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開題報告
概述
? 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。數(shù)控機床的技術(shù)水平高低及其在金屬切削加工機床產(chǎn)量和總擁有量的百分比是衡量一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標志之一。數(shù)控車床是數(shù)控機床的主要品種之一，它在數(shù)控機床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視并得到了迅速的發(fā)展。
??? 我國數(shù)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，通過采取與國外著名機床廠家的合作、合資、技術(shù)引進、樣機消化吸收等措施，使得我國的機床制造水平有了很大的提高，其產(chǎn)量在金屬切削機床中占有較大的比例。目前，國產(chǎn)數(shù)控車床的品種、規(guī)格較為齊全，質(zhì)量基本穩(wěn)定可靠，已進入實用和全面發(fā)展階段。
??? 根據(jù)不同的市場定位和需求，數(shù)控車床可分為經(jīng)濟型數(shù)控車床和全功能型數(shù)控車床。下面結(jié)合寶雞機床廠數(shù)十年研制和生產(chǎn)數(shù)控車床的經(jīng)驗和實踐，談談我國數(shù)控車床在結(jié)構(gòu)方面的現(xiàn)狀及今后數(shù)控車床的整體發(fā)展趨勢。
一、數(shù)控車床的現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(guī)格的數(shù)控車床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)控車床才采用平床身，立床身采用的較少。平床身工藝性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，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(jié)構(gòu)，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(yōu)點，床身寬度也不會太大。斜床身和平床身斜滑板結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代數(shù)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(xiàn)機電一體化；
??? ☆ 機床外形整齊、美觀，占地面積??；
??? ☆ 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于堆積在導軌上影響導軌精度；
??? ☆ 宜人性好，便于操作；
??? ☆ 便于安裝機械手，實現(xiàn)單機自動化。
??? 例如，寶雞機床廠設計生產(chǎn)的CJK6140H系列簡式數(shù)控車床采用的是平床身平滑板結(jié)構(gòu)；CK75系列全功能數(shù)控車床采用的是后斜床身斜滑板結(jié)構(gòu)。而我們剛剛研制開發(fā)完成的CK535D全功能數(shù)控倒置立式車床，采用的是直立床身直立滑板結(jié)構(gòu)。該機床采用大功率內(nèi)藏式電主軸結(jié)構(gòu)，主軸可沿X和Z軸移動，以實現(xiàn)自動上下料功能。該機床配置有自動回轉(zhuǎn)料庫，從而實現(xiàn)單機自動化，同時該機床也很容易被加入生產(chǎn)線。
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a)后斜床身-斜滑板 b)直立床身-直立滑板
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c)平床身-平滑板 d)前斜床身-平滑板
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??????? 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(jié)構(gòu)簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點。但傳統(tǒng)滑動導軌摩擦阻力大，磨損快，動、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前，數(shù)控車床已不采用傳統(tǒng)滑動導軌，而是采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、制造是否簡單、能否調(diào)整、摩擦損耗是否最小以及能否保持導軌的初始精度，在很大程度上取決于導軌的橫截面形狀。車床滑動導軌的橫截面形狀常采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，導軌磨損后靠自重下沉自動補償。下導軌用凸形有利于排污物，但不易保存油液。矩形截面，如圖2(b)所示。這種截面導軌制造維修方便，承載能力大，新導軌導向精度高，但磨損后不能自動補償，需用鑲條調(diào)節(jié)，影響導向精度。
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a) 山形截面 b) 矩形截面
??????????????????????圖2 導軌截面
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寶雞機床廠生產(chǎn)的CJK6140H系列簡式數(shù)控車床床身采用的是山形貼塑導軌，CK75系列全功能數(shù)控車床采用的是矩形貼塑導軌。
??? 滾動導軌的優(yōu)點是摩擦系數(shù)小，動、靜摩擦系數(shù)很接近，不會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，可以使用油脂潤滑。數(shù)控車床導軌的行程一般較長，因此滾動體必須循環(huán)。根據(jù)滾動體的不同，滾動導軌可分為滾珠直線導軌和滾柱直線導軌，如圖3所示。后者的承載能力和剛度都比前者高，但摩擦系數(shù)略大。寶雞機床廠生產(chǎn)的CK75C系列全功能數(shù)控車床采用的是滾珠直線導軌，CK535D全功能數(shù)控倒置立式車床X向?qū)к壊捎玫氖菨L柱直線導軌。
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a) 滾珠直線導軌 b) 滾柱直線導軌
???????????????????????????圖3 滾動導軌
2. 主軸變速系統(tǒng)
