前言

數(shù)控車床是一種高精度、高效率的自動化機床。它具有廣泛的加工性能，可加工直線圓柱、斜線圓柱、圓弧和各種螺紋。具有直線插補、圓弧插補各種補償功能，并在復(fù)雜零件的批量生產(chǎn)中發(fā)揮了良好的經(jīng)濟效果。數(shù)控車床是目前國內(nèi)使用量最大，覆蓋面最廣的一種數(shù)控機床，約占數(shù)控機床總數(shù)的25％。

數(shù)控車床的誕生對于人類機械加工制造具有劃時代的意義，工件制造也從此走向了大批量、高精度、高穩(wěn)定性的道路，對于一個國家來說，數(shù)控機床在所有金屬切削設(shè)備中的占比，是衡量其自動化水平的重要參數(shù)，對國民經(jīng)濟的發(fā)展、國家的強大都具有重要意義。

正文

數(shù)字控制機床——數(shù)控機床，其英文名稱為CNC MACHINE TOOLS。它是一種使用編制好的加工程序自動進行加工的機電設(shè)備。數(shù)控機床的種類非常多，除了包括數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床、數(shù)控刨床、數(shù)控銑床、數(shù)控立式車床等完成單一加工的數(shù)控機床外，還包括立式車銑加工中心、臥式銑鏜加工中心、龍門鏜銑加工中心、數(shù)控車銑鏜加工中心、數(shù)控縱切機床等完成復(fù)合加工的數(shù)控機床設(shè)備。此外，在近些年來新興的電火花機床、激光切割機、水切割機床、線切割機床、并聯(lián)數(shù)控機床、自動化復(fù)合機床生產(chǎn)線等，也發(fā)展得很快。

什么是數(shù)控車床？

車床是主要用車刀對旋轉(zhuǎn)的工件進行車削加工的機床。主要用于加工軸、盤、套和其他具有回轉(zhuǎn)表面的工件，是機械制造和修配工廠中使用最廣的一類機床。數(shù)控車床又稱為CNC車床，即計算機數(shù)字控制車床，是一種高精度、高效率的自動化機床。它具有廣泛的加工性能，可加工直線圓柱、斜線圓柱、圓弧和各種螺紋。具有直線插補、圓弧插補各種補償功能，并在復(fù)雜零件的批量生產(chǎn)中發(fā)揮了良好的經(jīng)濟效果。數(shù)控車床是目前國內(nèi)使用量最大，覆蓋面最廣的一種數(shù)控機床，約占數(shù)控機床總數(shù)的25%。數(shù)控機床是集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術(shù)為一體的機電一體化產(chǎn)品。是機械制造設(shè)備中具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優(yōu)點的工作母機。

車床的發(fā)展現(xiàn)狀：

車床作為所有金屬加工機床的母機，自1797年英國機械發(fā)明家莫茲利創(chuàng)制了用絲杠傳動刀架的現(xiàn)代車床以來，己經(jīng)跨越了210多年的歷史，極大地推進了機械加工業(yè)的發(fā)展，國際上車床的發(fā)展經(jīng)歷了從普通車床到液壓半自動、自動化，到數(shù)控化，直到今天智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展歷程，機器與人的關(guān)系也變得越來越簡化，從依托熟練程度保證工件質(zhì)量到僅輸入數(shù)控程序就可獲得高質(zhì)量、高效率的產(chǎn)品，車床變得越來越人性化，在適應(yīng)工況環(huán)境、工藝要求、專業(yè)化、環(huán)保等方面都步入了現(xiàn)代殿堂。國外以德國、美國、日本為首的西方國家，對車床特別是數(shù)控車床研發(fā)較早，積累了豐富的車床研發(fā)經(jīng)驗，其機床在技術(shù)水平、精度保持性、復(fù)合高速加工及豐富的配件設(shè)施方面保持領(lǐng)先優(yōu)勢。我國雖然起步較晚，但經(jīng)歷了技術(shù)引進、消化、再創(chuàng)新等階段，目前在中低端市場具有絕對的優(yōu)勢，在高端特別是高精、高速、高復(fù)合能力上還很欠缺，縱觀國內(nèi)外數(shù)控車床的發(fā)展歷程，結(jié)合目前的技術(shù)成熟程度，數(shù)控車床的發(fā)展體現(xiàn)以下現(xiàn)狀特點：

