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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、圓弧插補各種補償功能,并在復雜零件的批量生產中發揮了良好的經濟效果。數控車床是目前國內使用量最大、覆蓋面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、高穩定性的道路。

數字控制機床——數控機床,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復合加工的數控機床設備。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、并聯數控機床、自動化復合機床生產線等,也發展得很快。

 

車床的發展現狀

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。數控車床又稱為CNC車床,即計算機數字控制車床,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中發揮了良好的經濟效果。數控車床是目前國內使用量最大,覆蓋面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一體的機電一體化產品。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年英國機械發明家莫茲利創制了用絲杠傳動刀架的現代車床以來,己經跨越了210多年的歷史,極大地推進了機械加工業的發展,國際上車床的發展經歷了從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控程序就可獲得高質量、高效率的產品,車床變得越來越人性化,在適應工況環境、工藝要求、專業化、環保等方面都步入了現代殿堂。

國外以德國、美國、日本為首的西方國家,對車床特別是數控車床研發較早,積累了豐富的車床研發經驗,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勢。我國雖然起步較晚,但經歷了技術引進、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,縱觀國內外數控車床的發展歷程,結合目前的技術成熟程度,數控車床的發展體現出以下現狀特點。

(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、經濟型數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,實現整個數控車床時代的變革,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。

隨著數控系統技術、互聯網技術、傳感器技術的創新發展,讓我們有能力在數控車床上實現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、網絡化、柔性化。

互聯網的發展為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時代主角,借助網絡實現物物聯網與互通,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,極大的提高生產效率。依靠數據也可實現遠端的網絡制造及定制化制造,實現真正的工業互聯網。此系列機床以沈陽機床的i5系列機床為代表。

 

數控車床的電機部件

1.刀架

作為數控車床的關鍵功能部件,動力刀架有著非常重要的功能,主要用來實現夾持刀具、儲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低、中、高三種,分類是主要依據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。高檔的數控刀架相比于中檔的刀架,有著更為優良的性能水平,主要表現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展方向,這種刀架主要應用于對精度要求較高的高級數控機床上。

動力刀架的發展歷史要追溯到上世紀的80年代,隨著三十多年的發展,作為數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企業集中于德國、意大利、英國等歐洲較為發達的國家,由于發展歷史較為悠久,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,他們占據著中高端的市場。

2.進給伺服

伺服驅動系統采用位置控制、速度控制和電流控制的三環結構組成。圖1伺服驅動系統原理框圖

(1)電流環

電流環作為系統最里面一環,是整個伺服系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,伺服的控制性能就會越好。電流環是最內環,所以電流環才是控制的根本,是一切控制最直接的執行者。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。

只有電流的穩定,才能保證轉矩的穩定,最后才能確保最終的加工效果。此外,電流環由于高速處理周期,還肩負著對控制異常的細節檢測,電流環作為最內環必須滿足比速度環和位置環更高的響應周期,以便能精