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        數控機床技術特征

        數控系統技術的突飛猛進為數控機床的技術進步提供了條件。為了滿足市場的需要,達到現代制造技術對數控技術提出的更高的要求,當前,世界數控技術及其裝備的發展主要體現為以下幾方面技術特征。
          1.高速
          機床向高速化方向發展,不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本,而且還可提高零件的表面加工質量和精度。超高速加工技術對制造業實現低成本生產有廣泛的適用性。
          20世紀90年代以來,歐、美、日各國爭相開發應用新一代高速數控機床,加快機床高速化發展步伐。高速主軸單元(電主軸,轉速15000-100000r/min)、高速且高加/減速度的進給運動部件(快移速度60~120m/min,切削進給速度高達60m/min)、高性能數控和伺服系統以及數控工具系統都出現了新的突破,達到了新的技術水平。隨著超高速切削機理、超硬耐磨長壽命刀具材料和磨料磨具,大功率高速電主軸、高加/減速度直線電機驅動進給部件以及高性能控制系統(含監控系統)和防護裝置等一系列技術領域中關鍵技術的解決,為開發應用新一代高速數控機床提供了技術基礎。
          目前,在超高速加工中,車削和銑削的切削速度已達到5000~8000m/min以上;主軸轉數在30000轉/分(有的高達10萬r/min)以上;工作臺的移動速度(進給速度):在分辨率為1微米時,在100m/min(有的到200m/min)以上,在分辨率為0.1微米時,在24m/min以上;自動換刀速度在1秒以內;小線段插補進給速度達到12m/min。
          2.高精度
          從精密加工發展到超精密加工,是世界各工業強國致力發展的方向。其精度從微米級到亞微米級,乃至納米級(<10nm),其應用范圍日趨廣泛。
          當前,在機械加工高精度的要求下,普通級數控機床的加工精度已由±10μm提高到±5μm;精密級加工中心的加工精度則從±3~5μm,提高到±1~1.5μm,甚至更高;超精密加工精度進入納米級(0.001微米),主軸回轉精度要求達到0.01~0.05微米,加工圓度為0.1微米,加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。這些機床一般都采用矢量控制的變頻驅動電主軸(電機與主軸一體化),主軸徑向跳動小于2μm,軸向竄動小于1μm,軸系不平衡度達到G0.4級。
          高速高精加工機床的進給驅動,主要有“回轉伺服電機加精密高速滾珠絲杠”和“直線電機直接驅動”兩種類型。此外,新興的并聯機床也易于實現高速進給。
          滾珠絲杠由于工藝成熟,應用廣泛,不僅精度能達到較高(ISO34081級),而且實現高速化的成本也相對較低,所以迄今仍為許多高速加工機床所采用。當前使用滾珠絲杠驅動的高速加工機床zui大移動速度90m/min,加速度1.5g。
          滾珠絲杠屬機械傳動,在傳動過程中不可避免存在彈性變形、摩擦和反向間隙,相應地造成運動滯后和其它非線性誤差,為了排除這些誤差對加工精度的影響,1993年開始在機床上應用直線電機直接驅動,由于是沒有中間環節的“零傳動”,不僅運動慣量小、系統剛度大、響應快,可以達到很高的速度和加速度,而且其行程長度理論上不受限制,定位精度在高精度位置反饋系統的作用下也易達到較高水平,是高速高精加工機床特別是中、大型機床較理想的驅動方式。目前使用直線電機的高速高精加工機床zui大快移速度已達208m/min,加速度2g,并且還有發展余地。
          3.高可靠性
          隨著數控機床網絡化應用的發展,數控機床的高可靠性已經成為數控系統制造商和數控機床制造商追求的目標。對于每天工作兩班的無人工廠而言,如果要求在16小時內連續正常工作,無故障率在P(t)=99%以上,則數控機床的平均無故障運行時間MTBF就必須大于3000小時。我們只對一臺數控機床而言,如主機與數控系統的失效率之比為10:1(數控的可靠比主機高一個數量級)。此時數控系統的MTBF就要大于33333.3小時,而其中的數控裝置、主軸及驅動等的MTBF就必須大于10萬小時。
          當前國外數控裝置的MTBF值已達6000小時以上,驅動裝置達30000小時以上,但是,可以看到距理想的目標還有差距。
          4、復合化
          在零件加工過程中有大量的無用時間消耗在工件搬運、上下料、安裝調整、換刀和主軸的升、降速上,為了盡可能降低這些無用時間,人們希望將不同的加工功能整合在同一臺機床上,因此,復合功能的機床成為近年來發展很快的機種。
          柔性制造范疇的機床復合加工概念是指將工件一次裝夾后,機床便能按照數控加工程序,自動進行同一類工藝方法或不同類工藝方法的多工序加工,以完成一個復雜形狀零件的主要乃至全部車、銑、鉆、鏜、磨、攻絲、鉸孔和擴孔等多種加工工序。就棱體類零件而言,加工中心便是zui典型的進行同一類工藝方法多工序復合加工的機床。事實證明,機床復合加工能提高加工精度和加工效率,節省占地面積特別是能縮短零件的加工周期。

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