作者:張彩虹，寶雞機床廠科技處，轉自:CAD/CAM與制造業信息化。
數控機床是集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多種技術於壹體的機電壹體化產品。是機械制造設備中高精度、高效率、高自動化、高柔性的機床。數控機床的技術水平及其在金屬切削機床產量和總擁有量中所占的比重，是衡量國家經濟發展和工業制造業整體水平的重要標誌之壹。數控車床是數控機床的主要品種之壹，在數控機床中占有非常重要的地位。幾十年來受到世界各國的高度重視，發展迅速。
中國的數控車床於20世紀70年代初進入市場。截至目前，通過各大機床制造商的不懈努力，與國外著名機床制造商的合作，合資，技術引進，樣機的消化吸收等措施，我國機床制造水平有了很大提高，其產量在金屬切削機床中占有很大比重。目前國產數控車床品種規格比較齊全，質量基本穩定可靠，已進入實用化全面發展階段。
根據市場定位和需求的不同，數控車床可分為經濟型數控車床和全功能數控車床。本文根據寶雞機床廠幾十年來研制和生產數控車床的經驗和實踐，論述了我國數控車床的現狀和今後數控車床的總體發展趨勢。
壹、數控車床的現狀
1.床和導軌
(1)床
機床床身是整個機床的基本支撐，是機床的主體。壹般用來放置導軌、床頭箱等重要零件。床身的結構對機床的布局有很大的影響。根據床身導軌面與水平面的相對位置，床身有五種布局形式，如圖1所示。壹般來說，斜床身和平床身斜滑板多用於中小型數控車床，只有大型數控車床或小型精密數控車床使用平床身，立式床身使用較少。該平板床工藝性好，易於加工制造。由於刀架水平放置，有利於提高刀架的運動精度，但床身下方空間較小，排屑困難。刀架十字滑板較長，增加了機床的寬度和尺寸，影響外觀。該平板床具有傾斜滑板結構和傾斜導軌防護罩，既保持了平板床工藝性好的優點，床的寬度也不會太大。
很大。斜床和平床斜滑板結構在現代數控車床中被廣泛采用，因為這種布局具有以下特點:
☆易於實現機電壹體化；
☆機床整潔美觀，占地面積小；
☆容易設置封閉的防護裝置；
☆排屑方便，安裝自動排屑裝置；
☆從工件上切下的熱切屑不會堆積在導軌上，影響導軌的精度；
☆舒適性好，操作方便；
☆便於安裝機械手，實現單機自動化。
如寶雞機床廠設計生產的CJK6140H系列簡易數控車床，采用平床身、光板結構；CK75系列全功能數控車床采用後斜床身斜滑板結構。我們剛剛開發的CK535D全功能數控倒立立車采用立床身立滑板結構。機床采用大功率內置電主軸結構，主軸可沿X、Z軸移動，實現自動上下料功能。機床配有自動旋轉刀庫，實現單機自動化，同時機床可以很方便地添加到生產線上。
a)後傾斜床-傾斜滑板b)直立床-直立滑板
c)平床-光滑板d)前傾斜床-光滑板
e)平板傾斜滑板
圖1病床布局
(2)導軌
車床的導軌可分為滑動導軌和滾動導軌。
該滑動導軌結構簡單，制造方便，接觸剛度高。而傳統的滑動導軌摩擦阻力大，磨損快，動靜摩擦系數差大，低速時容易爬行。現在的數控車床不使用傳統的滑軌，而是使用帶耐磨膠帶的滑軌和新型塑料滑軌。摩擦性能好，使用壽命長。
導軌的剛性，制造是否簡單，能否調節，摩擦損失是否最小，能否保持導軌的初始精度，很大程度上取決於導軌的截面形狀。車床滑動導軌的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，磨損後導軌會靠自重下沈自動補償。下導軌的凸形有利於排汙，但不容易存油。矩形動態變速。全功能數控車床的主傳動系統大多采用無級變速。目前無級變速系統有兩種:變頻主軸系統和伺服主軸系統。壹般采用DC或交流主軸電機，通過皮帶傳動，或通過主軸箱內的皮帶傳動和減速齒輪(以獲得更大的扭矩)來驅動主軸旋轉。由於主軸電機調速範圍寬，無級調速，大大簡化了主軸箱的結構。主軸電機可以在額定轉速下輸出全功率和最大扭矩。
3.刀架系統
數控車床刀架是機床的重要組成部分。刀架是用來夾持刀具的，所以它的結構直接影響機床的切削性能和切削效率。刀架的結構和性能在壹定程度上反映了機床的設計和制造技術水平。隨著數控車床的不斷發展，刀具結構也在不斷翻新。
