‘數控機床'之選型風險控制淺析
數控機床是一種先進的加工設備，它以高精度、高可靠性、高效率、可加工復雜曲面工件等特點得到廣泛應用。但若選型不當，則不能發揮其應有的效益，且使資金大量積壓，從而產生風險。廣義的選型主要包括機型選擇、數控系統選擇、機床精度選擇、主要特征規格選擇等。其中機型選擇和數控系統選擇風險最大，機床精度和主要特征規格選擇次之，故要減少選型風險，可從以下幾方面著手。
一、機型選擇
在滿足加工工藝要求的前提下設備越簡單風險越小，車削加工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，肯定選擇數控車床風險較小。同樣在經濟型和普通型數控車床中要盡量選擇經濟型數控車床。在加工箱體、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約一半（不包括氣源、刀庫等配套費用），所以模具加工中只有非常頻繁地換刀具的工藝才選用加工中心，固定一把刀具長時間銑削的，選用數控銑床。目前很多加工中心都在作數控銑床使用。數控車床能加工的零件普通車床往往也能加工，但數控銑床能加工的零件普通銑床大多不能加工，故在既有軸類零件又有箱體、型腔類零件的綜合機加工企業中應優先選擇數控銑床。
二、數控系統選擇
在選購數控機床時，同一種機床本體可配置多種數控系統。在可供選擇的系統中，性能高低差別很大，直接影響到設備價格構成。目前數控系統種類、規格極其繁多，進口系統主要有日本FANUC、德國SINUMERIK、日本MITSUBISHI、法國NUM、意大利FIDIA、西班牙FAGOR、美國A-B等。國產系統主要有廣州系統、航天系統、華中系統、遼寧藍天系統、南京大方系統、北方凱奇系統、清華系統、KND系統等，每家公司都有一系列各種規格的產品。減少數控系統選型風險的基本原則是：性能價格比大，使用維修方便，系統的市場壽命長。因此不能片面追求高水平、新系統。而應該以滿足主機性能為主，對系統性能和價格等作一個綜合分析，選用合適系統。同時應逐漸少選傳統的封閉體系結構的數控系統或PC嵌入NC結構的數控系統，因為這類系統的功能擴展、改變和維修都必須借助于系統供應商。應盡可能選用NC嵌入PC結構或SOFT結構的開放式數控系統，這類系統的CNC軟件全部裝在計算機中，而硬件部分僅是計算機與伺服驅動和外部1/O之間的標準化通用接口，就像計算機上可以安裝各種品牌的聲卡、顯卡和對應的驅動程序一樣，用戶可以在WINDOWSNT平臺上，利用開放的CNC內核，開發所需的功能，構成各種類型的數控系統。另外數控系統中基本功能以外還有很多選擇功能，用戶可以根據自己的工件加工要求、測量要求、程序編制要求等，額外再選擇一些功能列入訂貨合同附件中，特別是實時傳輸的DNC功能等。
三、精度選擇
數控機床精度等級的選擇取決于典型零件的加工精度。一般數控機床精度檢驗項目都有20~30項，但其最有特征的項目是：單軸定位精度、單軸重復定位精度、兩軸以上聯動加工出來試件的圓度。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。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，而重復定位精度則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。以上兩個指標中，重復定位精度尤為重要。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。如絲杠的螺距誤差和累計誤差可以用螺距補償功能補償，進給傳動鏈的反向死區可用反向間隙補償來消除。
但電控方面誤差補償功能不可能補償隨機誤差（如傳動鏈各環節的間隙、彈性變形和接觸剛度等因素變化產生的誤差），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運動量損失。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，例如滾珠絲杠熱伸長引起的工作臺實際定位位置漂移等。所以重復定位精度的合理選擇可大大減少精度選擇風險。銑削圓柱面精度或銑削空間螺旋槽（螺紋）精度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，評價指標采用測量加工出的圓柱面的圓度。在數控銑床試切件中還有銑斜方形四邊加工，這也是判斷兩個可控軸在直線插補運動時精度的一種方法。對于數控銑床，兩軸以上聯動加工出來試件的圓度指標也不容忽略。定位精度要求較高的機床還必須注意它的進給伺服系統采用半閉環方式還是全閉環方式，注意使用檢測元件的精度及穩定性。如機床采用半閉環伺服驅動方式，則精度穩定性要受到一些外界因素影響，如傳動鏈中滾珠絲杠受工作溫度變化造成絲杠伸長，對工作臺實際定位位置造成漂移影響，使加工件的加工精度受到影響。
四、數控機床主要特征規格選擇
數控機床的主要特征規格應根據確定的典型工件族加工尺寸范圍而選擇。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。一般情況下加工件的輪廓尺寸應在機床的加工空間范圍之內，如典型工件是450mm×450mm×450mm的箱體，那么應選取工作臺面尺寸為500mm×500mm的加工中心，選用工作臺面比典型工件稍大一些是考慮到安裝夾具所需的空間。機床工作臺面尺寸和三個直線坐標行程都有一定比例關系，如上述工作臺500mm×500mm的機床，X軸行程一般為700~800mm,，Y軸為500~700mm，Z軸為500~600mm。因此，工作臺面的大小基本上確定了加工空間的大小。個別情況下也可以有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換刀空間干涉、與機床防護罩等附件干涉等一系列問題。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。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4000~8000r/min，高速型機床立式機床可達2萬~7萬r/min，臥式機床1萬~2萬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直流或交流可調速電機直聯主軸，甚至采用電主軸結構，這樣的結構在低速切削中扭矩受到限制，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，必須采用大功率電機。所以同規格機床數控機床主軸電機比普通機床大幾倍。當典型工件上有大量的低速加工時，必須對機床的低速輸出扭矩進行校核。
