前言 隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)選用數(shù)控設(shè)備已是大勢所趨。目前市面上的數(shù)控設(shè)備可謂琳瑯滿目，如何才能既經(jīng)濟(jì)又合理地選擇到適合本企業(yè)的數(shù)控設(shè)備，一直是人們關(guān)注的話題。為此，我們就數(shù)控機(jī)床的選型問題向北京機(jī)床研究所邀稿，本文完全從技術(shù)的角度對選型中應(yīng)注意的問題進(jìn)行了全面的論述。

　　對一個制造企業(yè)來說，提高生產(chǎn)能力往往從生產(chǎn)管理、制造工藝、生產(chǎn)設(shè)備等方面入手進(jìn)行技術(shù)改造，而這幾部分內(nèi)容又是互為影響和制約的。在技改中對生產(chǎn)設(shè)備、數(shù)控機(jī)床的更新、維修、采購等的選擇上必須考慮到要在什么樣環(huán)境下使用、如何管理、怎樣能達(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)效果等問題。
　　選擇制造設(shè)備是要為制造某一些產(chǎn)品服務(wù)的，選擇的設(shè)備可能用于產(chǎn)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(shè)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(shè)備的基本要求，這也是對生產(chǎn)進(jìn)行技術(shù)組織和管理的依據(jù)。設(shè)備選擇的基本要求確定后還要根據(jù)市場上能提供什么樣技術(shù)水平的裝備來選擇，針對大部分中小批量生產(chǎn)的制造企業(yè)，選擇數(shù)控機(jī)床來替代舊機(jī)床或增強生產(chǎn)能力已是發(fā)展趨勢。
　　比較普通和數(shù)控兩類機(jī)床的性能，數(shù)控機(jī)床具有加工復(fù)雜形面零件能力強、適應(yīng)多種加工對象(柔性強)；加工質(zhì)量、精度和加工效率高；適應(yīng)CAD/CAM 聯(lián)網(wǎng)、適合制造加工信息集成管理；設(shè)備的利用率高、正常運行費用低等特點。
　　選擇數(shù)控機(jī)床是一個綜合性技術(shù)問題，現(xiàn)在無論國內(nèi)還是國外，都能生產(chǎn)提供多種多樣的設(shè)備。數(shù)控機(jī)床經(jīng)幾十年發(fā)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(shè)備中選擇適用的設(shè)備，如何使這些設(shè)備在制造中充分發(fā)揮作用而且又能滿足企業(yè)以后的發(fā)展，如何正確、合理地選購與主機(jī)配套的附件、工具、軟件技術(shù)、售后技術(shù)服務(wù)等，使采購的設(shè)備能達(dá)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(shè)備的第一步。企業(yè)根據(jù)技術(shù)改造和生產(chǎn)發(fā)展需要，確定有哪些零件、那些工序準(zhǔn)備用新的加工設(shè)備來完成，要考慮到產(chǎn)品發(fā)展的遠(yuǎn)景規(guī)劃。用成組技術(shù)把這些零件進(jìn)行分組歸類，確定準(zhǔn)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(guī)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(shè)備滿負(fù)荷工時等問題，因此，要進(jìn)一步選擇確定生產(chǎn)綱領(lǐng)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(zhuǎn)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(shè)備也就比較明確了。
　　二、典型零件族的工藝規(guī)程設(shè)計
　　在確定加工零件后還必須用數(shù)控加工工藝的學(xué)觀點對工藝流程進(jìn)行新的規(guī)劃設(shè)計，這里包括對原工藝生產(chǎn)流程的變革、探索實現(xiàn)新工藝方法的可行性、探索實現(xiàn)現(xiàn)代生產(chǎn)管理和物流管理可行性、探索使用先進(jìn)刀具工裝大幅度提高生產(chǎn)效率的可行性、探索在生產(chǎn)線上數(shù)控設(shè)備和其他設(shè)備(普通的、專機(jī)的)的合理配制工藝等，目的是希望得到使用數(shù)控機(jī)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(shù)控車床(粗加工)→數(shù)控磨床(精加工)；
　　法蘭和盤類件：數(shù)控車床(粗加工)→車削中心(精加工)；
　　型腔模具零件：普通機(jī)床加工外形及基面→數(shù)控銑床加工型面→高速數(shù)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(shù)控機(jī)床有相當(dāng)大適應(yīng)性，但也不是萬能的，從經(jīng)濟(jì)觀點考慮，典型工件族中每一種零件都有一個經(jīng)濟(jì)批量，應(yīng)在經(jīng)濟(jì)批量基礎(chǔ)上使用比較先進(jìn)的工藝手段。
　　盡量發(fā)揮機(jī)床的各種工藝特點，追求最大限度地發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的綜合加工能力特長(多工序集中的工藝特點)，應(yīng)在生產(chǎn)流程中配置最少的機(jī)床數(shù)量、最少的工藝裝備和夾具。
