數(shù)控系統(tǒng)和功能部件的發(fā)展及多元化開發(fā)

■大連高金數(shù)控集團(tuán)有限公司 （遼寧 116620） 呂 祎 許宏萍

高級工程師 呂 祎

數(shù)控系統(tǒng)、精密滾動直線導(dǎo)軌、精密滾珠絲杠、精密主軸、刀塔及刀庫是基礎(chǔ)裝備制造業(yè)的工作母機(jī)——高檔數(shù)控機(jī)床的核心部件。自2000年以來，國家通過科技重大專項項目，大力扶持高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備的發(fā)展，使其性能得到極大的改善，逐步邁向高端。助推金屬加工技術(shù)升級、創(chuàng)新和飛速發(fā)展，為制造出市場急需和擁有大量客戶的高端產(chǎn)品奠定堅實的基礎(chǔ)。數(shù)控系統(tǒng)與功能部件發(fā)展、市場多元化開發(fā)成為重中之重。

1. 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展

（1）微機(jī)資源的廣泛應(yīng)用。最初是TP801單板機(jī)控制的簡易系統(tǒng)、MCS-51單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型系統(tǒng)，采用步進(jìn)電動機(jī)構(gòu)成的開環(huán)、低精度來控制機(jī)床單軸或雙軸運(yùn)動。隨著大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的高速發(fā)展，PC微型計算機(jī)發(fā)展很快，其硬件結(jié)構(gòu)做得非常小，主CPU運(yùn)行速度越來越高，IPC286、386、486計算機(jī)的存儲器容量越來越大，體積極小，可靠性提高，大批量生產(chǎn)，成本下降。由此PC微型計算機(jī)替代TP801單板機(jī)、MCS-51單片機(jī)。特別是Windows的應(yīng)用，助推操作系統(tǒng)的發(fā)展，使得PC操作簡便直觀。緊接著CAD/CAM軟件大量地由小型機(jī)、工作站向PC移植，三維圖顯示及工藝數(shù)據(jù)庫在PC上建立。PC的開放性吸引大量技術(shù)人員投入軟件開發(fā)，大幅擴(kuò)充PC的軟件資源。充分利用PC的軟、硬件資源，為CNC系統(tǒng)的開發(fā)、發(fā)展鋪平了道路。隨著計算機(jī)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、軟件編程技術(shù)、金屬加工技術(shù)及傳感器控制元件的快速發(fā)展，由DNC升級為CNC數(shù)控系統(tǒng)控制，產(chǎn)生控制機(jī)床三軸、五軸、九軸多聯(lián)動的高精度全閉環(huán)中、高檔數(shù)控系統(tǒng)。國內(nèi)大連數(shù)控系統(tǒng)、華中數(shù)控系統(tǒng)和廣州數(shù)控系統(tǒng)誕生，德國西門子、日本發(fā)那科數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入中國市場（見圖1～圖4）。為高速度、高精度、高效率高檔數(shù)控機(jī)床的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)，更為市場急需的機(jī)械產(chǎn)品品種、精度和質(zhì)量大幅提升提供了強(qiáng)有力保證。

圖1 HNC-19xp/TD數(shù)控系統(tǒng)

圖2 大連數(shù)控系統(tǒng)

圖3 西門子系統(tǒng)

圖4 發(fā)那科系統(tǒng)

（2）機(jī)電一體化要求小型化?？焖侔l(fā)展的微電子技術(shù)、集成度越來越高的大規(guī)模集成電路、越來越小的體積，市場急需數(shù)控設(shè)備公司采用超大規(guī)模集成電路、表面安裝工藝，實現(xiàn)三維立體裝配，做得很小的CNC系統(tǒng)適應(yīng)機(jī)械制造工業(yè)機(jī)電一體化要求。

（3）采用人機(jī)對話、方便用戶使用。數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)公司極大地改善人機(jī)接口，優(yōu)化且簡化編程，盡最大量采用對話方式，以便操作者能夠非常容易地掌握數(shù)控機(jī)床操作，便于用戶使用。