（１）高速、高精、復(fù)合化加工成為主流。在通用加工領(lǐng)域，目前市場上常用的普通車床、經(jīng)濟型數(shù)控車床因為加工精度等級為IT7級，并且其主軸轉(zhuǎn)速低、快移速度低，在未來5-10年內(nèi)會逐步被淘汰，被加工精度更高、主軸轉(zhuǎn)速更高、快移速度更快的線軌類機床所取代，實現(xiàn)整個數(shù)控車床時代的變革，這種變革在美國、德國、日本、韓國及臺灣地區(qū)都已經(jīng)實現(xiàn)，下一步將逐步的在中國、印度等發(fā)展中國家實現(xiàn)。在許多科研、航天及軍事領(lǐng)域，由于對工件的加工精度、形位誤差、輪廓誤差要求更加嚴格，對機床的復(fù)合化加工需求明顯，如飛機發(fā)動機的轉(zhuǎn)子，往往需要一次裝卡，一次性的完成各種復(fù)雜表面、孔、槽的加工以保證精度，勢必需要機床具有復(fù)合加工的能力，并通過機床精度保證工件加工精度。此類機床以德馬吉CTX系列數(shù)控加工中心為代表。

（２）在線誤差檢測和補償功能逐步普及。隨著數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，讓我們有能力在數(shù)控車床上實現(xiàn)工件的在線檢測和補償。在實際加工過程中由于機床部件受力及熱變形會導(dǎo)致加工精度降低，在線檢測補償技術(shù)將很好的解決這一問題，并且這些高端技術(shù)己經(jīng)幵始向通用類設(shè)備普及，其代表機床以美國哈斯系列機床為主。

（３）智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展為數(shù)控機床發(fā)展提供無限可能，隨著網(wǎng)絡(luò)的普及和成熟，具有互聯(lián)網(wǎng)接口的機床將成為時代主角，借助網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)物物聯(lián)網(wǎng)與互通，未來的機床是可以相互交流的，可以實現(xiàn)實時監(jiān)控，實時反饋，分析利用機床位置狀態(tài)、工件狀態(tài)等數(shù)據(jù)，極大的提高生產(chǎn)效率。依靠數(shù)據(jù)也可實現(xiàn)遠端的網(wǎng)絡(luò)制造及定制化制造，實現(xiàn)真正的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。此系列機床以沈陽機床的i5系列機床為代表。

數(shù)控車床的電機部件

1、刀架

伺服刀架

作為數(shù)控車床的關(guān)鍵功能部件，動力刀架有著非常重要的功能，主要用來實現(xiàn)夾持刀具、儲備刀具和自動的換取刀具的功能。數(shù)控刀架在市場上通常被分為低、中、高三種，分類是主要依據(jù)于使用場合來決定的。低檔次的刀架一般只有電力作為動力，簡稱為電動刀架，由于只采用電機的力矩作為刀架轉(zhuǎn)動力矩的力量之源，所以不能承載太多的功能，但結(jié)構(gòu)上的簡單也使得這種低檔的電動刀架的承載能力較強，其低檔簡單性決定了其不能適用于高精度多要求的機床上，只能在經(jīng)濟簡易的機床上使用。中檔的刀架則有了一定的提升，種類也較多，主要有液壓刀架、伺服刀架和雙選電動刀架。根據(jù)刀架的名稱可知，液壓刀架主要是以液壓馬達或者液壓缸作為動力之源，伺服則用伺服電機作為動力之源，在控制和精度上都有更高要求，轉(zhuǎn)的更快、重復(fù)定位精度更高。這種中檔的刀架由于其性能的適用性和價格的實用性，被廣泛的應(yīng)用到普通的機床上。高檔的數(shù)控刀架相比于中檔的刀架，有著更為優(yōu)良的性能水平，主要表現(xiàn)在精度保持性和高精度加工方面，其高度自動化也是高檔刀架的發(fā)展方向，這種刀架主要應(yīng)用于對精度要求較高的高級數(shù)控機床上。

液壓刀架

動力刀架的發(fā)展歷史要追溯到上世紀的 80 年代，隨著三十多年的發(fā)展，作為數(shù)控機床的關(guān)鍵零部件，其重要程度越來越得到重視，動力刀架使用的可靠性和性能上的穩(wěn)定性在整機的可靠性水平中占據(jù)重要作用。當今世界上的刀架生產(chǎn)企業(yè)集中于德國、意大利、英國等歐洲較為發(fā)達的國家，由于發(fā)展歷史較為悠久，技術(shù)積累比較雄厚，科研團隊也是非常的一流，他們所設(shè)計和制造出來的刀架可靠性能更高。世界上比較著名的刀架生產(chǎn)商有德國的肖特、意大利的巴拉法第以及杜普馬帝克，他們占據(jù)著中高端的市場。

