摘   要

數字控制機床——數控機床，其英文名稱(chēng)為CNCMACHINETOOLS。它是一種使用編制好的加工程序自動(dòng)進(jìn)行加工的機電設備。數控機床的種類(lèi)非常多，除了包括數控車(chē)床、數控磨床、數控鏜床、數控刨床、數控銑床、數控立式車(chē)床等完成單一加工的數控機床外，還包括立式車(chē)銑加工中心、臥式銑鏜加工中心、龍門(mén)鏜銑加工中心、數控車(chē)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(lái)新興的電火花機床、激光切割機、水切割機床、線(xiàn)切割機床、并聯(lián)數控機床、自動(dòng)化復合機床生產(chǎn)線(xiàn)等，也發(fā)展得很快。

車(chē)床是主要用車(chē)刀對旋轉的工件進(jìn)行車(chē)削加工的機床，主要用于加工軸、盤(pán)、套和其他具有回轉表面的工件，是機械制造和修配工廠(chǎng)中使用最廣的一類(lèi)機床。數控車(chē)床又稱(chēng)為CNC車(chē)床，即計算機數字控制車(chē)床，是一種高精度、高效率的自動(dòng)化機床。它具有廣泛的加工性能，可加工直線(xiàn)圓柱、斜線(xiàn)圓柱、圓弧和各種螺紋，具有直線(xiàn)插補、圓弧插補各種補償功能，并在復雜零件的批量生產(chǎn)中發(fā)揮了良好的經(jīng)濟效果。數控車(chē)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(dòng)、微電子和信息等多項技術(shù)為一體的機電一體化產(chǎn)品，是機械制造設備中具有高精度、高效率、高自動(dòng)化和高柔性化等優(yōu)點(diǎn)的工作母機。

車(chē)床作為所有金屬加工機床的母機，自1797年英國機械發(fā)明家莫茲利創(chuàng )制了用絲杠傳動(dòng)刀架的現代車(chē)床以來(lái)，己經(jīng)跨越了210多年的歷史，極大地推進(jìn)了機械加工業(yè)的發(fā)展，國際上車(chē)床的發(fā)展經(jīng)歷了從普通車(chē)床到液壓半自動(dòng)、自動(dòng)化，到數控化，直到今天智能化、網(wǎng)絡(luò )化的發(fā)展歷程，機器與人的關(guān)系也變得越來(lái)越簡(jiǎn)化，從依托熟練程度保證工件質(zhì)量到僅輸入數控程序就可獲得高質(zhì)量、高效率的產(chǎn)品，車(chē)床變得越來(lái)越人性化，在適應工況環(huán)境、工藝要求、專(zhuān)業(yè)化、環(huán)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(chē)床特別是數控車(chē)床研發(fā)較早，積累了豐富的車(chē)床研發(fā)經(jīng)驗，其機床在技術(shù)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(lǐng)先優(yōu)勢。我國雖然起步較晚，但經(jīng)歷了技術(shù)引進(jìn)、消化、再創(chuàng )新等階段，目前在中低端市場(chǎng)具有絕對的優(yōu)勢，在高端特別是高精、高速、高復合能力上還很欠缺，縱觀(guān)國內外數控車(chē)床的發(fā)展歷程，結合目前的技術(shù)成熟程度，數控車(chē)床的發(fā)展體現出以下現狀特點(diǎn)。

在通用加工領(lǐng)域，目前市場(chǎng)上常用的普通車(chē)床、經(jīng)濟型數控車(chē)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(lái)5-10年內會(huì )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(xiàn)軌類(lèi)機床所取代，實(shí)現整個(gè)數控車(chē)床時(shí)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(jīng)實(shí)現，下一步將逐步的在中國、印度等發(fā)展中國家實(shí)現。在許多科研、航天及軍事領(lǐng)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(fā)動(dòng)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(guò)機床精度保證工件加工精度。此類(lèi)機床以德馬吉CTX系列數控加工中心為代表。

