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我国数控车床的现状和发展趋势(一)

  数控机床集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。
    我国数控车床从20世纪70年代初进入市场，至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例。目前，国产数控车床的品种、规格较为齐全，质量基本稳定可靠，已进入实用和全面发展阶段。
    根据不同的市场定位和需求，数控车床可分为经济型数控车床和全功能型数控车床。下面结合宝鸡机床厂数十年研制和生产数控车床的经验和实践，谈谈我国数控车床在结构方面的现状及今后数控车床的整体发展趋势。
    一、数控车床的现状
    1. 床身和导轨
    (1)床身
    机床的床身是整个机床的基础支承件，是机床的主体，一般用来放置导轨、主轴箱等重要部件。床身的结构对机床的布局有很大的影响。按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身有图1所示的5种布局形式。一般来说，中、小规格的数控车床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身，立床身采用的较少。平床身工艺性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处，但床身下部空间小，排屑困难；刀架横滑板较，加大了机床的宽度尺寸，影响外观。平床身斜滑板结构，再配置上倾斜的导轨防护罩，样既保持了平床身工艺性好的优点，床身宽度也不会太大。斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控车床中被广泛应用，是因为这种布局形式具有以下特点：
    ☆ 容易实现机电一体化；
    ☆ 机床外形整齐、美观，占地面积小
    ☆ 容易设置封闭式防护装置；
    ☆ 容易排屑和安装自动排屑器；
    ☆ 从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度；
    ☆ 宜性好，便于操作；
    ☆ 便于安装机械手，实现单机自动化。
    例如，宝鸡机床厂设计生产的CJK6140H系列简式数控车床采用的是平床身平滑板结构；CK75系列全功能数控车床采用的是后斜床身斜滑板结构。而我们刚刚研制开发完成的CK535D全功能数控倒置立式车床，采用的是直立床身直立滑板结构。该机床采用大功率内藏式电主轴结构，主轴可沿X和Z轴移动，以实现自动上下料功能。该机床配置有自动回转料库，从而实现单机自动化，同时该机床也很容易被加入生产线。

         a)后斜床身-斜滑板                          b)直立床身-直立滑板

                                    c)平床身-平滑板                         d)前斜床身-平滑板

                                                              e)平床身-斜滑板

                                     图1 床身布局
    (2)导轨
    车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。
    滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。
    导轨刚度的大小、制造是否简单、能否调整、摩擦损耗是否最小以及能否保持导轨的初始精度，在很大程度上取决于导轨的横截面形状。车床滑动导轨的横截面形状常采用山形截面和矩形截面。山形截面，如图2(a)所示。这种截面导轨导向精度高，导轨磨损后靠自重下沉自动补偿。下导轨用凸形有利于排污物，但不易保存油液。矩形截面，如图2(b)所示。这种截面导轨制造维修方便，承载能力大，新导轨导向精度高，但磨损后不能自动补偿，需用镶条调节，影响导向精度。

                                    a) 山形截面                            b) 矩形截面
                                  图2 导轨截面
    宝鸡机床厂生产的CJK6140H系列简式数控车床床身采用的是山形贴塑导轨，CK75系列全功能数控车床采用的是矩形贴塑导轨。
    滚动导轨的优点是摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。数控车床导轨的行程一般较长，因此滚动体必须循环。根据滚动体的不同，滚动导轨可分为滚珠直线导轨和滚柱直线导轨，如图3所示。后者的承载能力和刚度都比前者高，但摩擦系数略大。宝鸡机床厂生产的CK75C系列全功能数控车床采用的是滚珠直线导轨，CK535D全功能数控倒置立式车床X向导轨采用的是滚柱直线导轨。

                               a) 滚珠直线导轨                         b) 滚柱直线导轨
                                   图3 滚动导轨
    2. 主轴变速系统
    经济型数控车床大多数是不能自动变速的，需要变速时，只能把机床停止，然后手动变速。而全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。目前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮(以获得更大的转矩)带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。主轴电机在额定转速时可输出全部功率和最大转矩。
    3. 刀架系统
    数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。随着数控车床的不断发展，刀具结构形式也在不断翻新。
    刀架是直接完成切削加工的执行部件，所以，刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，所以要求数控车床选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证有较高的重复定位精度。此外，刀架的设计还应满足换刀时间短、结构紧凑和安全可靠等要求。
    按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。
    (1) 排式刀架
    排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。它的结构形式为，夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的X坐标轴方向排列在横向滑板上。刀具的典型布置方式如图4所示。这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿X轴移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的生产效率。宝鸡机床厂生产的CK7620P全功能数控车床配置的就是排式刀架。

                                   图4 排式刀架
    (2) 回转刀架
    回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，通过刀架的旋转分度定位来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架，并相应地安装4把、6把或更多的刀架。回转刀架的换刀动作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤。它的动作是由数控系统发出指令完成的。回转刀架根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，分为立式刀架和卧式刀架两种。宝鸡机床厂生产的CJK6140H系列简式数控车床配置的是四工位立式刀架或六工位卧式刀架，CK75系列全功能数控车床配置的是8工位或12工位卧式刀架，如图5所示。

图5 卧式回转刀架
    (3) 带刀库的自动换刀装置
    上述排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀架，对刀具的数目也有一定限制。当由于某种原因需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。
    4. 进给传动系统
    数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。
    数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。
    进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。
    开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。
    全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。
    数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。
发布时间：2006-9-1
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