　　要考慮生產(chǎn)線或生產(chǎn)車間的各種設(shè)備能力的平衡。作為單臺數(shù)控機(jī)床的選擇或一條生產(chǎn)線的配置，單一的設(shè)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(shè)備的工序轉(zhuǎn)接，各設(shè)備之間的生產(chǎn)能力要平衡，滿足生產(chǎn)節(jié)拍的綜合要求，所以安排每臺設(shè)備上的工序數(shù)量、加工工序順序等既要發(fā)揮各臺數(shù)控機(jī)床的特長、滿足精度要求，還要進(jìn)一步應(yīng)考慮各臺機(jī)床上工件轉(zhuǎn)序時工藝基準(zhǔn)的合理使用。
　　在安排數(shù)控加工工藝中經(jīng)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(shù)控機(jī)床的使用上，人們普遍采用將多工序集中在一臺機(jī)床上完成的工藝集中原則，以此來追求提高生產(chǎn)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(fù)雜的、精度要求較高的工件，由于在加工過程中的熱變形、內(nèi)應(yīng)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(zhǔn)則中對加工零件的逐步精化要求制約著工序集中的數(shù)量，妥善處理這兩者矛盾是數(shù)控加工工藝的重要內(nèi)容。
　　在對典型工件族工藝流程的安排中，應(yīng)妥善安排各臺機(jī)床和生產(chǎn)線的手工調(diào)整和檢測等工作，即人工干預(yù)的影響。企業(yè)要根據(jù)自身的技術(shù)裝備能力、技術(shù)水平和技術(shù)改造投入的力度，確定在工藝流程中人工干預(yù)的程度，這決定了對選擇數(shù)控機(jī)床的自動化水平和功能要求。應(yīng)客觀考慮適當(dāng)采用手工調(diào)整來補充企業(yè)要達(dá)到完全自動化的能力，對企業(yè)的工藝能力和設(shè)備水平確切定位。
　　三、數(shù)控機(jī)床主要特征規(guī)格的選擇
　　機(jī)床特征規(guī)格應(yīng)包括機(jī)型、機(jī)床規(guī)格參數(shù)和機(jī)床主電機(jī)功率等。在確定工藝內(nèi)容的前提下，機(jī)型選擇就較明確了。例如，回轉(zhuǎn)體零件加工主要可供選擇設(shè)備有車床、車削中心、數(shù)控磨床等；箱體的加工則應(yīng)以立式或臥式加工中心為主。
　　數(shù)控機(jī)床已發(fā)展成品種繁多、可供廣泛選擇的商品，在機(jī)型選擇中應(yīng)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(shù)控車床都可以加工軸類零件，但一臺滿足同樣加工規(guī)格的車削中心價格要比數(shù)控車床貴幾倍，如果沒有進(jìn)一步工藝要求，選數(shù)控車床應(yīng)是合理的。在加工型腔模具零件中，同規(guī)格的數(shù)控銑床和加工中心都能滿足基本加工要求，但兩種機(jī)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(shù)控銑床。
　　數(shù)控機(jī)床的最主要規(guī)格是幾個數(shù)控軸的行程范圍和主軸電機(jī)功率。機(jī)床的三個基本直線坐標(biāo)(X、Y、Z)行程反映該機(jī)床允許的加工空間，在車床中兩個坐標(biāo)(X、Z)反映允許回轉(zhuǎn)體的大小。一般情況下加工工件的輪廓尺寸應(yīng)在機(jī)床的加工空間范圍之內(nèi)，例如，典型工件是450 mm ×450 mm ×450 mm 的箱體，那么應(yīng)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(jī)床工作臺面尺寸和三個直線坐標(biāo)行程都有一定的比例關(guān)系，如上述工作臺(500 mm ×500 mm)的機(jī)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(biāo)行程，這時必須要求零件上的加工區(qū)域處在行程范圍之內(nèi)，而且要考慮機(jī)床工作臺的允許承載能力，以及工件是否與機(jī)床交換刀刀具的空間干涉、與機(jī)床防護(hù)罩等附件發(fā)生干涉等系列問題。
　　數(shù)控機(jī)床的主電機(jī)功率在同類規(guī)格機(jī)床上也可以有各種不同的配置，一般情況下反映了該機(jī)床的切削剛性和主軸高速性能。例如，輕型機(jī)床比標(biāo)準(zhǔn)型機(jī)床主軸電機(jī)功率就可能小1～2 級。目前一般加工中心主軸轉(zhuǎn)速在(4000～8000)r/min，高速型機(jī)床立式機(jī)床可達(dá)(20000～70000)r/min，臥式機(jī)床(10000～20000)r/min，其主軸電機(jī)功率也成倍加大。主軸電機(jī)功率反映了機(jī)床的切削效率，從另一個側(cè)面也反映了切削剛性和機(jī)床整體剛度。在現(xiàn)代中小型數(shù)控機(jī)床中，主軸箱的機(jī)械變速已較少采用，往往都采用功率較大的交流可調(diào)速電機(jī)直聯(lián)主軸，甚至采用電主軸結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)在低速中扭矩受到限制，即調(diào)速電機(jī)在低轉(zhuǎn)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(jī)，所以同規(guī)格機(jī)床數(shù)控機(jī)床主軸電機(jī)比普通機(jī)床大好幾倍。當(dāng)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(jī)床的低速輸出扭矩進(jìn)行校核。輕型機(jī)床在價格上肯定便宜，要求用戶根據(jù)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(dá)到的加工精度、實際能配置什么樣刀具等因素綜合選擇機(jī)床。