隨著(zhù)數控系統技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)的創(chuàng )新發(fā)展，讓我們有能力在數控車(chē)床上實(shí)現工件的在線(xiàn)檢測和補償。在實(shí)際加工過(guò)程中由于機床部件受力及熱變形會(huì )導致加工精度降低，在線(xiàn)檢測補償技術(shù)將很好的解決這一問(wèn)題，并且這些高端技術(shù)己經(jīng)幵始向通用類(lèi)設備普及，其代表機床以美國哈斯系列機床為主。

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為數控機床發(fā)展提供無(wú)限可能，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )的普及和成熟，具有互聯(lián)網(wǎng)接口的機床將成為時(shí)代主角，借助網(wǎng)絡(luò )實(shí)現物物聯(lián)網(wǎng)與互通，未來(lái)的機床是可以相互交流的，可以實(shí)現實(shí)時(shí)監控，實(shí)時(shí)反饋，分析利用機床位置狀態(tài)、工件狀態(tài)等數據，極大的提高生產(chǎn)效率。依靠數據也可實(shí)現遠端的網(wǎng)絡(luò )制造及定制化制造，實(shí)現真正的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。此系列機床以沈陽(yáng)機床的i5系列機床為代表。

作為數控車(chē)床的關(guān)鍵功能部件，動(dòng)力刀架有著(zhù)非常重要的功能，主要用來(lái)實(shí)現夾持刀具、儲備刀具和自動(dòng)的換取刀具的功能。數控刀架在市場(chǎng)上通常被分為低、中、高三種，分類(lèi)是主要依據于使用場(chǎng)合來(lái)決定的。低檔次的刀架一般只有電力作為動(dòng)力，簡(jiǎn)稱(chēng)為電動(dòng)刀架，由于只采用電機的力矩作為刀架轉動(dòng)力矩的力量之源，所以不能承載太多的功能，但結構上的簡(jiǎn)單也使得這種低檔的電動(dòng)刀架的承載能力較強，其低檔簡(jiǎn)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(jīng)濟簡(jiǎn)易的機床上使用。中檔的刀架則有了一定的提升，種類(lèi)也較多，主要有液壓刀架、伺服刀架和雙選電動(dòng)刀架。

根據刀架的名稱(chēng)可知，液壓刀架主要是以液壓馬達或者液壓缸作為動(dòng)力之源，伺服則用伺服電機作為動(dòng)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(jià)格的實(shí)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(zhù)更為優(yōu)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(dòng)化也是高檔刀架的發(fā)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(dòng)力刀架的發(fā)展歷史要追溯到上世紀的80年代，隨著(zhù)三十多年的發(fā)展，作為數控機床的關(guān)鍵零部件，其重要程度越來(lái)越得到重視，動(dòng)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(chǎn)企業(yè)集中于德國、意大利、英國等歐洲較為發(fā)達的國家，由于發(fā)展歷史較為悠久，技術(shù)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(lái)的刀架可靠性能更高。世界上比較著(zhù)名的刀架生產(chǎn)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(zhù)中高端的市場(chǎng)。

伺服驅動(dòng)系統采用位置控制、速度控制和電流控制的三環(huán)結構組成。

（1）電流環(huán)

電流環(huán)作為系統最里面一環(huán)，是整個(gè)伺服系統的底層數據采樣環(huán)節，離散電流環(huán)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(huì )越好。電流環(huán)是最內環(huán)，所以電流環(huán)才是控制的根本，是一切控制最直接的執行者。廣義上來(lái)講，做伺服調整的最終目標，就是要保證無(wú)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(huán)輸出的電流諧波分量?。?，不要波動(dòng)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(huán)由于高速處理周期，還肩負著(zhù)對控制異常的細節檢測，電流環(huán)作為最內環(huán)必須滿(mǎn)足比速度環(huán)和位置環(huán)更高的響應周期，以便能精確實(shí)時(shí)的控制由于轉速變化而對應的交流電頻率，即能夠跟得上速度環(huán)發(fā)來(lái)的指令處理，及時(shí)做出響應。

（2）速度環(huán)