??? 經(jīng)濟型數(shù)控車床大多數(shù)是不能自動變速的，需要變速時，只能把機床停止，然后手動變速。而全功能數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)大多采用無級變速。目前，無級變速系統(tǒng)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機，通過帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，或通過帶傳動和主軸箱內(nèi)的減速齒輪(以獲得更大的轉(zhuǎn)矩)帶動主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機調(diào)速范圍廣，又可無級調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡化。主軸電機在額定轉(zhuǎn)速時可輸出全部功率和最大轉(zhuǎn)矩。
3. 刀架系統(tǒng)
??? 數(shù)控車床的刀架是機床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，因此其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和性能體現(xiàn)了機床的設計和制造技術(shù)水平。隨著數(shù)控車床的不斷發(fā)展，刀具結(jié)構(gòu)形式也在不斷翻新。
??? 刀架是直接完成切削加工的執(zhí)行部件，所以，刀架在結(jié)構(gòu)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。由于切削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，所以要求數(shù)控車床選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)緊湊和安全可靠等要求。
??? 按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)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
??? 排式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控車床，以加工棒料或盤類零件為主。它的結(jié)構(gòu)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(diào)整等方面都較為方便，可以根據(jù)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后，橫向滑板只要按程序沿X軸移動預先設定的距離后，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，有利于提高機床的生產(chǎn)效率。寶雞機床廠生產(chǎn)的CK7620P全功能數(shù)控車床配置的就是排式刀架。
?????????????????????????????????? 圖4 排式刀架
(2) 回轉(zhuǎn)刀架
回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架，通過刀架的旋轉(zhuǎn)分度定位來實現(xiàn)機床的自動換刀動作，根據(jù)加工要求可設計成四方、六方刀架或圓盤式刀架，并相應地安裝4把、6把或更多的刀架。回轉(zhuǎn)刀架的換刀動作可分為刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位和刀架鎖緊等幾個步驟。它的動作是由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令完成的。回轉(zhuǎn)刀架根據(jù)刀架回轉(zhuǎn)軸與安裝底面的相對位置，分為立式刀架和臥式刀架兩種。寶雞機床廠生產(chǎn)的CJK6140H系列簡式數(shù)控車床配置的是四工位立式刀架或六工位臥式刀架，CK75系列全功能數(shù)控車床配置的是8工位或12工位臥式刀架，如圖5所示。
圖5 臥式回轉(zhuǎn)刀架
(3) 帶刀庫的自動換刀裝置
??? 上述排刀式刀架和回轉(zhuǎn)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(shù)目也有一定限制。當由于某種原因需要數(shù)量較多的刀具時，應采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(gòu)組成。
4. 進給傳動系統(tǒng)
??? 數(shù)控車床的進給傳動系統(tǒng)一般均采用進給伺服系統(tǒng)。這也是數(shù)控車床區(qū)別于普通車床的一個特殊部分。
??? 數(shù)控車床的伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動控制單元、驅(qū)動元件、機械傳動部件、執(zhí)行件和檢測反饋環(huán)節(jié)等組成。驅(qū)動控制單元和驅(qū)動元件組成伺服驅(qū)動系統(tǒng)。機械傳動部件和執(zhí)行元件組成機械傳動系統(tǒng)。檢測元件與反饋電路組成檢測系統(tǒng)。
??? 進給伺服系統(tǒng)按其控制方式不同可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)控制方式通常是具有位置反饋的伺服系統(tǒng)。根據(jù)位置檢測裝置所在位置的不同，閉環(huán)系統(tǒng)又分為半閉環(huán)系統(tǒng)和全閉環(huán)系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)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(huán)內(nèi)，后者則完全置機械傳動部件于位置環(huán)之外。全閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在工作臺上，機械傳動部件整個被包括在位置環(huán)之內(nèi)。
??? 開環(huán)系統(tǒng)的定位精度比閉環(huán)系統(tǒng)低，但它結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價低廉。由于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(huán)系統(tǒng)的精度和快速性較差。
??? 全閉環(huán)系統(tǒng)控制精度高、快速性能好，但由于機械傳動部件在控制環(huán)內(nèi)，所以系統(tǒng)的動態(tài)性能不僅取決于驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，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(guān)系，故必須對機電部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行綜合考慮才能滿足系統(tǒng)的要求。因此全閉環(huán)系統(tǒng)對機床的要求比較高，且造價也較昂貴。閉環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置有：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。
