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,它令到工件制造從此走向大批量、高精度、高穩(wěn)定性的道路。

數(shù)字控制機床——數(shù)控機床,其英文名稱為CNCMACHINETOOLS。它是一種使用編制好的加工程序自動進行加工的機電設備。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合加工的數(shù)控機床設備。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、自動化復合機床生產(chǎn)線等,也發(fā)展得很快。

車床的發(fā)展現(xiàn)狀

車床是主要用車刀對旋轉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為一體的機電一體化產(chǎn)品。是機械制造設備中具有高精度、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)絡化的發(fā)展歷程,機器與人的關系也變得越來越簡化,從依托熟練程度保證工件質量到僅輸入數(shù)控程序就可獲得高質量、高效率的產(chǎn)品,車床變得越來越人性化,在適應工況環(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,其機床在技術水平、精度保持性、復合高速加工及豐富的配件設施方面保持領先優(yōu)勢。我國雖然起步較晚,但經(jīng)歷了技術引進、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,結合目前的技術成熟程度,數(shù)控車床的發(fā)展體現(xiàn)出以下現(xiàn)狀特點。

(1)高速、高精、復合化加工成為主流。

在通用加工領域,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,對機床的復合化加工需求明顯,如飛機發(fā)動機的轉子,往往需要一次裝卡,一次性的完成各種復雜表面、孔、槽的加工以保證精度,勢必需要機床具有復合加工的能力,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、互聯(lián)網(wǎng)技術、傳感器技術的創(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致加工精度降低,在線檢測補償技術將很好的解決這一問題,并且這些高端技術己經(jīng)幵始向通用類設備普及,其代表機床以美國哈斯系列機床為主。

(3)智能化、網(wǎng)絡化、柔性化。

互聯(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

作為數(shù)控車床的關鍵功能部件,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動力矩的力量之源,所以不能承載太多的功能,但結構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,轉的更快、重復定位精度更高。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,這種刀架主要應用于對精度要求較高的高級數(shù)控機床上。

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,技術積累比較雄厚,科研團隊也是非常的一流,他們所設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。

2.進給伺服

伺服驅動系統(tǒng)采用位置控制、速度控制和電流控制的三環(huán)結構組成。圖1伺服驅動系統(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,做伺服調整的最終目標,就是要保證無論在高低速情況,加工多么復雜零件,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小),不要波動太大,電流響應速度快等。

只有電流的穩(wěn)定,才能保證轉矩的穩(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)更高的響應周期,以便能精