速度環(huán)保證電機的轉速與指令值相一致、消除負載轉矩擾動(dòng)等因素對電機轉速的影響。速度指令與反饋的電機實(shí)際轉速相比較，其差值通過(guò)速度調節器直接產(chǎn)生q軸指令電流控制電機加速、減速或勻速，從而使電機的實(shí)際轉速與指令值保持一致。速度環(huán)是連接電流環(huán)和位置環(huán)的中間環(huán)節，合理提高速度環(huán)増益是整個(gè)伺服調試的核心。速度環(huán)是將整個(gè)電流環(huán)作為被控制對象的。轉矩是速度與慣量的乘積為了確保轉矩的穩定，速度與合理的負載慣量比才是根本。所以，速度環(huán)的作用就是確保速度的穩定。速度與負載慣量比直接影響電流環(huán)的穩定。做伺服調整最關(guān)鍵的一個(gè)參數就是速度環(huán)增益（Kv）。

速度環(huán)增益是對給定速度與反饋速度經(jīng)過(guò)比較后的差值放大倍數。顯然這個(gè)倍數越大，對速度變化的分辨率就越高。分辨率越高，那么對速度波動(dòng)的鑒別能力與扭轉能力就越強（因為負反饋的實(shí)質(zhì)就是對差值進(jìn)行不斷的校正，直至為0為止），這個(gè)對速度的扭轉能力非常關(guān)鍵，它表示著(zhù)這個(gè)系統對外界負載的抗干擾能力，速度增益越大，表示系統對外界抗干擾能力就越強，那么抑制速度波動(dòng)的能力就越強，顯然光潔度就要越好了（在無(wú)振動(dòng)前提下）。所以越大的速度環(huán)增益，代表著(zhù)精確的速度控制能力，代表著(zhù)精確的轉矩力道，代表著(zhù)最佳的表面光潔特性，它與位置環(huán)一起，代表著(zhù)機械的最佳響應性。

（3）位置環(huán)

位置環(huán)的根本任務(wù)是使執行機構對位置指令的精確跟蹤，它能產(chǎn)生電機的速度指令并使電機準確定位和跟蹤。通過(guò)設定的目標位置與電機準確定位的實(shí)際位置相比較，利用其偏差通過(guò)位置調節器來(lái)產(chǎn)生電機的速度指令。當給定量隨機變化時(shí)，系統能使被控量準確無(wú)誤地跟蹤并復現給定量。從伺服驅動(dòng)系統原理框圖中可看出，位置環(huán)是三環(huán)里面的最外環(huán)，是最后的調整對象?？刂浦?zhù)包括電流環(huán)與速度環(huán)在內的所有對象。

一般情況下，先確定電流環(huán)與速度環(huán)，最后確定位置環(huán)，所以經(jīng)過(guò)插補之后的位置指令，位置環(huán)是確保加工結果是否滿(mǎn)足要求的最重要的最終的決定因素。評價(jià)一臺機床加工性能的好壞，主要表現在對加工零件的表面光潔度與輪廓精度兩方面，而輪廓精度從系統角度來(lái)講，就是由位置環(huán)決定。在確保了位置環(huán)的輸入指令之后，與通過(guò)反饋回來(lái)的反饋位置進(jìn)行差值放大，即得到位置誤差。顯然，類(lèi)似速度環(huán)增益，位置環(huán)增益描述的是對位置變化的精確分辨能力。它的作用是來(lái)描述系統的靜態(tài)精度與動(dòng)態(tài)跟蹤性能的。位置環(huán)増益KP設定越大，對位置變化的鑒別能力與扭轉能力就越高，則機械的滯后將得到大大改善，動(dòng)態(tài)跟隨性能就越強。配合速度環(huán)的高響應，最終才使得定位精度得以提升。

20世紀60年代初期，數控機床采用液壓伺服系統，液壓伺服系統與當時(shí)傳統的直流電動(dòng)機相比，響應時(shí)間短，輸出相同扭矩的伺服部件的外形尺寸小。但由于液壓伺服系統存在著(zhù)發(fā)熱量大、效率低、污染環(huán)境和不便于維修等缺點(diǎn)。

