数控机床功能部件的特点及发展

我UG · 发表于 2009-8-7 10:19

18世纪的工业革命推动了机床的发展，至19世纪初已相继出现各种基本类型的机床，此时它们是由蒸汽机作为动力源，并由塔形皮带轮与背轮机构及挂轮机构实现变速传动，再经由主轴、刀架、床身等组成的实施运动与切削的承载件来完成加工。因此机床的结构可以用三个基本功能组成部分来概括，即：作为工作能源的动力机，作为传递和变速调整控制的配力机以及作为实施切削运动的出力机。到了20世纪初叶，机床已广泛使用单独电动机驱动，使动力机大大简化并与机床集成为一体。20世纪中叶，随着电子技术的发展，美国于1952年研制成功第一台数字控制机床，使作为配力机的控制装备出现了重大的创新。由此促使了机床的驱动传动系统、运动轨迹和速度与位置控制系统以及运动与支承结构的重大变革，研发出了多种多样结构紧凑，能实现不同功能且在逻辑结构或物理结构上能自成独立单元的部件（以下简称功能部件），用以更好地满足制造业对机床向高速、高效、高精、柔性和复合加工发展的需求。

具有机电一体化的特征

数控机床的出现标志着划时代机电一体化产品的问世，而组成数控机床的功能部件将与传统机床的功能部件有很大的不同：首先各功能部件间的联系不再单纯地通过机构或机械来紧密地耦合，而是通过数控系统及程序指令来完成；其次它们都具有不同程度的反馈控制的能力以保证动作的精确性。这些特点充分反映出它的机电一体化的时代特征，成为具有高性能的新型功能部件。

例如，电主轴是把电机转子和定子内装于主轴和主轴套筒上，用编码器进行速度检测并与伺服控制装置构成电主轴单元，根据不同应用场合还有在主轴上能对刀具或工件自动夹持等功能；又如应用直接驱动原理的直线电机也成为集动力、控制和执行机构于一体的功能部件。

运行的可*性和工作的谐和性是基础

功能部件的发展和其专业化生产为机床主轴制造厂提供功能完善、品质优良、运行可*、结构标准化且性价比合适的选件，不仅有利于缩短新产品开发和制造周期，而且由于功能部件已占据数控机床成本相当大的比例，运行的可*性和工作的谐和性是先进功能部件优化应用的基础，运行的可*性和工作的谐和性是先进功能部件优化应用的基础，它的产业化也有助增强数控机床的价格竞争优势。

数控机床的功能部件对机床的功能扩展和性能的提升起着极为重要的作用，因此，它不同于一般配套件和附件的选用，不仅须与数控机床的整体结构谐和协调，融入整机系统具有最佳的匹配性能，而且还能很好地彰显出该数控机床的个性化特征。

例如：应用电机与主轴一体化的电主轴可以减少转动惯量和增加传动刚度，成为数控机床高速化的一项主要措施。但目前不少电主轴商品虽用于铝合金和模具型面加工非常合适，但在加工钢件和铸铁件时由于主轴最大扭矩不足，反使金属切除率下降，从而出现虽有高速的能力却不能获得高效的不足。因此需从整个机床系统的角度来综合考虑相适应的电主轴的转速范围、功率、扭矩等参数，以及研发高速小惯量的内置变速装置等多样化结构以适应不同加工领域的需要。

又如当主轴转速和进给速度的提高会引起一些负面影响，它会使机床结构和测量系统的热变形以及装置控制的跟踪误差随速度增加而增大，因此能用于高速化的数控系统不能仅是提高数据处理能力，而是应具备热误差补偿单元以及能实现速度前瞻控制、位置环前馈控制和加减速平稳控制等先进控制技术的功能。

由此可见，功能部件的研发是一项系统工程，通过它的功能、性能和可*性指标来保障数控机床发挥优异的品质。

提高功能部件市场竞争能力

数控机床的功能部件是一个具有机电一体化特征的子系统。它在控制信息方面与上位的数控系统构成逻辑上的分布式数控体系；在物理结构上则成为执行机床系统中一个或多个功能的独立单元。因此，它的运动参数、承载能力、物理特性、精度保持性和工作寿命等都需与机床系统协调匹配。不断提高品质加强服务是提高功能部件市场竞争能力的重要措施。这里对如何发展品质优良且具有市场竞争力的功能部件提出以下几点粗浅的意见：

1．充分提升功能部件的技术含量，以其高附加值来取得良好的经济效益。一种先进的功能部件不是仅仅依*批量化生产降低成本来取得市场优势，而是需要从产品的设计和制造上树立精益求精的主导思想，加强创新力度，才能形成强势的拳头产品。

2．建立机电一体化功能部件的集成设计技术。适用于数控机床的先进功能部件本身就是一个机电一体化的集成子系统，它是动力能源、广义机械执行装置和动态反馈控制三者的总成，不仅包含三者间的内部匹配和连接，而且还具有与外部的接口。例如伺服驱动装置，只有在综合协调伺服电机的动力特性、外部负载的力学特性与伺服控制平台的参数设置，才能使该装置实现优化。

3．有利于促进数控机床向个性化和可重构化发展。这也是功能部件与一般配套件的一个主要区别。功能部件作为数控机床中的一个分系统，要做到设法以已之长来推进数控机床的整体性能优势。这就需要加强售前服务，既要为用户推荐适用的产品，又能根据需要作必要的改进。为了实现这一目标，对功能部件结构上要深化模块化设计，在制造上要运用定制化规模生产方式，以冀达到功能提升和成本降低的目标。

机电一体化功能部件向功能多样化、接口智能化、结构紧凑化方向发展将有利于促进个性化复合加工机床的推广以及适用于生产线的新一代可重构机床的出现。

4．加强“产学研用”结合和多学科专业的合作。我国数控机床功能部件制造企业不少是在机床元件和附件制造厂基础上发展起来的，为了能实现跨越式发展，除了很好分析国外先进产品的技术外，加强“产学研用”的结合，引入多学科的专业知识将是促进创新的一个有效措施。例如发展在3万转转速下用直径50mm铣刀超高速切削铝合金的电主轴所需的功率就超过80kW，而目前大多数高速电主轴商品仅在30kW左右，问题在于大功率电机需要较大的转子直径，受电机转子材料的容许线速度的制约，转子直径又不能增大，这就需要对电机结构、转子材料以及动平衡技术进行创新才能有所突破。

在各方面重视和努力下，衷心地期望数控机床的先进功能部件的研发和生产将以更坚实的步伐向振兴我国机床产业的目标迈进

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