前言

數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(chang) 功能，並在複雜零件的批量生產(chan) 中發揮了良好的經濟效果。數控車床是目前國內(nei) 使用量最大，覆蓋麵最廣的一種數控機床，約占數控機床總數的25％。

數控車床的誕生對於(yu) 人類機械加工製造具有劃時代的意義(yi) ，工件製造也從(cong) 此走向了大批量、高精度、高穩定性的道路，對於(yu) 一個(ge) 國家來說，數控機床在所有金屬切削設備中的占比，是衡量其自動化水平的重要參數，對國民經濟的發展、國家的強大都具有重要意義(yi) 。

正文

數字控製機床——數控機床，其英文名稱為(wei) CNC MACHINE TOOLS。它是一種使用編製好的加工程序自動進行加工的機電設備。數控機床的種類非常多，除了包括數控車床、數控磨床、數控鏜床、數控刨床、數控銑床、數控立式車床等完成單一加工的數控機床外，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、數控車銑鏜加工中心、數控縱切機床等完成複合加工的數控機床設備。此外，在近些年來新興(xing) 的電火花機床、激光切割機、水切割機床、線切割機床、並聯數控機床、自動化複合機床生產(chan) 線等，也發展得很快。

什麽(me) 是數控車床？

車床是主要用車刀對旋轉的工件進行車削加工的機床。主要用於(yu) 加工軸、盤、套和其他具有回轉表麵的工件，是機械製造和修配工廠中使用最廣的一類機床。數控車床又稱為(wei) CNC車床，即計算機數字控製車床，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(chang) 功能，並在複雜零件的批量生產(chan) 中發揮了良好的經濟效果。數控車床是目前國內(nei) 使用量最大，覆蓋麵最廣的一種數控機床，約占數控機床總數的25%。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(wei) 一體(ti) 的機電一體(ti) 化產(chan) 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(you) 點的工作母機。

車床的發展現狀：

車床作為(wei) 所有金屬加工機床的母機，自1797年英國機械發明家莫茲(zi) 利創製了用絲(si) 杠傳(chuan) 動刀架的現代車床以來，己經跨越了210多年的曆史，極大地推進了機械加工業(ye) 的發展，國際上車床的發展經曆了從(cong) 普通車床到液壓半自動、自動化，到數控化，直到今天智能化、網絡化的發展曆程，機器與(yu) 人的關(guan) 係也變得越來越簡化，從(cong) 依托熟練程度保證工件質量到僅(jin) 輸入數控程序就可獲得高質量、高效率的產(chan) 品，車床變得越來越人性化，在適應工況環境、工藝要求、專(zhuan) 業(ye) 化、環保等方麵都步入了現代殿堂。國外以德國、美國、日本為(wei) 首的西方國家，對車床特別是數控車床研發較早，積累了豐(feng) 富的車床研發經驗，其機床在技術水平、精度保持性、複合高速加工及豐(feng) 富的配件設施方麵保持領先優(you) 勢。我國雖然起步較晚，但經曆了技術引進、消化、再創新等階段，目前在中低端市場具有絕對的優(you) 勢，在高端特別是高精、高速、高複合能力上還很欠缺，縱觀國內(nei) 外數控車床的發展曆程，結合目前的技術成熟程度，數控車床的發展體(ti) 現以下現狀特點：

（１）高速、高精、複合化加工成為(wei) 主流。在通用加工領域，目前市場上常用的普通車床、經濟型數控車床因為(wei) 加工精度等級為(wei) IT7級，並且其主軸轉速低、快移速度低，在未來5-10年內(nei) 會(hui) 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，實現整個(ge) 數控車床時代的變革，這種變革在美國、德國、日本、韓國及台灣地區都已經實現，下一步將逐步的在中國、印度等發展中國家實現。在許多科研、航天及軍(jun) 事領域，由於(yu) 對工件的加工精度、形位誤差、輪廓誤差要求更加嚴(yan) 格，對機床的複合化加工需求明顯，如飛機發動機的轉子，往往需要一次裝卡，一次性的完成各種複雜表麵、孔、槽的加工以保證精度，勢必需要機床具有複合加工的能力，並通過機床精度保證工件加工精度。此類機床以德馬吉CTX係列數控加工中心為(wei) 代表。

（２）在線誤差檢測和補償(chang) 功能逐步普及。隨著數控係統技術、互聯網技術、傳(chuan) 感器技術的創新發展，讓我們(men) 有能力在數控車床上實現工件的在線檢測和補償(chang) 。在實際加工過程中由於(yu) 機床部件受力及熱變形會(hui) 導致加工精度降低，在線檢測補償(chang) 技術將很好的解決(jue) 這一問題，並且這些高端技術己經幵始向通用類設備普及，其代表機床以美國哈斯係列機床為(wei) 主。