（4）數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品成套性急需提高。數(shù)控系統(tǒng)性能好壞與由CNC裝置、主軸及進(jìn)給伺服驅(qū)動裝置，以及主軸電動機(jī)、進(jìn)給電動機(jī)和與其相關(guān)的檢測反饋元件組成的數(shù)控系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)性能緊密相關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)制造公司應(yīng)做到系統(tǒng)各環(huán)節(jié)十分匹配，非常重視數(shù)控產(chǎn)品的成套性，以滿足數(shù)控機(jī)床用戶要求，使用戶獲得最佳使用效果。

（5）市場急需研究開發(fā)智能、新型數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品。智能系統(tǒng)利用所謂的推理軟件，根據(jù)存儲在系統(tǒng)知識庫的經(jīng)驗，分析及查找故障原因。智能閉環(huán)加工技術(shù)是利用傳感器獲得適時信息，使制造者獲得最佳產(chǎn)品能力，制造過程更快、更容易，以適應(yīng)生產(chǎn)需要，滿足工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展。

2. 滾動直線導(dǎo)軌副的發(fā)展與多元化開發(fā)

高精度、高剛性、高速度、高可靠性、大載荷以及摩擦系數(shù)小的高檔滾動直線導(dǎo)軌副作導(dǎo)向元件，配備到高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備上，為機(jī)械制造業(yè)的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

（1）產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。高檔滾動直線導(dǎo)軌副在結(jié)構(gòu)、材料、外購件和外協(xié)件上優(yōu)化、創(chuàng)新設(shè)計。優(yōu)化工藝流程及加工工藝，設(shè)計、制造導(dǎo)軌、滑塊及裝配專用自動生產(chǎn)線；配備高精度自動檢測儀，嚴(yán)格控制零件加工過程，確保加工質(zhì)量；通過試驗，驗證產(chǎn)品性能；縮短制造周期，降低成本，提高效率，提高設(shè)計、制造水平、產(chǎn)能、產(chǎn)業(yè)化能力。最終形成大批量生產(chǎn)，取得規(guī)模效益，為企業(yè)贏得最大利潤。同時大幅提高滾動直線導(dǎo)軌副產(chǎn)品的承載、剛性、摩擦力、預(yù)緊力、溫升、振動、速度、噪聲和精度等方面的綜合性能及可靠性、精度保持性、壽命等服役性能。

圖5 滾珠直線導(dǎo)軌副

（2）多元化開發(fā)。拓寬市場占有率及產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域。加速開發(fā)低組裝型、寬幅型、高密封型、自潤滑型、圓弧型、鋼珠保持型、交叉型及不銹鋼材料的滾動直線導(dǎo)軌產(chǎn)品（見圖5～圖8），滿足高檔數(shù)控機(jī)床、立臥式加工中心、高速鉆削中心、高精度儀器儀表、工業(yè)機(jī)器人、木工機(jī)械、紡織機(jī)械、自動化機(jī)械及高鐵行業(yè)等領(lǐng)域的需求。

3. 滾珠絲杠副的發(fā)展與多元化開發(fā)

高端高速精密滾珠絲杠副是高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備的關(guān)鍵驅(qū)動元件，其精度、移動速度、載荷及剛度等指標(biāo)對數(shù)控機(jī)床的性能有著重要影響。

