过载时间都应在提供的特性曲线的允许范围以内。

（3）电动机在加速或减速过程的转矩应在加、减速区域（或间断工作区）之内。

（4）对要求频繁起动、制动以及周期性变化的负载，必须检查它在一个周期中的转矩均方根值，应小于电动机的连续额定转矩。

（5）加在主轴电动机轴上的负载惯量大小对电动机的灵敏度和整个伺服系统精度将产生影响。通常，当负载惯量小于电动机转子惯量时，上述影响不大，但当负载惯量达到甚至超过转子惯量3倍时，会使灵敏度和响应时间受到很大影响，甚至会使伺服放大器不能在正常调节范围内工作。所以对这类惯量应避免使用。

2.6.2 主轴电动机的选择

选择主轴电动机通常考虑如下因素：

（1）所选电动机应能满足机床设计的切削功率的要求。

（2）根据要求的主轴加减速时间计算出的电动机功率不应超过电动机的最大输出功率。

（3）在要求主轴频繁起动、制动的场合，必须计算出平均功率，其值不能超过电动机连续额定输出功率。

（4）在要求恒表面速度控制的场合，则恒表面速度控制所需的切削功率和加速所需功率两者之和应在电动机能够提供的功率范围之内。

2.6.3 数控机床附件的选择

数控机床附件及功能的选择基本原则是：采取全面配置、长远和近期效益综合考虑。

现在对数控机床的使用要求已逐渐分成两大类，一类是柔性大、功能全的自动化设备，另一类是有限的柔性、半专机化的高生产率设备。因此，应有针对性地选配附件。一些功能选择应进行综合比较，以经济、实用为目的。

结论

数控机床的拥有量在很大程度上代表了一个企业的机械加工水平，数控加工的高质量、高效率早已成为人们的共识。目前，我国已能生产各种各样的数控机床，而且其中许多机床在技术性能上应经比较完善。即经济又合理的选择适合本企业的数控设备，才能在机械行业中生存。

对一个制造企业来说，提高生产能力往往从生产管理、制造工艺、生产设备等方面入手进行技术改造，而这几部分又相互影响，相互制约。在技术改造中对生产设备、数控机床的更新、维修、采购等的选择上必须考虑到使用环境、管理方式及将会产生的经济效果等。

选择数控机床是一个综合性技术问题。数控机床经过几十年的发展已演变出一个庞大家族群，能完成各种各样的加工制造要求。从品种繁多、价格昂贵的设备中选择使用的设备，使这些设备在制造中充分发挥作用并且能满足企业以后的发展，正确、合理地选购与主机配套的附件、工具、软件技术等，才会给企业带来可观的效益。

参考文献：

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[2] 严峻. 数控机床入门技术基础[M]. 北京:机械工业出版社,2011.

[3] 张文华，段明忠，刘战术. 数控机床与操作[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2012.