20世紀60年代中期，小功率伺服型步進(jìn)電機和液壓扭矩放大器所組成的開(kāi)環(huán)系統曾一度廣泛應用于數控機床。其最有代表性的是日本公司的電液脈沖馬達伺服系統。但由于該系統結構過(guò)于復雜、可靠性差等缺點(diǎn)。

20世紀60年代后期，在數控機床上廣泛使用的小慣量直流電動(dòng)機。小慣量直流電機因增加了中間齒輪傳動(dòng)而使電動(dòng)機的結構變得更為復雜，容易出現磨損，增大傳動(dòng)間隙，影響傳動(dòng)精度。

自20世紀80年代以來(lái)隨著(zhù)大規模集成電路、電力電子學(xué)、計算機控制技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機對交流電動(dòng)機的磁場(chǎng)進(jìn)行矢量控制技術(shù)的重大突破，使長(cháng)期以來(lái)人們一直試圖用交流電動(dòng)機取代直流電動(dòng)機應用在調速和伺服控制中的設想得以實(shí)現。交流伺服系統幾乎保留了直流系統的所有優(yōu)點(diǎn)，具有調速范圍寬、穩速精度高和動(dòng)態(tài)響應特性好等優(yōu)良的技術(shù)特性，而且繼承了交流電動(dòng)機本身固有的許多優(yōu)良性能。

近幾年來(lái)，國際上出現了許多采用直線(xiàn)電機進(jìn)給伺服系統的加工設備。在1993年漢諾威歐機床博覽會(huì )上，德國展出了世界上第一臺采用直線(xiàn)電機臥式加工中心，拉開(kāi)了直線(xiàn)電機伺服系統的序幕。直線(xiàn)伺服是高速高精數控機床的理想驅動(dòng)模式，無(wú)論是在國外還是國內都在積極的研究、探索之中，將會(huì )是下一代數控機床的一個(gè)顯著(zhù)特色。

伺服系統是以機械參數（位置、速度、加速度）作為被控量的一種自動(dòng)控制的系統，它的基本要求是系統的輸出能夠迅速而且精確地響應指令輸入的變化。對伺服系統的基本要求有：

1. 穩定性好穩定是指系統在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調節過(guò)程后到達新的或者回到原有的平衡狀態(tài)。

2. 精度高伺服系統的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度。作為精密加工的數控機床，要求的定位精度或輪廓加工精度通常比較離。

3. 快速響應性好快速響應性是伺服系統動(dòng)態(tài)品質(zhì)的標志之一，即要求跟蹤指令信號的響應要快，一方面要求過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，一般要求在200毫秒以?xún)?，甚至小于幾十毫秒；另一方面，要求過(guò)渡過(guò)程的前沿陡，即上升率要大。

4. 靈敏度：系統對參數變化的靈敏度要小，即系統能不因參數變化而受到較大的影響?？垢蓴_性：系統應具有良好的抵抗外部負載干擾和高頻噪音的能力等。

5. 對機械傳動(dòng)系統的要求；為確保數控機床進(jìn)給系統的傳動(dòng)精度和工作平穩性等，在設計機械傳動(dòng)裝置時(shí)，提出如下要求：

（1）髙的傳動(dòng)精度與定位精度：數控機床進(jìn)給傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)精度和定位精度對零件的加工精度起著(zhù)關(guān)鍵性的作用。無(wú)論對點(diǎn)位、直線(xiàn)控制系統，還是輪廓控制系統，傳動(dòng)精度和定位精度都是表征數控機床性能的主要指標。

（2）響應速度要快：工作臺應能在規定的速度范圍內靈敏而精確地跟蹤指令，進(jìn)行單步或連續移動(dòng)，在運行時(shí)不出現丟步或多步現象。

（3）無(wú)間隙傳動(dòng)：進(jìn)給系統的傳動(dòng)間隙一般指反向間隙，即反向死區誤差，它存在于整個(gè)傳動(dòng)鏈的各傳動(dòng)副中，直接影響數控機床的加工精度；因此，應盡量消除傳動(dòng)間隙，減小反向死區誤差。

