數控機床的選型

前言 隨著現代制造技術的發展，企業選用數控設備已是大勢所趨。目前市面上的數控設備可謂琳瑯滿目，如何才能既經濟又合理地選擇到適合本企業的數控設備，一直是人們關注的話題。為此，我們就數控機床的選型問題向北京機床研究所邀稿，本文完全從技術的角度對選型中應注意的問題進行了全面的論述。

　　對一個制造企業來說，提高生產能力往往從生產管理、制造工藝、生產設備等方面入手進行技術改造，而這幾部分內容又是互為影響和制約的。在技改中對生產設備、數控機床的更新、維修、采購等的選擇上必須考慮到要在什么樣環境下使用、如何管理、怎樣能達到最好的經濟效果等問題。
　　選擇制造設備是要為制造某一些產品服務的，選擇的設備可能用于產品零件的一部分工序加工、也可能用于全部工序加工。制造水平的高低首先取決于工藝過程的設計，它將決定用什么方法和手段來加工，從而也決定了對使用設備的基本要求，這也是對生產進行技術組織和管理的依據。設備選擇的基本要求確定后還要根據市場上能提供什么樣技術水平的裝備來選擇，針對大部分中小批量生產的制造企業，選擇數控機床來替代舊機床或增強生產能力已是發展趨勢。
　　比較普通和數控兩類機床的性能，數控機床具有加工復雜形面零件能力強、適應多種加工對象(柔性強)；加工質量、精度和加工效率高；適應CAD/CAM 聯網、適合制造加工信息集成管理；設備的利用率高、正常運行費用低等特點。
　　選擇數控機床是一個綜合性技術問題，現在無論國內還是國外，都能生產提供多種多樣的設備。數控機床經幾十年發展已演變出一個龐大家族群，能完成各種各樣的加工制造要求。如何從品種繁多、價格昂貴的設備中選擇適用的設備，如何使這些設備在制造中充分發揮作用而且又能滿足企業以后的發展，如何正確、合理地選購與主機配套的附件、工具、軟件技術、售后技術服務等，使采購的設備能達到較好的投入比……這些問題都是廣大采購者必須考慮，并逐一要處理好的問題。
　　一、確定典型加工工件“族”
　　確定加工什么樣零件是選擇設備的第一步。企業根據技術改造和生產發展需要，確定有哪些零件、那些工序準備用新的加工設備來完成，要考慮到產品發展的遠景規劃。用成組技術把這些零件進行分組歸類，確定準備主要加工對象的典型零件族。在歸類中往往會遇到零件規格大小相差很多、零件形狀相差較大、各類零件加工工時大大超過設備滿負荷工時等問題，因此，要進一步選擇確定生產綱領又比較接近要求的典型工件族。典型工件族按外型可以分為菱形類(箱體類)、板類、回轉體類(盤、套、軸、法蘭)和異形類等；按加工精度要求又可分普通級和精密級等。典型零件分類清楚了，基本加工設備也就比較明確了。
　　二、典型零件族的工藝規程設計
　　在確定加工零件后還必須用數控加工工藝的學觀點對工藝流程進行新的規劃設計，這里包括對原工藝生產流程的變革、探索實現新工藝方法的可行性、探索實現現代生產管理和物流管理可行性、探索使用先進刀具工裝大幅度提高生產效率的可行性、探索在生產線上數控設備和其他設備(普通的、專機的)的合理配制工藝等，目的是希望得到使用數控機床后的最佳工藝制造流程。下面是幾個典型類零件的合理加工工藝。
　　軸類零件：銑端面打中心孔→數控車床(粗加工)→數控磨床(精加工)；
　　法蘭和盤類件：數控車床(粗加工)→車削中心(精加工)；
　　型腔模具零件：普通機床加工外形及基面→數控銑床加工型面→高速數控銑精加工→拋光或電腐蝕型面；
　　板類零件：雙軸銑床或龍門銑床加工大平面→立式加工中心上加工各類孔；
　　箱體零件：立式加工中心上加工底面→臥式加工中心上加工四周面各工藝面。
　　在安排工藝流程中考慮下列因素：
　　選擇最短的加工工藝流程。
　　數控機床有相當大適應性，但也不是萬能的，從經濟觀點考慮，典型工件族中每一種零件都有一個經濟批量，應在經濟批量基礎上使用比較先進的工藝手段。
　　盡量發揮機床的各種工藝特點，追求最大限度地發揮數控機床的綜合加工能力特長(多工序集中的工藝特點)，應在生產流程中配置最少的機床數量、最少的工藝裝備和夾具。