（３）智能化、網絡化、柔性化。互聯網的發展為(wei) 數控機床發展提供無限可能，隨著網絡的普及和成熟，具有互聯網接口的機床將成為(wei) 時代主角，借助網絡實現物物聯網與(yu) 互通，未來的機床是可以相互交流的，可以實現實時監控，實時反饋，分析利用機床位置狀態、工件狀態等數據，極大的提高生產(chan) 效率。依靠數據也可實現遠端的網絡製造及定製化製造，實現真正的工業(ye) 互聯網。此係列機床以沈陽機床的i5係列機床為(wei) 代表。

數控車床的電機部件

1、刀架

伺服刀架

作為(wei) 數控車床的關(guan) 鍵功能部件，動力刀架有著非常重要的功能，主要用來實現夾持刀具、儲(chu) 備刀具和自動的換取刀具的功能。數控刀架在市場上通常被分為(wei) 低、中、高三種，分類是主要依據於(yu) 使用場合來決(jue) 定的。低檔次的刀架一般隻有電力作為(wei) 動力，簡稱為(wei) 電動刀架，由於(yu) 隻采用電機的力矩作為(wei) 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(jue) 定了其不能適用於(yu) 高精度多要求的機床上，隻能在經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(wei) 動力之源，伺服則用伺服電機作為(wei) 動力之源，在控製和精度上都有更高要求，轉的更快、重複定位精度更高。這種中檔的刀架由於(yu) 其性能的適用性和價(jia) 格的實用性，被廣泛的應用到普通的機床上。高檔的數控刀架相比於(yu) 中檔的刀架，有著更為(wei) 優(you) 良的性能水平，主要表現在精度保持性和高精度加工方麵，其高度自動化也是高檔刀架的發展方向，這種刀架主要應用於(yu) 對精度要求較高的高級數控機床上。

液壓刀架

動力刀架的發展曆史要追溯到上世紀的 80 年代，隨著三十多年的發展，作為(wei) 數控機床的關(guan) 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定性在整機的可靠性水平中占據重要作用。當今世界上的刀架生產(chan) 企業(ye) 集中於(yu) 德國、意大利、英國等歐洲較為(wei) 發達的國家，由於(yu) 發展曆史較為(wei) 悠久，技術積累比較雄厚，科研團隊也是非常的一流，他們(men) 所設計和製造出來的刀架可靠性能更高。世界上比較著名的刀架生產(chan) 商有德國的肖特、意大利的巴拉法第以及杜普馬帝克，他們(men) 占據著中高端的市場。

動力刀架

 不同刀架生產(chan) 廠家分布表

2、進給伺服

伺服驅動係統采用位置控製、速度控製和電流控製的三環結構組成。

伺服驅動係統原理框圖

１、電流環

電流環作為(wei) 係統最裏麵一環，是整個(ge) 伺服係統的底層數據采樣環節，離散電流環采樣周期越短，伺服剛性就可以提高的越高，伺服的控製性能就會(hui) 越好。電流環是最內(nei) 環，所以電流環才是控製的根本，是一切控製最直接的執行者。廣義(yi) 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，加工多麽(me) 複雜零件，都要盡可能確保電流的穩定（電流環輸出的電流諧波分量小），不要波動太大，電流響應速度快等。隻有電流的穩定，才能保證轉矩的穩定，最後才能確保最終的加工效果。此外，電流環由於(yu) 高速處理周期，還肩負著對控製異常的細節檢測，電流環作為(wei) 最內(nei) 環必須滿足比速度環和位置環更高的響應周期，以便能精確實時的控製由於(yu) 轉速變化而對應的交流電頻率，即能夠跟得上速度環發來的指令處理，及時做出響應。

 
斜身車床方案

２、速度環

速度環保證電機的轉速與(yu) 指令值相一致、消除負載轉矩擾動等因素對電機轉速的影響。速度指令與(yu) 反饋的電機實際轉速相比較，其差值通過速度調節器直接產(chan) 生q軸指令電流控製電機加速、減速或勻速，從(cong) 而使電機的實際轉速與(yu) 指令值保持一致。速度環是連接電流環和位置環的中間環節，合理提高速度環増益是整個(ge) 伺服調試的核心。速度環是將整個(ge) 電流環作為(wei) 被控製對象的。轉矩是速度與(yu) 慣量的乘積為(wei) 了確保轉矩的穩定，速度與(yu) 合理的負載慣量比才是根本。所以，速度環的作用就是確保速度的穩定。速度與(yu) 負載慣量比直接影響電流環的穩定。做伺服調整最關(guan) 鍵的一個(ge) 參數就是速度環增益（Kv）。速度環增益是對給定速度與(yu) 反饋速度經過比較後的差值放大倍數。顯然這個(ge) 倍數越大，對速度變化的分辨率就越高。分辨率越高，那麽(me) 對速度波動的鑒別能力與(yu) 扭轉能力就越強（因為(wei) 負反饋的實質就是對差值進行不斷的校正，直至為(wei) 0為(wei) 止），這個(ge) 對速度的扭轉能力非常關(guan) 鍵，它表示著這個(ge) 係統對外界負載的抗幹擾能力，速度增益越大，表示係統對外界抗幹擾能力就越強，那麽(me) 抑製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）。所以越大的速度環增益，代表著精確的速度控製能力，代表著精確的轉矩力道，代表著最佳的表麵光潔特性，它與(yu) 位置環一起，代表著機械的最佳響應性。