動力刀架

 不同刀架生產(chǎn)廠家分布表

2、進給伺服

伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用位置控制、速度控制和電流控制的三環(huán)結(jié)構(gòu)組成。

伺服驅(qū)動系統(tǒng)原理框圖

１、電流環(huán)

電流環(huán)作為系統(tǒng)最里面一環(huán)，是整個伺服系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)采樣環(huán)節(jié)，離散電流環(huán)采樣周期越短，伺服剛性就可以提高的越高，伺服的控制性能就會越好。電流環(huán)是最內(nèi)環(huán)，所以電流環(huán)才是控制的根本，是一切控制最直接的執(zhí)行者。廣義上來講，做伺服調(diào)整的最終目標，就是要保證無論在高低速情況，加工多么復(fù)雜零件，都要盡可能確保電流的穩(wěn)定（電流環(huán)輸出的電流諧波分量?。灰▌犹?，電流響應(yīng)速度快等。只有電流的穩(wěn)定，才能保證轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定，最后才能確保最終的加工效果。此外，電流環(huán)由于高速處理周期，還肩負著對控制異常的細節(jié)檢測，電流環(huán)作為最內(nèi)環(huán)必須滿足比速度環(huán)和位置環(huán)更高的響應(yīng)周期，以便能精確實時的控制由于轉(zhuǎn)速變化而對應(yīng)的交流電頻率，即能夠跟得上速度環(huán)發(fā)來的指令處理，及時做出響應(yīng)。

 
斜身車床方案

２、速度環(huán)

速度環(huán)保證電機的轉(zhuǎn)速與指令值相一致、消除負載轉(zhuǎn)矩擾動等因素對電機轉(zhuǎn)速的影響。速度指令與反饋的電機實際轉(zhuǎn)速相比較，其差值通過速度調(diào)節(jié)器直接產(chǎn)生q軸指令電流控制電機加速、減速或勻速，從而使電機的實際轉(zhuǎn)速與指令值保持一致。速度環(huán)是連接電流環(huán)和位置環(huán)的中間環(huán)節(jié)，合理提高速度環(huán)増益是整個伺服調(diào)試的核心。速度環(huán)是將整個電流環(huán)作為被控制對象的。轉(zhuǎn)矩是速度與慣量的乘積為了確保轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定，速度與合理的負載慣量比才是根本。所以，速度環(huán)的作用就是確保速度的穩(wěn)定。速度與負載慣量比直接影響電流環(huán)的穩(wěn)定。做伺服調(diào)整最關(guān)鍵的一個參數(shù)就是速度環(huán)增益（Kv）。速度環(huán)增益是對給定速度與反饋速度經(jīng)過比較后的差值放大倍數(shù)。顯然這個倍數(shù)越大，對速度變化的分辨率就越高。分辨率越高，那么對速度波動的鑒別能力與扭轉(zhuǎn)能力就越強（因為負反饋的實質(zhì)就是對差值進行不斷的校正，直至為0為止），這個對速度的扭轉(zhuǎn)能力非常關(guān)鍵，它表示著這個系統(tǒng)對外界負載的抗干擾能力，速度增益越大，表示系統(tǒng)對外界抗干擾能力就越強，那么抑制速度波動的能力就越強，顯然光潔度就要越好了（在無振動前提下）。所以越大的速度環(huán)增益，代表著精確的速度控制能力，代表著精確的轉(zhuǎn)矩力道，代表著最佳的表面光潔特性，它與位置環(huán)一起，代表著機械的最佳響應(yīng)性。

３、位置環(huán)

位置環(huán)的根本任務(wù)是使執(zhí)行機構(gòu)對位置指令的精確跟蹤，它能產(chǎn)生電機的速度指令并使電機準確定位和跟蹤。通過設(shè)定的目標位置與電機準確定位的實際位置相比較，利用其偏差通過位置調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生電機的速度指令。當給定量隨機變化時，系統(tǒng)能使被控量準確無誤地跟蹤并復(fù)現(xiàn)給定量。從伺服驅(qū)動系統(tǒng)原理框圖中可看出，位置環(huán)是三環(huán)里面的最外環(huán)，是最后的調(diào)整對象?？刂浦娏鳝h(huán)與速度環(huán)在內(nèi)的所有對象。一般情況下，先確定電流環(huán)與速度環(huán)，最后確定位置環(huán)，所以經(jīng)過插補之后的位置指令，位置環(huán)是確保加工結(jié)果是否滿足要求的最重要的最終的決定因素。評價一臺機床加工性能的好壞，主要表現(xiàn)在對加工零件的表面光潔度與輪廓精度兩方面，而輪廓精度從系統(tǒng)角度來講，就是由位置環(huán)決定。在確保了位置環(huán)的輸入指令之后，與通過反饋回來的反饋位置進行差值放大，即得到位置誤差。顯然，類似速度環(huán)增益，位置環(huán)增益描述的是對位置變化的精確分辨能力。它的作用是來描述系統(tǒng)的靜態(tài)精度與動態(tài)跟蹤性能的。位置環(huán)増益K_P設(shè)定越大，對位置變化的鑒別能力與扭轉(zhuǎn)能力就越高，則機械的滯后將得到大大改善，動態(tài)跟隨性能就越強。配合速度環(huán)的高響應(yīng)，最終才使得定位精度得以提升。