　　近年來數(shù)控機(jī)床上高速化趨勢發(fā)展很快，主軸從每分鐘幾千轉(zhuǎn)到幾萬轉(zhuǎn)，直線坐標(biāo)快速移動速度從(10～20)m/min 上升到80m/min 以上，當(dāng)然機(jī)床價格也相應(yīng)上升，用戶單位必須根據(jù)自己的技術(shù)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(zhuǎn)速可達(dá)(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(dá)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(biāo)加工不能滿足要求，要另外增加回轉(zhuǎn)坐標(biāo)(A、B、C)或附加工坐標(biāo)(U、Ｖ、Ｗ)等，目前機(jī)床市場上這些要求都能滿足，但機(jī)床價格會增長很多，尤其是對一些要求多軸聯(lián)動加工要求，如四軸、五軸聯(lián)動加工，必須對相應(yīng)配套的編程軟件、測量手段等有全面考慮和安排。
　　四、機(jī)床精度的選擇
　　典型零件的關(guān)鍵部位加工精度要求決定了選擇數(shù)控機(jī)床的精度等級。數(shù)控機(jī)床根據(jù)用途又分為簡易型、全功能型、超精密型等，其能達(dá)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(dá)0.001mm 以下。這里主要討論應(yīng)用最多的全功能數(shù)控機(jī)床(以加工中心為主)。
　　按精度可分為普通型和精密型，一般數(shù)控機(jī)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(fù)定位精度和兩軸以上聯(lián)動加工出試件的圓度。
　　其他精度項目與表1 內(nèi)容都有一定的對應(yīng)關(guān)系。定位精度和重復(fù)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(fù)定位精度，它反映了該軸在行程內(nèi)任意定位點的定位穩(wěn)定性，這是衡量該軸能否穩(wěn)定可靠工作的基本指標(biāo)。目前數(shù)控系統(tǒng)中軟件都有豐富的誤差補償功能，能對進(jìn)給傳動鏈上各環(huán)節(jié)系統(tǒng)誤差進(jìn)行穩(wěn)定的補償。例如，傳動鏈各環(huán)節(jié)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(fù)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(huán)和半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，測量元件以后的機(jī)械驅(qū)動元件，受各種偶然因素影響，也有相當(dāng)大的隨機(jī)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(fù)定位精度最好的設(shè)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(jī)床有關(guān)數(shù)控軸(兩軸或三軸)伺服跟隨運動特性和數(shù)控系統(tǒng)插補功能的指標(biāo)，評價方法是測量加工出圓柱面的圓度。在數(shù)控機(jī)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(jī)床主軸上，銑削放置在工作臺上的圓形試件，對中小型機(jī)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(jī)床插補速度不穩(wěn)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(tǒng)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(xù)切削運動中，在某一位置停止進(jìn)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(diào)整好。
　　單軸定位精度是指在該軸行程內(nèi)任意一個點定位時的誤差范圍，它直接反映了機(jī)床的加工精度能力，所以是數(shù)控機(jī)床最關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。目前全世界各國對這指標(biāo)的規(guī)定、定義、測量方法和數(shù)據(jù)處理等有所不同，在各類數(shù)控機(jī)床樣本資料介紹中，常用的標(biāo)準(zhǔn)有美國標(biāo)準(zhǔn)(NAS)和美國機(jī)床制造商協(xié)會推薦標(biāo)準(zhǔn)、德國標(biāo)準(zhǔn)(VDI)、日本標(biāo)準(zhǔn)(JIS)、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和我國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB)。在這些標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定最低的是日本標(biāo)準(zhǔn)，因為它的測量方法是使用單組穩(wěn)定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，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(biāo)準(zhǔn)測出的相差一倍以上。