圖6 高密封滾珠直線導(dǎo)軌副

圖7 精密封滾柱直線導(dǎo)軌副

（1）產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。①滾珠絲杠的加工中采用滾珠螺紋軟、硬車削工藝，取代傳統(tǒng)螺紋磨床粗磨工序，其優(yōu)點(diǎn)是避免磨過程中產(chǎn)生局部退火現(xiàn)象，提高產(chǎn)品的疲勞壽命。滾珠螺紋車效率比傳統(tǒng)螺紋磨床粗磨的磨效率提高了50%～80%，大大降低了制造成本，縮短了制造周期，提升了滾珠絲杠副的使用壽命。②開發(fā)滾珠螺紋螺距測量的螺紋數(shù)顯測量儀，保證滾珠螺紋熱處理淬火前、后的螺距精度，同時大幅提高滾珠絲杠副的剛性、摩擦力、預(yù)緊力、溫升、振動、速度、噪聲、精度等方面的綜合性能及可靠性、精度保持性、壽命等服役性能，提高其設(shè)計、制造水平及產(chǎn)能。同時實現(xiàn)滾珠絲杠副多元化開發(fā)，提高市場占有率，拓寬市場應(yīng)用領(lǐng)域。形成大批量規(guī)模生產(chǎn)，縮短制造周期，降低成本，提高效率，提升產(chǎn)業(yè)化能力。

（2）多元化開發(fā)。在外循環(huán)系列、內(nèi)循環(huán)系列滾珠絲杠副基礎(chǔ)上，基于市場需求，開發(fā)真空系列、三維導(dǎo)珠管系列、端面循環(huán)結(jié)構(gòu)系列、電動助力轉(zhuǎn)向器、電動轉(zhuǎn)轍用及大導(dǎo)程螺母等滾珠絲杠副產(chǎn)品（見圖9～圖14）。譬如，三維外循環(huán)高速精密滾珠絲杠副，打破多年二維導(dǎo)管的循環(huán)模式，使?jié)L珠沿著螺旋線切線方向返向循環(huán)，避免二維導(dǎo)珠管滾珠循環(huán)出入端的主碰撞，極大地減小鋼球與螺母、鋼球與三維導(dǎo)珠管碰撞噪聲，減少主碰撞引起的碰撞熱源，大大降低滾珠絲杠副的溫升。提高產(chǎn)品的高速性能，降低噪聲。猶如端側(cè)循環(huán)高速精密滾珠絲杠副，開創(chuàng)介于內(nèi)循環(huán)與外偱環(huán)結(jié)構(gòu)間的一種新型循環(huán)結(jié)構(gòu)，循環(huán)鋼球沿滾珠螺紋滾道切向方向循環(huán)。選不同曲率、非對稱的返向溝道型式，以減小鋼球高速旋轉(zhuǎn)時的離心力，大幅降低鋼球碰撞噪聲，實現(xiàn)產(chǎn)品的高速和低噪聲性能。該端側(cè)循環(huán)滾珠絲杠副具有較為緊湊的安裝結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)于現(xiàn)有各種循環(huán)結(jié)構(gòu)的工藝性能，其加工、制造和裝配更便利可靠。

圖9 內(nèi)循環(huán)系列滾珠絲杠副

圖10 外循環(huán)系列滾珠絲杠副

圖11 三維導(dǎo)珠管系列滾珠絲杠副

圖12 端面循環(huán)結(jié)構(gòu)系列滾珠絲杠副

圖13 電動助力轉(zhuǎn)向器滾珠絲杠副

圖14 電動轉(zhuǎn)轍用滾珠絲杠副

4. 主軸的發(fā)展與多元化開發(fā)

主軸是高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備傳遞動力、實現(xiàn)切削的核心部件，是實現(xiàn)高速化的重要保障。

（1）產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。重點(diǎn)研究電主軸的錐孔、電氣安全、最大輸出扭矩、溫升、拉刀力、振動、噪聲、靜剛度、幾何精度、動態(tài)回轉(zhuǎn)精度及動態(tài)熱效應(yīng)等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測方法，以及可靠性、精度保持性、功率與扭矩試驗與評定。完善包括錐孔檢查、扭矩測試、拉刀力測試及幾何精度所需的工裝。大幅提高電主軸的靜態(tài)、動態(tài)精度綜合性能及可靠性、精度保持性、壽命等服役性能。

