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數控係統和功能（néng）部件的發展（zhǎn）及多元化開（kāi）發

2020-7-3 來源：大連高金數控集團有限公司作者：呂禕許宏萍

摘要：介紹數（shù）控係統技術發展動態，詳細闡述了滾動直線導軌副、滾（gǔn）珠絲杠副、主軸、刀塔和刀庫（kù）的發展（zhǎn）與（yǔ）多元化開發現狀。

高級工程師呂禕

數控係統、精密滾動直線導軌、精（jīng）密滾珠（zhū）絲杠、精密主軸、刀塔及刀庫是基礎裝（zhuāng）備製造（zào）業的工作母機——高檔數控（kòng）機床的核心部件。自2000年（nián）以（yǐ）來，國家通（tōng）過（guò）科技重大專（zhuān）項項目，大力（lì）扶持高（gāo）檔數控機床與基礎製造裝備的發展，使其性能（néng）得（dé）到極大的改（gǎi）善，逐步邁向高端。助推金屬加工技術升級、創新和飛速發展，為製造出市場急需和擁有大量（liàng）客戶的高端產品奠定堅實的（de）基礎。數控係統與功能部件發展（zhǎn）、市場多元化開發成為（wéi）重中之重。

1. 數控係（xì）統的發展（zhǎn）

（1）微機資源的廣（guǎng）泛應用。

高級工程師呂禕最（zuì）初是TP801單板機控製（zhì）的簡易係統、MCS-51單（dān）片機控製的經濟型係統，采用步進電動機構成的開環、低精度來控製機（jī）床單軸（zhóu）或雙軸運動。隨著大規模集成（chéng）電路製造（zào）技術的高（gāo）速發展，PC微型計算機發展很快，其（qí）硬（yìng）件結構做得非常小，主CPU運行速度越來越高（gāo），IPC286、386、486計算機的存儲（chǔ）器容量越來越大，體積極小，可靠性提高，大批量生產，成本下降。由（yóu）此PC微型計算機

替代TP801單板機、MCS-51單片機。特別是Windows的應用（yòng），助推操作係統的發展，使得PC操作簡（jiǎn）便直觀。緊接著CAD/CAM軟件（jiàn）大量地由小型機、工作站向PC移植（zhí），三維圖顯（xiǎn）示及工藝數據（jù）庫在PC上建立。

PC的開放性吸引大量技術人員（yuán）投入軟件開發，大幅擴充PC的軟件資源。充分利用PC的軟、硬件資源，為CNC係統的開發（fā）、發展鋪平（píng）了道路。隨著計算機技術、大（dà）數據技術、軟件（jiàn）編程（chéng）技術、金屬加工（gōng）技（jì）術及傳感器控製元件的快速發展，由DNC升級為CNC數控係（xì）統控製（zhì），產（chǎn）生控製機床三軸、五軸、九軸多聯動的高精度全閉環中、高檔數控係統（tǒng）。國內大連數控係統、華中數控係統和廣州數控係統誕生，德（dé）國西門（mén）子、日本發那科數控係統進入（rù）中國市場（chǎng）（見圖（tú）1～圖4）。

圖1 HNC-19xp/TD數控係統

圖2 大連（lián）數控係統

圖3 西門（mén）子係統

圖4 發那科係統

為高（gāo）速度、高精度、高效率高檔數控機床的發展奠定了（le）堅實（shí）基礎，更為市場（chǎng）急需的機械產品品種、精度和質量大幅（fú）提升提供了強有力保證。

（2）機電一（yī）體化要求（qiú）小型化。

快速發（fā）展的微電子技術、集成度越來越高的（de）大規模集成電路、越來越小的體積，市場（chǎng）急需數控設備公司采用超大規模集成（chéng）電路、表麵（miàn）安裝工（gōng）藝，實現（xiàn）三維立體裝配，做得很小的CNC係統適應機械製造工（gōng）業機電一體化要求。

（3）采用人機對（duì）話、方便用戶使用。

數控係統（tǒng）生產公司極大地改善人機接口，優化且簡化編程（chéng），盡最大量采用對話方式，以便操（cāo）作者能夠非常容易地掌握數控（kòng）機床操作，便於用戶使用。

（4）數控係統產品成套性急需提高（gāo）。

數控係統性能好壞與由CNC裝置、主軸及進給伺服驅動裝置，以（yǐ）及主軸電動機、進給（gěi）電動機和與（yǔ）其相關的檢測反饋元件組成的數控係統各個（gè）環節性能緊密相關。數（shù）控係統（tǒng）製造公司應做到係（xì）統各環節十分匹配，非常重視數控（kòng）產品的成套性，以滿足數控機床用（yòng）戶要求，使用（yòng）戶獲得最佳使用效果。