　　其他幾種標(biāo)準(zhǔn)盡管處理數(shù)據(jù)上有所區(qū)別，但都反映了要按誤差統(tǒng)計規(guī)律來分析測量定位精度，即對數(shù)控機(jī)床某一可控軸行程中某一個定位點誤差，應(yīng)該反映出該點在以后機(jī)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(shù)(一般5～7 次)。為了真實反映這個定位點周圍一組隨機(jī)分散的點群定位誤差分布范圍，我們采用了誤差統(tǒng)計規(guī)律數(shù)據(jù)處理方法。例如，按老的ISO 標(biāo)準(zhǔn)推薦±3s 散差處理辦法，我們來測量一臺加工中心機(jī)床上某一個坐標(biāo)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(shù)據(jù)如下：+4μm、+2μm、+1μm、0、-1μm、-2μm、-4μm。按ISO 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(dāng)正反方向反復(fù)定位時，將有99.96%的可能性在±3s=15.8μm 范圍以內(nèi)。在德國VDI 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)規(guī)定5s，將得到比這更大的誤差。因此，這一重復(fù)定位精度為15.8μm。從1998 年以來，國際上開始試運行新標(biāo)準(zhǔn)，按4s 處理將得到重復(fù)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(biāo)準(zhǔn)處理上述情況，將得到重復(fù)定位精度為±4μm。從這里看出，JIS 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定精度是最松的，而VDI標(biāo)準(zhǔn)要求最為嚴(yán)格。
　　定位精度曲線，實際上是用整個行程內(nèi)一連串定位點的定位誤差包絡(luò)線構(gòu)成全程定位精度范圍。現(xiàn)在針對數(shù)控機(jī)床，測量定位精度和重復(fù)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(jī)床運動部件每間隔(50～100)mm 移動一個點，往復(fù)運動5～7次，與測距儀相連的計算機(jī)應(yīng)用軟件就會處理出各標(biāo)準(zhǔn)的檢測結(jié)果。
　　從機(jī)床定位精度可估算出該機(jī)床加工時可能達(dá)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(guān))。機(jī)床的定位精度與該機(jī)床的幾何精度相匹配，精密級定位精度的機(jī)床要求該機(jī)床的幾何精度也不能低于同類的坐標(biāo)鏜床。
　　現(xiàn)在有一些用戶對批量生產(chǎn)的典型零件加工，提出設(shè)備工藝能力系數(shù)的考核，要求CPK值>1.1～1.33，這實質(zhì)上是要求機(jī)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(chǎn)加工精度穩(wěn)定性要求。
　　對定位精度要求較高的機(jī)床，必須關(guān)注它的進(jìn)給伺服系統(tǒng)是采用半閉環(huán)方式，還是全閉環(huán)方式，必須關(guān)注使用檢測元件的精度及穩(wěn)定性。機(jī)床采用半閉環(huán)伺服驅(qū)動方式時的精度穩(wěn)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(chǎn)生漂移影響，進(jìn)而影響加工件的加工精度。圖3 是目前常用的進(jìn)給傳動鏈的一般結(jié)構(gòu)。在半閉環(huán)控制方式下，位置檢測元件放在伺服電機(jī)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(dāng)絲杠伸長時工作臺就一個附加移動量。在一些新型中小數(shù)控機(jī)床上，采用減小導(dǎo)軌負(fù)荷(用直線滾動導(dǎo)軌)、提高絲杠制造精度、絲杠兩端加預(yù)拉伸和絲杠中心通恒溫油冷卻等措施，在半閉環(huán)系統(tǒng)中也得到了較穩(wěn)定的定位精度。
　　五、數(shù)控系統(tǒng)的選擇
　　隨著市場需求多樣化，機(jī)床制造商往往提供同一種機(jī)床可配置多種數(shù)控的選擇或數(shù)控系統(tǒng)中多種選擇功能的選擇。
　　機(jī)床制造商提供的機(jī)床配置的數(shù)控系統(tǒng)分為主流系統(tǒng)及可適應(yīng)的系統(tǒng)，主流系統(tǒng)相對來說技術(shù)成熟性好一些，但對使用用戶應(yīng)另有要求，例如對名牌系統(tǒng)的質(zhì)量追求、希望在國內(nèi)有較好的售后技術(shù)條件、在用戶單位使用的數(shù)控系統(tǒng)相對集中在幾家等要求，以便使用掌握和維修配件準(zhǔn)備，所以用戶單位都愿意配置自己信得過或比較熟悉的數(shù)控系統(tǒng)。