PID控制簡化框圖

伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了幾個階段：

20世紀60年代初期，數(shù)控機床采用液壓伺服系統(tǒng)，液壓伺服系統(tǒng)與當時傳統(tǒng)的直流電動機相比，響應(yīng)時間短，輸出相同扭矩的伺服部件的外形尺寸小。但由于液壓伺服系統(tǒng)存在著發(fā)熱量大、效率低、污染環(huán)境和不便于維修等缺點。

20世紀60年代中期,小功率伺服型步進電機和液壓扭矩放大器所組成的開環(huán)系統(tǒng)曾一度廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床。其最有代表性的是日本公司的電液脈沖馬達伺服系統(tǒng)。但由于該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、可靠性差等缺點。

數(shù)控車銑復(fù)合機方案

20世紀60年代后期,在數(shù)控機床上廣泛使用的小慣量直流電動機。小慣量直流電機因增加了中間齒輪傳動而使電動機的結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜，容易出現(xiàn)磨損，增大傳動間隙，影響傳動精度。

20世紀70年代，美國公司GETTYS首先研制成功了大慣量直流電動機，即通常所指的寬調(diào)速直流電動機。它的調(diào)速范圍很寬，可以直接與絲杠相連接。極大地簡化了與機床進給運動部件慣量的匹配。20世紀70年代以來大慣量直流電動機一直廣泛應(yīng)用于各類數(shù)控機床上,并獲得了良好的效果。

自20世紀80年代以來隨著大規(guī)模集成電路、電力電子學(xué)、計算機控制技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機對交流電動機的磁場進行矢量控制技術(shù)的重大突破，使長期以來人們一直試圖用交流電動機取代直流電動機應(yīng)用在調(diào)速和伺服控制中的設(shè)想得以實現(xiàn)。交流伺服系統(tǒng)幾乎保留了直流系統(tǒng)的所有優(yōu)點，具有調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高和動態(tài)響應(yīng)特性好等優(yōu)良的技術(shù)特性，而且繼承了交流電動機本身固有的許多優(yōu)良性能。

近幾年來，國際上出現(xiàn)了許多采用直線電機進給伺服系統(tǒng)的加工設(shè)備。在1993年漢諾威歐機床博覽會上，德國展出了世界上第一臺采用直線電機臥式加工中心，拉開了直線電機伺服系統(tǒng)的序幕。直線伺服是高速高精數(shù)控機床的理想驅(qū)動模式，無論是在國外還是國內(nèi)都在積極的研究、探索之中，將會是下一代數(shù)控機床的一個顯著特色。

對伺服進給系統(tǒng)的要求

伺服系統(tǒng)是以機械參數(shù)（位置、速度、加速度）作為被控量的一種自動控制的系統(tǒng)，它的基本要求是系統(tǒng)的輸出能夠迅速而且精確地響應(yīng)指令輸入的變化。對伺服系統(tǒng)的基本要求有：

１）穩(wěn)定性好穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后到達新的或者回到原有的平衡狀態(tài)。

２）精度高伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度。作為精密加工的數(shù)控機床，要求的定位精度或輪廓加工精度通常比較離。

３）快速響應(yīng)性好快速響應(yīng)性是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的標志之一，即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快，一方面要求過渡過程時間短，一般要求在200毫秒以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒；另一方面，要求過渡過程的前沿陡，即上升率要大。

４）靈敏度：系統(tǒng)對參數(shù)變化的靈敏度要小，即系統(tǒng)能不因參數(shù)變化而受到較大的影響。抗干擾性：系統(tǒng)應(yīng)具有良好的抵抗外部負載干擾和高頻噪音的能力等。
      ５）對機械傳動系統(tǒng)的要求；為確保數(shù)控機床進給系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性等，在設(shè)計機械傳動裝置時，提出如下要求：