　　要考慮生產線或生產車間的各種設備能力的平衡。作為單臺數控機床的選擇或一條生產線的配置，單一的設備不可能完全包下一個工件的全部加工工序，必然有和其他設備的工序轉接，各設備之間的生產能力要平衡，滿足生產節拍的綜合要求，所以安排每臺設備上的工序數量、加工工序順序等既要發揮各臺數控機床的特長、滿足精度要求，還要進一步應考慮各臺機床上工件轉序時工藝基準的合理使用。
　　在安排數控加工工藝中經常碰到的問題是工序集中與工藝加工漸精原則的矛盾。在數控機床的使用上，人們普遍采用將多工序集中在一臺機床上完成的工藝集中原則，以此來追求提高生產率，縮短零件加工周期，甚至希望工件在一次裝卡中全部加工完畢。但實際上對一些復雜的、精度要求較高的工件，由于在加工過程中的熱變形、內應力引起的工件變形、工夾具夾緊變形、熱處理要求時效等工藝因素和程編者操作因素等，很難一次裝卡完成全部加工。基本工藝準則中對加工零件的逐步精化要求制約著工序集中的數量，妥善處理這兩者矛盾是數控加工工藝的重要內容。
　　在對典型工件族工藝流程的安排中，應妥善安排各臺機床和生產線的手工調整和檢測等工作，即人工干預的影響。企業要根據自身的技術裝備能力、技術水平和技術改造投入的力度，確定在工藝流程中人工干預的程度，這決定了對選擇數控機床的自動化水平和功能要求。應客觀考慮適當采用手工調整來補充企業要達到完全自動化的能力，對企業的工藝能力和設備水平確切定位。
　　三、數控機床主要特征規格的選擇
　　機床特征規格應包括機型、機床規格參數和機床主電機功率等。在確定工藝內容的前提下，機型選擇就較明確了。例如，回轉體零件加工主要可供選擇設備有車床、車削中心、數控磨床等；箱體的加工則應以立式或臥式加工中心為主。
　　數控機床已發展成品種繁多、可供廣泛選擇的商品，在機型選擇中應在滿足加工工藝要求的前提下越簡單越好。例如，車削中心和數控車床都可以加工軸類零件，但一臺滿足同樣加工規格的車削中心價格要比數控車床貴幾倍，如果沒有進一步工藝要求，選數控車床應是合理的。在加工型腔模具零件中，同規格的數控銑床和加工中心都能滿足基本加工要求，但兩種機床價格相差20%～50%，所以在模具加工中要采用常更換刀具的工藝可安排選用加工中心，而固定一把刀具長時間銑削的可選用數控銑床。
　　數控機床的最主要規格是幾個數控軸的行程范圍和主軸電機功率。機床的三個基本直線坐標(X、Y、Z)行程反映該機床允許的加工空間，在車床中兩個坐標(X、Z)反映允許回轉體的大小。一般情況下加工工件的輪廓尺寸應在機床的加工空間范圍之內，例如，典型工件是450 mm ×450 mm ×450 mm 的箱體，那么應選取工作臺面尺寸為500mm×500 mm 的加工中心。選用工作臺面比典型工件稍大一些是出于安裝夾具考慮的。機床工作臺面尺寸和三個直線坐標行程都有一定的比例關系，如上述工作臺(500 mm ×500 mm)的機床，x 軸行程一般為(700～800)mm、y 軸為(500～700)mm、z 軸為(500～600)mm 左右。因此，工作臺面的大小基本上確定了加工空間的大小。個別情況下也允許工件尺寸大于坐標行程，這時必須要求零件上的加工區域處在行程范圍之內，而且要考慮機床工作臺的允許承載能力，以及工件是否與機床交換刀刀具的空間干涉、與機床防護罩等附件發生干涉等系列問題。
　　數控機床的主電機功率在同類規格機床上也可以有各種不同的配置，一般情況下反映了該機床的切削剛性和主軸高速性能。例如，輕型機床比標準型機床主軸電機功率就可能小1～2 級。目前一般加工中心主軸轉速在(4000～8000)r/min，高速型機床立式機床可達(20000～70000)r/min，臥式機床(10000～20000)r/min，其主軸電機功率也成倍加大。主軸電機功率反映了機床的切削效率，從另一個側面也反映了切削剛性和機床整體剛度。在現代中小型數控機床中，主軸箱的機械變速已較少采用，往往都采用功率較大的交流可調速電機直聯主軸，甚至采用電主軸結構。這樣的結構在低速中扭矩受到限制，即調速電機在低轉速時輸出功率下降，為了確保低速輸出扭矩，就得采用大功率電機，所以同規格機床數控機床主軸電機比普通機床大好幾倍。當使用單位的一些典型工件上有大量的低速加工時，也必須對選擇機床的低速輸出扭矩進行校核。輕型機床在價格上肯定便宜，要求用戶根據自己的典型工件毛坯余量大小、切削能力(單位時間金屬切除量)、要求達到的加工精度、實際能配置什么樣刀具等因素綜合選擇機床。