刀架是直接完成切削的執行部件，因此刀架在結構上必須具有良好的強度和剛度，以承受粗加工時的切削阻力。由於切削精度在很大程度上取決於刀尖的位置，這就要求數控車床選擇可靠的定位方案和合理的定位結構，以保證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、結構緊湊、安全可靠的要求。
根據換刀方式的不同，數控車床的刀架系統主要包括回轉刀架、排刀架和帶刀庫的自動換刀裝置。
(1)世界其他地區刀架
排刀架壹般用於小型數控車床，主要用於加工棒料或盤類零件。其結構形式是在橫向滑板上沿機床的X軸方向排列有夾持各種不同用途工具的刀架。刀具的典型排列如圖4所示。這種刀架在刀具布置和機床調整方面都很方便，可以根據具體工件的車削工藝要求任意組合不同用途的刀具。壹個刀具完成車削任務後，只要橫向滑板按程序沿X軸移動預設距離，第二個刀具就會到達加工位置，從而完成機床的換刀動作。這種換刀方式快捷省時，有利於提高機床的生產效率。寶雞機床廠生產的CK7620P全功能數控車床配有排刀架。
圖4排刀架
(2)旋轉刀架
旋轉刀架是數控車床常用的典型換刀刀架。通過刀架的旋轉分度定位實現機床的自動換刀動作。根據加工要求，可設計成方形、六邊形或圓盤形刀架，相應安裝4個、6個或更多刀架。旋轉刀架的換刀動作可分為刀架升降、刀架分度、刀架鎖緊等幾個步驟。它的動作是由數控系統發出的指令完成的。根據刀架旋轉軸與安裝底面的相對位置，旋轉刀架可分為立式刀架和臥式刀架。寶雞機床廠生產的CJK6140H系列簡易數控車床配有四工位立式刀架或六工位臥式刀架，CK75系列全功能數控車床配有八工位或12工位臥式刀架，如圖5所示。
圖5水平旋轉刀架
(3)帶刀庫的自動換刀裝置
上述的排刀架和回轉刀架不能裝太多刀具。即使配備兩個刀架，刀具數量也有壹定限制。當由於某種原因需要大量刀具時，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換刀機構組成。
4.進料傳輸系統
數控車床的進給傳動系統壹般采用進給伺服系統。這也是數控車床區別於普通車床的特殊之處。
數控車床的伺服系統壹般由驅動控制單元、驅動元件、機械傳動部分、執行機構和檢測反饋環節組成。驅動控制單元和驅動元件形成伺服驅動系統。機械傳動部分和執行元件組成壹個機械傳動系統。檢測元件和反饋電路形成檢測系統。
根據控制方式的不同，進給伺服系統可分為開環系統和閉環系統。閉環控制方式通常是帶位置反饋的伺服系統。根據位置檢測裝置的位置，閉環系統分為半閉環系統和全閉環系統。半閉環系統有兩種類型:位置檢測裝置安裝在絲杠和電機軸的末端。前者將絲杠包含在定位環內，後者將機械傳動部分完全置於定位環外。全閉環系統的位置檢測裝置安裝在工作臺上，機械傳動部分包含在定位環中。
開環系統的定位精度低於閉環系統，但結構簡單，工作可靠，成本低。由於影響定位精度的機械傳動裝置的磨損、慣性和間隙，開環系統的精度和快速性較差。
閉環系統控制精度高，快速性好。但由於機械傳動部分處於控制回路中，系統的動態性能不僅取決於驅動裝置的結構和參數，還取決於機械傳動部分的剛度、阻尼特性、慣性、間隙和磨損。因此，必須綜合考慮機電部分的結構參數，以滿足系統的要求。所以全閉環系統對機床的要求更高，成本也更高。閉環系統中使用的位置檢測器件包括:脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、磁尺、光柵尺和激光幹涉儀。
數控車床進給伺服系統中常用的驅動裝置是伺服電機。伺服電機可分為DC伺服電機和交流伺服電機。交流伺服電機因為可靠性高，基本上是不需要的。
由於其維護成本低，因此被廣泛使用。
二、數控車床的發展趨勢
數控技術的應用不僅給傳統制造業帶來了革命性的變化，使制造業成為工業化的標誌，而且在壹些重要行業(IT、汽車、輕工、醫療等)的發展中發揮著越來越重要的作用。)隨著數控技術的不斷發展和應用領域的不斷擴大，因為這些行業所需設備的數字化已經成為現代發展的大趨勢。目前，數控車床呈現以下發展趨勢。
1.高速高精度