（2）多元化開發(fā)。在機(jī)械主軸系列基礎(chǔ)上，開發(fā)、研制高速數(shù)控機(jī)床、高速加工中心機(jī)床的關(guān)鍵功能部件——高端高速電主軸系列，以及車銑復(fù)合主軸、立臥復(fù)合頭、立臥轉(zhuǎn)換頭、直曲雙擺頭和機(jī)械雙擺頭產(chǎn)品（見圖15～圖20），實現(xiàn)多元化開發(fā)，可大大提高機(jī)床的復(fù)合性、柔性和加工性能。

5. 刀塔和刀庫的發(fā)展與多元化開發(fā)

刀塔是實現(xiàn)數(shù)控車床刀具儲備、夾持切削及自動換位的功能部件，其儲刀參數(shù)、換位性能、精度、刀具功能是主機(jī)水平的重要標(biāo)志。刀庫是實現(xiàn)加工中心機(jī)床刀具儲備及主軸刀具自動交換的重要功能部件，其承載能力及換刀速度、可靠性是主機(jī)水平的重要標(biāo)志。提升刀塔自動換位準(zhǔn)確性、縮短刀庫與主軸刀具自動交換時間至關(guān)重要。

圖15 機(jī)械主軸系列

圖16 電主軸系列

圖17 車銑復(fù)合主軸

圖18 立臥復(fù)合頭

圖19 立臥轉(zhuǎn)換頭

圖20 直曲雙擺頭

（1）產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。重點(diǎn)研究數(shù)控刀塔在典型工況下載荷變化對可靠性影響、綜合設(shè)計方法、綜合性能測試設(shè)備研發(fā)及測試方法、加速可靠性試驗系統(tǒng)及試驗方法。大幅提高數(shù)控刀塔單元定位精度、重復(fù)定位精度、齒盤變形、振動、噪聲等綜合性能和刀架單元穩(wěn)定性、可靠性、精度保持性及快速性等服役性能。

研究刀庫機(jī)械手在不同工況下載荷變化對可靠性的影響、可靠性綜合設(shè)計方法及臺架加速試驗系統(tǒng)和試驗方法、綜合性能測試系統(tǒng)及測試方法，提高刀庫機(jī)械手的綜合性能、快速性和可靠性。

（2）多元化開發(fā)。在液壓動力刀塔、斗笠刀庫基礎(chǔ)上，開發(fā)出伺服動力刀塔、TE系列電動刀塔、分度馬達(dá)動力刀塔、盤形斗笠刀庫、傘式刀庫、圓盤刀庫、鏈?zhǔn)降稁臁?shù)控伺服刀庫、大型鏈?zhǔn)降稁熳詣訐Q刀裝置及刀庫刀盤組（見圖21～圖30）。

圖21 液壓動力刀塔

圖22 伺服動力刀塔

圖23 TE系列電動刀塔

圖24 分度馬達(dá)動力刀塔

圖25 斗笠刀庫

圖26 傘式刀庫

圖27 圓盤刀庫

圖28 鏈?zhǔn)降稁?/p>

此外，數(shù)控刀具、數(shù)控轉(zhuǎn)臺等功能部件急需加大開發(fā)力度，盡快做到系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化和商品化。

圖30 大型鏈?zhǔn)降稁熳詣訐Q刀裝置

6. 結(jié)語

圍繞《中國制造2025》規(guī)劃，高精尖只能靠自己。作為重中之重的數(shù)控系統(tǒng)和功能部件的發(fā)展及多元化開發(fā)，急需加大開發(fā)力度及產(chǎn)業(yè)化水平，補(bǔ)短板，向高端快速邁進(jìn)，保證高檔大型數(shù)控機(jī)床充當(dāng)國家裝備制造業(yè)發(fā)展的基石。

[1] 付承云. 數(shù)控功能部件選用指導(dǎo)手冊［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]王喜文. 中國制造2025解讀：從工業(yè)大國到工業(yè)強(qiáng)國［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.