　　近年來數控機床上高速化趨勢發展很快，主軸從每分鐘幾千轉到幾萬轉，直線坐標快速移動速度從(10～20)m/min 上升到80m/min 以上，當然機床價格也相應上升，用戶單位必須根據自己的技術能力和配套能力做出合理選擇。例如，立式加工中心上主軸最高轉速可達(50000～80000)r/min，除了一些加工特例以外，一般相配套的刀具就很昂貴。一些高速車床都可以達到(6000～8000)r/min 以上，這時車刀的配置要求也很高。
　　對少量特殊工件僅靠三個直線坐標加工不能滿足要求，要另外增加回轉坐標(A、B、C)或附加工坐標(U、Ｖ、Ｗ)等，目前機床市場上這些要求都能滿足，但機床價格會增長很多，尤其是對一些要求多軸聯動加工要求，如四軸、五軸聯動加工，必須對相應配套的編程軟件、測量手段等有全面考慮和安排。
　　四、機床精度的選擇
　　典型零件的關鍵部位加工精度要求決定了選擇數控機床的精度等級。數控機床根據用途又分為簡易型、全功能型、超精密型等，其能達到的精度也是各不一樣的。簡易型目前還用于一部分車床和銑床，其最小運動分辯率為0.01mm，運動精度和加工精度都在(0.03～0.05)mm 以上。超精密型用于特殊加工，其精度可達0.001mm 以下。這里主要討論應用最多的全功能數控機床(以加工中心為主)。
　　按精度可分為普通型和精密型，一般數控機床精度檢驗項目都有20～30 項，但其最有特征項目是：單軸定位精度、單軸重復定位精度和兩軸以上聯動加工出試件的圓度。
　　其他精度項目與表1 內容都有一定的對應關系。定位精度和重復定位精度綜合反映了該軸各運動部件的綜合精度。尤其是重復定位精度，它反映了該軸在行程內任意定位點的定位穩定性，這是衡量該軸能否穩定可靠工作的基本指標。目前數控系統中軟件都有豐富的誤差補償功能，能對進給傳動鏈上各環節系統誤差進行穩定的補償。例如，傳動鏈各環節的間隙、彈性變形和接觸剛度等變化因素，它們往往隨著工作臺的負載大小、移動距離長短、移動定位速度的快慢等反映出不同的瞬時運動量。在一些開環和半閉環進給伺服系統中，測量元件以后的機械驅動元件，受各種偶然因素影響，也有相當大的隨機誤差影響，如滾珠絲杠熱伸長引起的工作臺實際定位位置漂移等。總之，如果能選擇，那么就選重復定位精度最好的設備！
　　銑削圓柱面精度或銑削空間螺旋槽(螺紋)是綜合評價該機床有關數控軸(兩軸或三軸)伺服跟隨運動特性和數控系統插補功能的指標，評價方法是測量加工出圓柱面的圓度。在數控機床試切件中還有銑斜方形四邊加工法，也可判斷兩個可控軸在直線插補運動時的精度。在做這項試切時，把用于精加工的立銑刀裝到機床主軸上，銑削放置在工作臺上的圓形試件，對中小型機床圓形試件一般取在f200～f300，然后把切完的試件放到圓度儀上，測出其加工表面的圓度。銑出圓柱面上有明顯銑刀振紋反映該機床插補速度不穩定；銑出的圓度有明顯橢圓誤差，反映插補運動的兩個可控軸系統增益不匹配；在圓形表面上每一可控軸運動換方向的點位上有停刀點痕跡(在連續切削運動中，在某一位置停止進給運動刀具就會在加工表面上形成一小段多切去金屬的痕跡)時，反映該軸正反向間隙沒有調整好。