（5）市場急需研究開（kāi）發智能、新型數控係統產品。

智（zhì）能係統（tǒng）利用所謂的推理軟件，根據存儲在係統知識庫的經驗，分析及查找故（gù）障原因。智能閉環加工技（jì）術是利用傳感器獲得適時信息，使製造者獲得最佳產品能力，製造過程更快、更容（róng）易，以（yǐ）適應生產需要，滿足工業技術（shù）的飛速發展。

2. 滾動直線導軌副的發展

與多元化開發高精度、高剛性、高速度、高可靠性、大載荷以及摩擦係（xì）數小的高檔滾動直線導軌副作導向元件，配備到高檔數控機床與基（jī）礎（chǔ）製造裝備上，為機（jī）械製造業的快速發展奠定了（le）基礎。

（1）產業化發展。

高檔滾動直線導軌副在結構、材料、外購件和外協件上優化、創新設計。優化工藝流程及加工工藝，設計、製造導軌、滑塊及裝配專用自動生產線；配備高精度自動檢測儀，嚴格控製零件加工（gōng）過程，確保加工質量；通過試驗，驗證產品性能；縮（suō）短製造周期，降低（dī）成本，提高效率，提高設計（jì）、製造水平、產能、產業（yè）化（huà）能力。最終形（xíng）成大批量生產，取得規模效益，為企業贏得最大利潤。同時

大幅提高滾動直線導軌副產品的承載、剛性、摩擦力、預緊力、溫升、振動、速度、噪聲（shēng）和精度等（děng）方麵的綜合性（xìng）能及可（kě）靠性、精度保持性、壽命（mìng）等服役性能。

（2）多元化開發。

拓寬市場占有率及產品應用領域。加速（sù）開發（fā）低組裝型、寬幅型、高密（mì）封（fēng）型、自潤滑型、圓弧型（xíng）、鋼珠保（bǎo）持型、交叉型及不鏽鋼材（cái）料（liào）的滾動直線導軌（guǐ）產品（見圖5～圖8），滿足高檔數控機床、立臥（wò）式（shì）加工中心、高速鑽削（xuē）中心、高精度儀器（qì）儀（yí）表、工業機器人、木工機械、紡織（zhī）機械、自動化機械及高鐵行業等領域的需求。

圖5 滾珠（zhū）直線導（dǎo）軌副

圖6 高密封滾珠直線導軌（guǐ）副

圖7 精密封滾柱（zhù）直線導軌副

圖8 單根（gēn）滾（gǔn）動直線導軌副

3. 滾珠絲杠副的發展與（yǔ）多（duō）元化開發（fā）

高端高（gāo）速（sù）精密滾珠絲杠副是高檔數控機（jī）床與基礎製造裝（zhuāng）備（bèi）的關鍵驅動元件，其精度、移動速度、載荷及剛度等指標對數控機床的性能有著（zhe）重要影響。

（1）產業化（huà）發展。

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，其優點是（shì）避免磨過程中產生局部退火（huǒ）現象，提高產品（pǐn）的（de）疲勞壽命。滾珠螺紋車效率比傳統螺紋（wén）磨床粗磨的磨效率提高了50%～80%，大大降低了製造成本，縮短了製造周期，提升了滾（gǔn）珠絲杠副的使用壽命。②開發滾珠螺紋（wén）螺距測量的螺紋數顯測量儀，保證滾珠螺紋熱處理淬火前、後的螺距精度，同時大幅提高滾珠絲杠副的剛性、摩（mó）擦力、預緊力、溫升、振動、速度、噪聲、精度等方麵的綜合性能及可靠性、精度保持性、壽命等服（fú）役性能，提高（gāo）其設計、製造（zào）水平及產能。同時實現滾珠絲杠副多元化（huà）開發，提（tí）高市場占有率，拓寬市場應用領（lǐng）域（yù）。形成（chéng）大批量規模生產，縮（suō）短製（zhì）造周期，降低成本，提高效率，提升產業化能（néng）力（lì）。

（2）多元化開發。在外循環係列、內循環係列滾珠絲杠副基（jī）礎上，基於市場需求，開發真空係列、三維導珠管係（xì）列、端麵循環結構係列、電動助力轉向器、電動轉轍用及大導程螺母等（děng）滾珠絲杠副產品（見圖（tú）9～圖14）。