３、位置環

位置環的根本任務是使執行機構對位置指令的精確跟蹤，它能產(chan) 生電機的速度指令並使電機準確定位和跟蹤。通過設定的目標位置與(yu) 電機準確定位的實際位置相比較，利用其偏差通過位置調節器來產(chan) 生電機的速度指令。當給定量隨機變化時，係統能使被控量準確無誤地跟蹤並複現給定量。從(cong) 伺服驅動係統原理框圖中可看出，位置環是三環裏麵的最外環，是最後的調整對象。控製著包括電流環與(yu) 速度環在內(nei) 的所有對象。一般情況下，先確定電流環與(yu) 速度環，最後確定位置環，所以經過插補之後的位置指令，位置環是確保加工結果是否滿足要求的最重要的最終的決(jue) 定因素。評價(jia) 一台機床加工性能的好壞，主要表現在對加工零件的表麵光潔度與(yu) 輪廓精度兩(liang) 方麵，而輪廓精度從(cong) 係統角度來講，就是由位置環決(jue) 定。在確保了位置環的輸入指令之後，與(yu) 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，類似速度環增益，位置環增益描述的是對位置變化的精確分辨能力。它的作用是來描述係統的靜態精度與(yu) 動態跟蹤性能的。位置環増益K_P設定越大，對位置變化的鑒別能力與(yu) 扭轉能力就越高，則機械的滯後將得到大大改善，動態跟隨性能就越強。配合速度環的高響應，最終才使得定位精度得以提升。

PID控製簡化框圖

伺服係統的發展經曆了幾個(ge) 階段：

20世紀60年代初期，數控機床采用液壓伺服係統，液壓伺服係統與(yu) 當時傳(chuan) 統的直流電動機相比，響應時間短，輸出相同扭矩的伺服部件的外形尺寸小。但由於(yu) 液壓伺服係統存在著發熱量大、效率低、汙染環境和不便於(yu) 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係統曾一度廣泛應用於(yu) 數控機床。其最有代表性的是日本公司的電液脈衝(chong) 馬達伺服係統。但由於(yu) 該係統結構過於(yu) 複雜、可靠性差等缺點。

數控車銑複合機方案

20世紀60年代後期,在數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(chuan) 動而使電動機的結構變得更為(wei) 複雜，容易出現磨損，增大傳(chuan) 動間隙，影響傳(chuan) 動精度。

20世紀70年代，美國公司GETTYS首先研製成功了大慣量直流電動機，即通常所指的寬調速直流電動機。它的調速範圍很寬，可以直接與(yu) 絲(si) 杠相連接。極大地簡化了與(yu) 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用於(yu) 各類數控機床上,並獲得了良好的效果。

自20世紀80年代以來隨著大規模集成電路、電力電子學、計算機控製技術的發展，特別是計算機對交流電動機的磁場進行矢量控製技術的重大突破，使長期以來人們(men) 一直試圖用交流電動機取代直流電動機應用在調速和伺服控製中的設想得以實現。交流伺服係統幾乎保留了直流係統的所有優(you) 點，具有調速範圍寬、穩速精度高和動態響應特性好等優(you) 良的技術特性，而且繼承了交流電動機本身固有的許多優(you) 良性能。

近幾年來，國際上出現了許多采用直線電機進給伺服係統的加工設備。在1993年漢諾威歐機床博覽會(hui) 上，德國展出了世界上第一台采用直線電機臥式加工中心，拉開了直線電機伺服係統的序幕。直線伺服是高速高精數控機床的理想驅動模式，無論是在國外還是國內(nei) 都在積極的研究、探索之中，將會(hui) 是下一代數控機床的一個(ge) 顯著特色。

對伺服進給係統的要求

伺服係統是以機械參數（位置、速度、加速度）作為(wei) 被控量的一種自動控製的係統，它的基本要求是係統的輸出能夠迅速而且精確地響應指令輸入的變化。對伺服係統的基本要求有：