(1)髙的傳動精度與定位精度：數(shù)控機床進給傳動裝置的傳動精度和定位精度對零件的加工精度起著關(guān)鍵性的作用。無論對點位、直線控制系統(tǒng)，還是輪廓控制系統(tǒng)，傳動精度和定位精度都是表征數(shù)控機床性能的主要指標。

(2)響應(yīng)速度要快：工作臺應(yīng)能在規(guī)定的速度范圍內(nèi)靈敏而精確地跟蹤指令，進行單步或連續(xù)移動，在運行時不出現(xiàn)丟步或多步現(xiàn)象。

(3)無間隙傳動：進給系統(tǒng)的傳動間隙一般指反向間隙，即反向死區(qū)誤差，它存在于整個傳動鏈的各傳動副中，直接影響數(shù)控機床的加工精度；因此，應(yīng)盡量消除傳動間隙，減小反向死區(qū)誤差。

(4)穩(wěn)定性好、壽命長：穩(wěn)定性是伺服進給系統(tǒng)能夠正常工作的最基本的條件，特別是在低速進給情況下不產(chǎn)生爬行，并能適應(yīng)外加負載的變化而不發(fā)生共振。所謂進給系統(tǒng)的壽命，主要指其保持數(shù)控機床傳動精度和定位精度的時間長短，及各傳動部件保持其原來制造精度的能力。

(5)使用維護方便：進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)便于維護和保養(yǎng)，最大限度地減小維修工作量，以提高機床的利用率。

 
3、主軸伺服系統(tǒng)

數(shù)控車床主軸驅(qū)動系統(tǒng)的特點及要求：

主軸控制系統(tǒng)的作用是按程序要求驅(qū)動主軸，在數(shù)控車床的加工方式中，主軸主要是帶動工件旋轉(zhuǎn)，與進給伺服驅(qū)動軸相配合，完成切削運動。數(shù)控車床對主軸位置精度和速度調(diào)節(jié)不像要求進給伺服系統(tǒng)那樣高，所以執(zhí)行部件多采用通用交流異步電動機，很少采用價格昂貴的永磁交流伺服電動機，一般采用“變頻器+交流異步電動機”進行矢量控制、編碼器進行速度檢測的方式。隨著產(chǎn)業(yè)的不斷升級，“主軸伺服驅(qū)動器+主軸伺服電機+外置編碼器”在斜身數(shù)控車銑復(fù)合機的應(yīng)用越來越廣泛，可以滿足一般精度零件加工和車削螺紋的要求，并且調(diào)速方便，造價成本相對較低，被廣泛采用。

數(shù)控車床的主軸運動是傳遞主切削力，消耗的功率占到機床總功率的60%左右，所以驅(qū)動系統(tǒng)要有足夠的功率、剛性好、低轉(zhuǎn)速時要保持足夠的轉(zhuǎn)矩；另外，要適應(yīng)不同加工工藝對主軸轉(zhuǎn)速的要求，如車削螺紋、粗加工及精加工等，需要主軸有較寬的調(diào)速范圍。

主軸伺服系統(tǒng)也是像進給伺服驅(qū)動一樣，擁有著三環(huán)，但是精度與響應(yīng)要求并沒有進給伺服的要求那么高，一般主軸伺服電機適配的都是增量式2500光電編碼器，也有很多廠家在應(yīng)對振動比較大的切削現(xiàn)場，適配的是旋轉(zhuǎn)變壓器作為反饋元件。

其他方案應(yīng)用

數(shù)控車床主軸機械傳動常見有3種方式

(1) 分段無級變速。主軸電機通過有限級齒輪傳動驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，這種傳動方式適用于大型數(shù)控機

床特別是強力切削的場合;

(2) 帶傳動變速。主軸電機通過同步帶傳動方式驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，這種傳動方式適用于中小型數(shù)控機

床特別是對抗振性要求較高的場合;

(3) 電機直接驅(qū)動。主軸電機通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)或直接采用電主軸，這種傳動方式適用

于小型數(shù)控機床特別是高精度加工場合。

數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)機床軸運動，包括進給運動、主軸運動及位置控制的關(guān)鍵的系統(tǒng)之一。它的性能對數(shù)控機床的重復(fù)定位精度、動態(tài)響應(yīng)特性，以及最高空程運動速度具有重要影響。同時伺服系統(tǒng)的發(fā)展對數(shù)控機床的發(fā)展產(chǎn)生了不可估量的影響。