圖9 內循環係列滾珠絲杠副

圖10 外循（xún）環（huán）係列滾珠絲杠副

圖11 三維導珠管係列滾珠絲杠副

圖12 端麵循環結構（gòu）係列滾珠絲杠副

圖（tú）13 電動助力轉（zhuǎn）向器滾珠絲杠（gàng）副

圖14 電動轉轍用滾珠絲（sī）杠副

譬如，三維外循環高（gāo）速精密滾珠絲杠副，打破多年二維導管的循環模式，使滾珠沿（yán）著螺旋線切線方向返向循環，避免（miǎn）二維導珠管滾珠循環（huán）出入端的主碰撞，極（jí）大地減小鋼球與螺母（mǔ）、鋼球與三維導珠管碰撞噪（zào）聲，減少主（zhǔ）碰撞引起的碰（pèng）撞熱（rè）源，大（dà）大降低滾珠絲杠副的溫升。提高產品的（de）高速性能，降低噪聲。猶如端側循環高速精（jīng）密滾（gǔn）珠絲杠副，開創（chuàng）介於內（nèi）循環與外偱（xún）環結構間的（de）一（yī）種新型循環結構，循環鋼球沿滾珠螺紋滾道（dào）切向方向循環。選不同曲率、非對稱的返向溝道型式，以減小鋼球高速旋轉時（shí）的離心力，大幅降低（dī）鋼球碰撞噪聲，實現產（chǎn）品的高速和低（dī）噪聲性能。該端側循環滾珠絲杠（gàng）副具有較為緊湊的安裝結構，具有優於現有各種循環（huán）結構的工藝（yì）性（xìng）能，其加工、製造和（hé）裝（zhuāng）配更便利可（kě）靠。

4. 主軸的發展與（yǔ）多元（yuán）化開發

主軸是高檔數控機床與基礎製造（zào）裝備傳（chuán）遞動（dòng）力、實現切削的核心部件，是實現高速化的重要保障。

（1）產業化發展。

重點研究電主軸的錐孔、電氣（qì）安全、最大輸出扭（niǔ）矩、溫（wēn）升、拉刀力（lì）、振動、噪聲、靜剛（gāng）度（dù）、幾何精度、動態回轉精度及動態熱效（xiào）應等標準規定的檢測方法，以及可靠性、精度保持性、功率與扭矩試驗與評定。完善（shàn）包括錐孔檢查、扭矩測試（shì）、拉刀力測試及幾何精度所需的工裝（zhuāng）。大幅提高電主軸的靜態、動態精度（dù）綜合性能及可（kě）靠性、精度（dù）保持性、壽命等服役性能。

（2）多元化開發。

在機械（xiè）主（zhǔ）軸係列基礎上，開（kāi）發、研（yán）製高速數控機床、高速加（jiā）工中心機床的關鍵功能部件——高端高速電主軸係（xì）列，以及車銑複（fù）合主軸、立臥複合（hé）頭、立臥轉（zhuǎn）換頭（tóu）、直曲雙擺頭和機械雙擺（bǎi）頭產品（見圖15～圖20），實（shí）現多元化開發，可大（dà）大提高機床的複合性、柔性和加工性能。

5. 刀塔和刀庫的發展與多元化開發

刀塔是實現數（shù）控車床刀具儲備、夾持切（qiē）削及自動換位的功能部件，其儲刀參數、換位（wèi）性能、精（jīng）度、刀（dāo）具功能是主機水（shuǐ）平的重要標（biāo）誌（zhì）。刀庫（kù）是實現加工中心機床刀具儲（chǔ）備及主軸刀具自動交（jiāo）換的重（chóng）要功能部件，其承載能（néng）力及換刀速度、可（kě）靠（kào）性是主機水平的重要標誌。提升刀塔自動換位準確性、縮短刀庫與主軸刀具（jù）自動交換時間至關重要（yào）。

（1）產業化發（fā）展。

重（chóng）點研（yán）究數（shù）控刀塔在典型（xíng）工況下載荷變化對可靠性影響、綜合設計方法、綜合性能測試設備研發（fā）及測試方法、加（jiā）速可靠性試（shì）驗（yàn）係統及試驗方法。大幅提高數控刀塔單元（yuán）定位精（jīng）度、重複定位精度、齒盤變形、振動、噪聲等綜合性能和刀（dāo）架（jià）單（dān）元（yuán）穩定性、可靠性、精度保持性及快速性等服役性能（néng）。

研究刀庫機械手在不同工況下載荷（hé）變（biàn）化對可（kě）靠性的影響、可靠性綜合設計方法（fǎ）及台架加速試驗係統和試驗方法、綜合性能測（cè）試係統（tǒng）及測試方法，提高刀庫機械手的綜合性能、快速性和可靠性。

（2）多（duō）元化開發。

在液壓動力刀（dāo）塔、鬥笠刀庫基礎上（shàng），開發出伺服動力（lì）刀（dāo）塔、TE係列電動（dòng）刀塔（tǎ）、分度馬（mǎ）達動力刀塔、盤形鬥（dòu）刀庫、傘（sǎn）式刀庫、圓盤刀庫、鏈式刀庫、數（shù）控伺服刀庫、大型鏈（liàn）式刀庫自動換刀裝置及刀庫刀（dāo）盤（pán）組（見圖21～圖30）。