（4）穩定性好、壽命長(cháng)：穩定性是伺服進(jìn)給系統能夠正常工作的最基本的條件，特別是在低速進(jìn)給情況下不產(chǎn)生爬行，并能適應外加負載的變化而不發(fā)生共振。所謂進(jìn)給系統的壽命，主要指其保持數控機床傳動(dòng)精度和定位精度的時(shí)間長(cháng)短，及各傳動(dòng)部件保持其原來(lái)制造精度的能力。

（5）使用維護方便：進(jìn)給系統的結構設計應便于維護和保養，最大限度地減小維修工作量，以提高機床的利用率。

數控車(chē)床主軸驅動(dòng)系統的特點(diǎn)及要求包括：主軸控制系統的作用是按程序要求驅動(dòng)主軸，在數控車(chē)床的加工方式中，主軸主要是帶動(dòng)工件旋轉，與進(jìn)給伺服驅動(dòng)軸相配合，完成切削運動(dòng)。數控車(chē)床對主軸位置精度和速度調節不像要求進(jìn)給伺服系統那樣高，所以執行部件多采用通用交流異步電動(dòng)機，很少采用價(jià)格昂貴的永磁交流伺服電動(dòng)機，一般采用“變頻器+交流異步電動(dòng)機”進(jìn)行矢量控制、編碼器進(jìn)行速度檢測的方式。隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)的不斷升級，“主軸伺服驅動(dòng)器+主軸伺服電機+外置編碼器”在斜身數控車(chē)銑復合機的應用越來(lái)越廣泛，可以滿(mǎn)足一般精度零件加工和車(chē)削螺紋的要求，并且調速方便，造價(jià)成本相對較低，被廣泛采用。

數控車(chē)床的主軸運動(dòng)是傳遞主切削力，消耗的功率占到機床總功率的60%左右，所以驅動(dòng)系統要有足夠的功率、剛性好、低轉速時(shí)要保持足夠的轉矩；另外，要適應不同加工工藝對主軸轉速的要求，如車(chē)削螺紋、粗加工及精加工等，需要主軸有較寬的調速范圍。

主軸伺服系統也是像進(jìn)給伺服驅動(dòng)一樣，擁有著(zhù)三環(huán)，但是精度與響應要求并沒(méi)有進(jìn)給伺服的要求那么高，一般主軸伺服電機適配的都是增量式2500光電編碼器，也有很多廠(chǎng)家在應對振動(dòng)比較大的切削現場(chǎng)，適配的是旋轉變壓器作為反饋元件。

數控車(chē)床主軸機械傳動(dòng)常見(jiàn)有3種方式：

1. 分段無(wú)級變速。主軸電機通過(guò)有限級齒輪傳動(dòng)驅動(dòng)主軸旋轉，這種傳動(dòng)方式適用于大型數控機床特別是強力切削的場(chǎng)合；

2. 帶傳動(dòng)變速。主軸電機通過(guò)同步帶傳動(dòng)方式驅動(dòng)主軸旋轉，這種傳動(dòng)方式適用于中小型數控機床特別是對抗振性要求較高的場(chǎng)合；

3. 電機直接驅動(dòng)。主軸電機通過(guò)聯(lián)軸器直接驅動(dòng)主軸旋轉或直接采用電主軸，這種傳動(dòng)方式適用于小型數控機床特別是高精度加工場(chǎng)合。

綜上所述，數控機床的伺服系統是實(shí)現機床軸運動(dòng)，包括進(jìn)給運動(dòng)、主軸運動(dòng)及位置控制的關(guān)鍵的系統之一。它的性能對數控機床的重復定位精度、動(dòng)態(tài)響應特性，以及最高空程運動(dòng)速度具有重要影響；同時(shí)伺服系統的發(fā)展對數控機床的發(fā)展產(chǎn)生了不可估量的影響。

來(lái)源：伺服與運動(dòng)控制