數控機床是一種先進的加工設備，它以高精度、高可靠性、高效率、可加工復雜曲面工件等特點得到廣泛應用。但若選型不當，則不能發揮其應有的效益，且使資金大量積壓，從而產生風險。廣義的選型主要包括機型選擇、數控系統選擇、機床精度選擇、主要特征規格選擇等。其中機型選擇和數控系統選擇風險最大，機床精度和主要特征規格選擇次之，故要減少選型風險，可從以下幾方面著手。
一、機型選擇
在滿足加工工藝要求的前提下設備越簡單風險越小，車削加工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，肯定選擇數控車床風險較小。同樣在經濟型和普通型數控車床中要盡量選擇經濟型數控車床。在加工箱體、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約一半（不包括氣源、刀庫等配套費用），所以模具加工中只有非常頻繁地換刀具的工藝才選用加工中心，固定一把刀具長時間銑削的，選用數控銑床。目前很多加工中心都在作數控銑床使用。數控車床能加工的零件普通車床往往也能加工，但數控銑床能加工的零件普通銑床大多不能加工，故在既有軸類零件又有箱體、型腔類零件的綜合機加工企業中應優先選擇數控銑床。
二、數控系統選擇
在選購數控機床時，同一種機床本體可配置多種數控系統。在可供選擇的系統中，性能高低差別很大，直接影響到設備價格構成。目前數控系統種類、規格極其繁多，進口系統主要有日本FANUC、德國SINUMERIK、日本MITSUBISHI、法國NUM、意大利FIDIA、西班牙FAGOR、美國A-B等。國產系統主要有廣州系統、航天系統、華中系統、遼寧藍天系統、南京大方系統、北方凱奇系統、清華系統、KND系統等，每家公司都有一系列各種規格的產品。減少數控系統選型風險的基本原則是：性能價格比大，使用維修方便，系統的市場壽命長。因此不能片面追求高水平、新系統。而應該以滿足主機性能為主，對系統性能和價格等作一個綜合分析，選用合適系統。同時應逐漸少選傳統的封閉體系結構的數控系統或PC嵌入NC結構的數控系統，因為這類系統的功能擴展、改變和維修都必須借助于系統供應商。應盡可能選用NC嵌入PC結構或SOFT結構的開放式數控系統，這類系統的CNC軟件全部裝在計算機中，而硬件部分僅是計算機與伺服驅動和外部1/O之間的標準化通用接口，就像計算機上可以安裝各種品牌的聲卡、顯卡和對應的驅動程序一樣，用戶可以在WINDOWSNT平臺上，利用開放的CNC內核，開發所需的功能，構成各種類型的數控系統。另外數控系統中基本功能以外還有很多選擇功能，用戶可以根據自己的工件加工要求、測量要求、程序編制要求等，額外再選擇一些功能列入訂貨合同附件中，特別是實時傳輸的DNC功能等。
三、精度選擇
數控機床精度等級的選擇取決于典型零件的加工精度。一般數控機床精度檢驗項目都有20~30項，但其最有特征的項目是：單軸定位精度、單軸重復定位精度、兩軸以上聯動加工出來試件的圓度。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。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，而重復定位精度則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。以上兩個指標中，重復定位精度尤為重要。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。如絲杠的螺距誤差和累計誤差可以用螺距補償功能補償，進給傳動鏈的反向死區可用反向間隙補償來消除。
但電控方面誤差補償功能不可能補償隨機誤差（如傳動鏈各環節的間隙、彈性變形和接觸剛度等因素變化產生的誤差），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運動量損失。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，例如滾珠絲杠熱伸長引起的工作臺實際定位位置漂移等。所以重復定位精度的合理選擇可大大減少精度選擇風險。銑削圓柱面精度或銑削空間螺旋槽（螺紋）精度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，評價指標采用測量加工出的圓柱面的圓度。在數控銑床試切件中還有銑斜方形四邊加工，這也是判斷兩個可控軸在直線插補運動時精度的一種方法。對于數控銑床，兩軸以上聯動加工出來試件的圓度指標也不容忽略。定位精度要求較高的機床還必須注意它的進給伺服系統采用半閉環方式還是全閉環方式，注意使用檢測元件的精度及穩定性。如機床采用半閉環伺服驅動方式，則精度穩定性要受到一些外界因素影響，如傳動鏈中滾珠絲杠受工作溫度變化造成絲杠伸長，對工作臺實際定位位置造成漂移影響，使加工件的加工精度受到影響。
四、數控機床主要特征規格選擇
數控機床的主要特征規格應根據確定的典型工件族加工尺寸范圍而選擇。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。一般情況下加工件的輪廓尺寸應在機床的加工空間范圍之內，如典型工件是450mm×450mm×450mm的箱體，那么應選取工作臺面尺寸為500mm×500mm的加工中心，選用工作臺面比典型工件稍大一些是考慮到安裝夾具所需的空間。機床工作臺面尺寸和三個直線坐標行程都有一定比例關系，如上述工作臺500mm×500mm的機床，X軸行程一般為700~800mm,，Y軸為500~700mm，Z軸為500~600mm。因此，工作臺面的大小基本上確定了加工空間的大小。個別情況下也可以有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換刀空間干涉、與機床防護罩等附件干涉等一系列問題。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。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4000~8000r/min，高速型機床立式機床可達2萬~7萬r/min，臥式機床1萬~2萬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直流或交流可調速電機直聯主軸，甚至采用電主軸結構，這樣的結構在低速切削中扭矩受到限制，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，必須采用大功率電機。所以同規格機床數控機床主軸電機比普通機床大幾倍。當典型工件上有大量的低速加工時，必須對機床的低速輸出扭矩進行校核。