??? 數(shù)控車床的進給伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)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。交流伺服電機由于具有可靠性高、基本上不需要維護和造價低等特點而被廣泛采用。
二、數(shù)控車床發(fā)展趨勢
??? 數(shù)控技術(shù)的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應用領域的擴大，它對國計民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。當前數(shù)控車床呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢。
1. 高速、高精密化
??? 高速、精密是機床發(fā)展永恒的目標。隨著科學技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，機電產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快，對零件加工的精度和表面質(zhì)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、干切削和準干切削方向發(fā)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(nèi)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(fā)展創(chuàng)造了條件。
??? 數(shù)控車床采用電主軸，取消了皮帶、帶輪和齒輪等環(huán)節(jié)，大大減少了主傳動的轉(zhuǎn)動慣量，提高了主軸動態(tài)響應速度和工作精度，徹底解決了主軸高速運轉(zhuǎn)時皮帶和帶輪等傳動的振動和噪聲問題。采用電主軸結(jié)構(gòu)可使主軸轉(zhuǎn)速達到10000r/min以上。
??? 直線電機驅(qū)動速度高，加減速特性好，有優(yōu)越的響應特性和跟隨精度。用直線電機作伺服驅(qū)動，省去了滾珠絲杠這一中間傳動環(huán)節(jié)，消除了傳動間隙(包括反向間隙)，運動慣量小，系統(tǒng)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，由于其具有各向間隙為零和非常小的滾動摩擦，磨損小，發(fā)熱可忽略不計，有非常好的熱穩(wěn)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(shù)控機床的可靠性是數(shù)控機床產(chǎn)品質(zhì)量的一項關(guān)鍵性指標。數(shù)控機床能否發(fā)揮其高性能、高精度和高效率，并獲得良好的效益，關(guān)鍵取決于其可靠性的高低。 3. 數(shù)控車床設計CAD化、結(jié)構(gòu)設計模塊化
??? 隨著計算機應用的普及及軟件技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)得到了廣泛發(fā)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(tài)特性分析、計算、預測及優(yōu)化設計，可以對整機各工作部件進行動態(tài)模擬仿真。在模塊化的基礎上在設計階段就可以看出產(chǎn)品的三維幾何模型和逼真的色彩。采用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(chǎn)品開發(fā)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(chǎn)效率，使用于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(xiàn)一機多用、一機多能，即一臺數(shù)控車床既可以實現(xiàn)車削功能，也可以實現(xiàn)銑削加工；或在以銑為主的機床上也可以實現(xiàn)磨削加工。寶雞機床廠已經(jīng)研制成功的CX25Y數(shù)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(xiàn)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。副主軸采用內(nèi)藏式電主軸結(jié)構(gòu)，通過數(shù)控系統(tǒng)可直接實現(xiàn)主、副主軸轉(zhuǎn)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(wǎng)絡化、柔性化和集成化
??? 21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)。智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅(qū)動性能及使用連接方面的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)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(jiān)控等方面的內(nèi)容，以方便系統(tǒng)的診斷及維修等。
??? 網(wǎng)絡化數(shù)控裝備是近年來機床發(fā)展的一個熱點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式，如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元。
??? 數(shù)控機床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點(數(shù)控單機、加工中心和數(shù)控復合加工機床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網(wǎng)絡集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展，另一方面向注重應用性和經(jīng)濟性方向發(fā)展。柔性自動化技術(shù)是制造業(yè)適應動態(tài)市場需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進制造領域的基礎技術(shù)。其重點是以提高系統(tǒng)的可靠性、實用化為前提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標，注重加強單元技術(shù)的開拓和完善。CNC單機向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展。數(shù)控機床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD、CAM、CAPP及MTS等聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展。網(wǎng)絡系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。