１）穩定性好穩定是指係統在給定輸入或外界幹擾作用下，能在短暫的調節過程後到達新的或者回到原有的平衡狀態。

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

３）快速響應性好快速響應性是伺服係統動態品質的標誌之一，即要求跟蹤指令信號的響應要快，一方麵要求過渡過程時間短，一般要求在200毫秒以內(nei) ，甚至小於(yu) 幾十毫秒；另一方麵，要求過渡過程的前沿陡，即上升率要大。

４）靈敏度：係統對參數變化的靈敏度要小，即係統能不因參數變化而受到較大的影響。抗幹擾性：係統應具有良好的抵抗外部負載幹擾和高頻噪音的能力等。
      ５）對機械傳(chuan) 動係統的要求；為(wei) 確保數控機床進給係統的傳(chuan) 動精度和工作平穩性等，在設計機械傳(chuan) 動裝置時，提出如下要求：

(1)髙的傳(chuan) 動精度與(yu) 定位精度：數控機床進給傳(chuan) 動裝置的傳(chuan) 動精度和定位精度對零件的加工精度起著關(guan) 鍵性的作用。無論對點位、直線控製係統，還是輪廓控製係統，傳(chuan) 動精度和定位精度都是表征數控機床性能的主要指標。

(2)響應速度要快：工作台應能在規定的速度範圍內(nei) 靈敏而精確地跟蹤指令，進行單步或連續移動，在運行時不出現丟(diu) 步或多步現象。

(3)無間隙傳(chuan) 動：進給係統的傳(chuan) 動間隙一般指反向間隙，即反向死區誤差，它存在於(yu) 整個(ge) 傳(chuan) 動鏈的各傳(chuan) 動副中，直接影響數控機床的加工精度；因此，應盡量消除傳(chuan) 動間隙，減小反向死區誤差。

(4)穩定性好、壽命長：穩定性是伺服進給係統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(chan) 生爬行，並能適應外加負載的變化而不發生共振。所謂進給係統的壽命，主要指其保持數控機床傳(chuan) 動精度和定位精度的時間長短，及各傳(chuan) 動部件保持其原來製造精度的能力。

(5)使用維護方便：進給係統的結構設計應便於(yu) 維護和保養(yang) ，最大限度地減小維修工作量，以提高機床的利用率。

 
3、主軸伺服係統

數控車床主軸驅動係統的特點及要求：

主軸控製係統的作用是按程序要求驅動主軸，在數控車床的加工方式中，主軸主要是帶動工件旋轉，與(yu) 進給伺服驅動軸相配合，完成切削運動。數控車床對主軸位置精度和速度調節不像要求進給伺服係統那樣高，所以執行部件多采用通用交流異步電動機，很少采用價(jia) 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”進行矢量控製、編碼器進行速度檢測的方式。隨著產(chan) 業(ye) 的不斷升級，“主軸伺服驅動器+主軸伺服電機+外置編碼器”在斜身數控車銑複合機的應用越來越廣泛，可以滿足一般精度零件加工和車削螺紋的要求，並且調速方便，造價(jia) 成本相對較低，被廣泛采用。

數控車床的主軸運動是傳(chuan) 遞主切削力，消耗的功率占到機床總功率的60%左右，所以驅動係統要有足夠的功率、剛性好、低轉速時要保持足夠的轉矩；另外，要適應不同加工工藝對主軸轉速的要求，如車削螺紋、粗加工及精加工等，需要主軸有較寬的調速範圍。

主軸伺服係統也是像進給伺服驅動一樣，擁有著三環，但是精度與(yu) 響應要求並沒有進給伺服的要求那麽(me) 高，一般主軸伺服電機適配的都是增量式2500光電編碼器，也有很多廠家在應對振動比較大的切削現場，適配的是旋轉變壓器作為(wei) 反饋元件。

其他方案應用

數控車床主軸機械傳(chuan) 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(chuan) 動驅動主軸旋轉，這種傳(chuan) 動方式適用於(yu) 大型數控機

床特別是強力切削的場合;

(2) 帶傳(chuan) 動變速。主軸電機通過同步帶傳(chuan) 動方式驅動主軸旋轉，這種傳(chuan) 動方式適用於(yu) 中小型數控機

床特別是對抗振性要求較高的場合;

(3) 電機直接驅動。主軸電機通過聯軸器直接驅動主軸旋轉或直接采用電主軸，這種傳(chuan) 動方式適用

於(yu) 小型數控機床特別是高精度加工場合。

數控機床的伺服係統是實現機床軸運動，包括進給運動、主軸運動及位置控製的關(guan) 鍵的係統之一。它的性能對數控機床的重複定位精度、動態響應特性，以及最高空程運動速度具有重要影響。同時伺服係統的發展對數控機床的發展產(chan) 生了不可估量的影響。