高速和精密是機床發展的永恒目標。隨著科學技術的快速發展，機電產品的更新換代速度加快，對零件的加工精度和表面質量的要求越來越高。為了適應這種復雜多變的市場需求，機床正在向高速切削、幹切削和準幹切削方向發展，加工精度不斷提高。另壹方面，電主軸和直線電機的成功應用，陶瓷球軸承的推出，高精度大導程空心內冷、滾珠螺母強冷的低溫高速滾珠絲杠副，帶滾珠保持架的直線導軌副，也為機床的高速、精密發展創造了條件。
數控車床采用電主軸，取消了皮帶、皮帶輪和齒輪的環節，大大降低了主傳動的轉動慣量，提高了主軸的動態響應速度和工作精度，徹底解決了主軸高速運行時皮帶和皮帶輪傳動的振動和噪音問題。電主軸結構可使主軸轉速達到10000轉/分以上。
直線電機具有較高的驅動速度、良好的加減速特性、優良的響應特性和跟隨精度。采用直線電機作為伺服驅動，省去了滾珠絲杠的中間傳動環節，消除了傳動間隙(包括反向間隙)，運動慣量小，系統剛性好，在高速下也能精確定位，大大提高了伺服精度。
直線滾動導軌副，由於其各個方向的間隙為零，滾動摩擦非常小，磨損小，發熱可以忽略不計，熱穩定性非常好，提高了整個過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，機床的快速移動速度可以從目前的10 ~ 20m/mim提高到60 ~ 80m/min，甚至高達120m/min。
2.高可靠性
數控機床的可靠性是數控機床產品質量的關鍵指標。數控機床能否發揮其高性能、高精度、高效率並取得良好效益，取決於其可靠性。
3.數控車床設計的CAD與結構設計的模塊化。
隨著計算機應用的普及和軟件技術的發展，CAD技術得到了廣泛的發展。CAD不僅可以代替手工完成繁瑣的繪圖工作，更重要的是可以選擇設計方案，分析、計算、預測和優化大型機器的靜態和動態特性，可以動態模擬機器的所有工作部件。在模塊化的基礎上，在設計階段就可以看到產品的三維幾何模型和逼真的色彩。使用CAD還可以大大提高工作效率和設計的壹次成功率，從而縮短試制周期，降低設計成本，提高市場競爭力。
機床部件的模塊化設計不僅可以減少重復性工作，還可以快速響應市場，縮短產品開發設計周期。
4.功能復合
功能復合的目的是為了進壹步提高機床的生產效率，盡量減少非加工輔助所用的時間。通過功能的組合，可以擴大機床的使用範圍，提高效率，實現壹機多用，即壹臺數控車床既能實現車削功能，又能實現銑削加工；或者可以在以銑削為主的機床上實現磨削。寶雞機床廠研制成功CX25Y數控車銑復合中心，具有X、Z、C、Y軸。通過C軸和Y軸，可以實現偏置孔和槽的平面銑削和加工。機床還配有強力刀架和輔助主軸。副主軸采用內置電主軸結構，通過數控系統可以直接實現主軸和副主軸的速度同步。這臺機床的工件壹次裝夾就能加工完畢，大大提高了效率。
5.智能、網絡化、靈活和集成
21世紀的數控設備將是某種智能系統。智能化的內容包括數控系統中的各個方面:為了追求加工效率和加工質量的智能化，如加工過程的自適應控制和工藝參數的自動生成；為了提高驅動性能和連接的智能化，如前饋控制、電機參數自適應運行、負載自動識別、模型自動選擇、自校正等。簡化編程，簡化操作的智能化，比如智能自動編程，智能人機界面；還有智能診斷、智能監控等方面，方便系統的診斷和維護。
網絡化數控設備是近年來機床發展的熱點。數控設備的網絡化將極大地滿足生產線、制造系統和制造企業的信息集成需求，也是實現敏捷制造、虛擬企業和全球制造等新型制造模式的基本單元。
數控機床向柔性自動化系統發展的趨勢是:從點(數控單機、加工中心、數控復合加工機床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(車間獨立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網絡集成制造系統)發展，另壹方面註重應用和經濟。柔性自動化技術是制造業適應動態市場需求、快速更新產品的主要手段，是各國制造業發展的主流趨勢，是先進制造領域的基礎技術。其重點是提高系統的可靠性和實用性，以易於組網和集成為目標，註重加強機組技術的開發和改進。數控單機正朝著高精度、高速度、高柔性的方向發展。數控機床及其柔性制造系統可以方便地與CAD、CAM、CAPP和MTS連接，並向信息集成方向發展。網絡系統正朝著開放性、集成化和智能化的方向發展。