　　單軸定位精度是指在該軸行程內任意一個點定位時的誤差范圍，它直接反映了機床的加工精度能力，所以是數控機床最關鍵技術指標。目前全世界各國對這指標的規定、定義、測量方法和數據處理等有所不同，在各類數控機床樣本資料介紹中，常用的標準有美國標準(NAS)和美國機床制造商協會推薦標準、德國標準(VDI)、日本標準(JIS)、國際標準化組織(ISO)和我國國家標準(GB)。在這些標準中規定最低的是日本標準，因為它的測量方法是使用單組穩定數據為基礎，然后又取出用±值把誤差值壓縮一半，所以用它的測量方法測出的定位精度往往比用其他標準測出的相差一倍以上。
　　其他幾種標準盡管處理數據上有所區別，但都反映了要按誤差統計規律來分析測量定位精度，即對數控機床某一可控軸行程中某一個定位點誤差，應該反映出該點在以后機床長期使用中成千上萬次在此定位的誤差，而我們在測量時只能測量有限次數(一般5～7 次)。為了真實反映這個定位點周圍一組隨機分散的點群定位誤差分布范圍，我們采用了誤差統計規律數據處理方法。例如，按老的ISO 標準推薦±3s 散差處理辦法，我們來測量一臺加工中心機床上某一個坐標精度，如圖1 所示。
　　若我們對其中的某一定位點在正、反方向趨近該定位點，定位七次(N=7)，其每一次實測數據如下：+4μm、+2μm、+1μm、0、-1μm、-2μm、-4μm。按ISO 標準規定，該定位點散差的平均值為DXn=0，其散差3s約為7.9μm。該點定位誤差分布如圖2 所示。
　　在該定位點上，當正反方向反復定位時，將有99.96%的可能性在±3s=15.8μm 范圍以內。在德國VDI 標準內規定5s，將得到比這更大的誤差。因此，這一重復定位精度為15.8μm。從1998 年以來，國際上開始試運行新標準，按4s 處理將得到重復定位精度為10.5μm，但該算法反映了95%左右定位點范圍。按日本JIS 標準處理上述情況，將得到重復定位精度為±4μm。從這里看出，JIS 標準規定精度是最松的，而VDI標準要求最為嚴格。
　　定位精度曲線，實際上是用整個行程內一連串定位點的定位誤差包絡線構成全程定位精度范圍。現在針對數控機床，測量定位精度和重復定位精度一般都用激光測距儀，編制一個測量運動程序，讓機床運動部件每間隔(50～100)mm 移動一個點，往復運動5～7次，與測距儀相連的計算機應用軟件就會處理出各標準的檢測結果。
　　從機床定位精度可估算出該機床加工時可能達到的精度，如在單軸上移動加工兩個孔的孔距精度約為單軸在該段定位誤差的1～2 倍(具體誤差值與工藝因素密切相關)。機床的定位精度與該機床的幾何精度相匹配，精密級定位精度的機床要求該機床的幾何精度也不能低于同類的坐標鏜床。
　　現在有一些用戶對批量生產的典型零件加工，提出設備工藝能力系數的考核，要求CPK值>1.1～1.33，這實質上是要求機床精度相對零件精度允差要有足夠精度儲備，這樣才能滿足批量生產加工精度穩定性要求。
　　對定位精度要求較高的機床，必須關注它的進給伺服系統是采用半閉環方式，還是全閉環方式，必須關注使用檢測元件的精度及穩定性。機床采用半閉環伺服驅動方式時的精度穩定性要受到一些外界因素影響，例如，傳動鏈中因工作溫度變化引起滾珠絲杠長度變化，這必然使工作臺實際定位位置產生漂移影響，進而影響加工件的加工精度。圖3 是目前常用的進給傳動鏈的一般結構。在半閉環控制方式下，位置檢測元件放在伺服電機另一端。滾珠絲杠軸向位置主要靠一端固定，另一端可以自由伸長，當絲杠伸長時工作臺就一個附加移動量。在一些新型中小數控機床上，采用減小導軌負荷(用直線滾動導軌)、提高絲杠制造精度、絲杠兩端加預拉伸和絲杠中心通恒溫油冷卻等措施，在半閉環系統中也得到了較穩定的定位精度。
　　五、數控系統的選擇
　　隨著市場需求多樣化，機床制造商往往提供同一種機床可配置多種數控的選擇或數控系統中多種選擇功能的選擇。
　　機床制造商提供的機床配置的數控系統分為主流系統及可適應的系統，主流系統相對來說技術成熟性好一些，但對使用用戶應另有要求，例如對名牌系統的質量追求、希望在國內有較好的售后技術條件、在用戶單位使用的數控系統相對集中在幾家等要求，以便使用掌握和維修配件準備，所以用戶單位都愿意配置自己信得過或比較熟悉的數控系統。