机床


机床 （正體）

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工具机(英文:Machine tool)是指一大类动力机械制造装置。通常用于精密切削金属以生产其他机器或加工的金属零件。又称机床。

为了加工工件，机床在工件和刀具之间制造出一个相对运动。这个运动又可分为主运动和进给运动。这两个运动重叠在一起，才使得加工成为可能。

机床一般可用作成型，切削和连接。随着用途的不同，工具机又分为车床、铣床、磨床、钻床等等。在电脑化程度又可分为传统金属切削机(完全手工控制)，数值控制NC(未加数控器，但有自动化控制)与电脑数值控制CNC(完全电脑控制)工具机。

目录

定义

在机械工程学之特别部门，有别于其他机械可说是制造机械的机械。

廣義-工具機為將固體材料，經由一動力源推動，以物理的、化學的或其他方法作成形加工的機械。
狹義-是指加工材料以金屬工件為主的工具機。加工方式則以切削或輪磨等機型方式將工件製成所需
     的形狀、尺寸及表面精度，按造其功用可分為切削型、成形型、及使用高級技術三類。


工具机的基本组件

图中显示车床的头座。

工具机的基本组件包括以下组件：

  • 头座：可提供驱动与进给刀具或是旋转工件的动力。内含主轴、变速齿轮系统等。
  • 机柱：提供垂直的支撑。某些机器的机柱也提供头座上下移动的能力。
  • 工作台：支持固定加工中的工件。某些机器如锯床，其工作台也提供进给工件的能力。
  • 鞍座、床台（基座）、滑道等：支撑其他组件，有时提供进给自由度。

工具机又可以各组合单元分类。例如水平镗床、钻床等机器又可分为台式、落地式、龙门式、多机头式等。[1]

驱动装置

工具机的动力可由电动机提供。电动机可分为直流马达与交流马达。传统上直流马达有功率输出大，加减速反应灵敏顺畅、温度低等优点。但直流马达具有电刷等易损坏零件。整流时产生之火花可能导致火灾，最高速率因此受限。易损坏零件也提高故障率。

交流马达不需电刷。加上近年来功率、加减速反应与温度等问题改进，已取代直流马达成为主流。 [2]

目前最先进的技术是直线电机直接驱动机床的直线轴运动，不需要旋转电机经丝杠或者齿轮齿条等传动机构间接驱动。

工件夹持法

待加工的工件可用许多方法夹持。

  • 以两领针支持工件：以机器头座与尾座各一顶针夹住工件。适合用于夹持长形工件进行旋转，能承受较大的切削力量。
  • 心轴：以头座伸出的心轴，穿过圆柱形工件轴心已有的洞。
  • 面板：以夹具将工件固定在工具机的一面板上。适用于平板、不规则形的工件。
  • 夹头：以类似爪子的组件抓住工件。

[1]

工具机安全

除了操作员安全训练之外，工具机上也有数种设计维护安全，例如在工具机外装置防护闸门防止异物伸入；装置光电侦测器以在异物伸入时发动紧急停止；将控制装置设定为双手按钮等等。 [1]

传统金属切削机

工具机用于精密切削金属以生产其他机器的金属零件。其架构必需有足够的刚性，适当的形状，易于操作，易于除去金属碎屑，够安全，够稳定，够准确与够精确。[1]

图中显示一个金属加工普通车床。

在工具机上待加工的金属称为“工件”，用来切削工件的工具称为刀具。工具机提供动力造成工件与刀具的相对运动，并且精确控制此相对运动，去除工件上不要的部分。某些机器如车床是转动工件，进给刀具。也有机器如镗床，转动刀具，进给工作台以移动工件。

传统式机器的切削和进给运动
机器 切削运动 进给运动 操作种类
车床 工件旋转 刀具及滑轨 圆筒表面、钻孔、镗孔、铰孔以及面切削
镗床 刀具旋转 工作台 钻孔、镗孔、铰孔以及面切削
龙门刨床 工作台往复运动 刀具 刨平面
牛头刨床 刀具往复运动 工作台 刨平面
水平铣床（卧式铣床） 刀具旋转 工作台 平面、齿轮、突轮、钻孔、镗孔、铰孔以及面切削
水平镗床 刀具旋转 刀具 平面
圆筒磨床 刀具（磨轮）旋转 工作台、工具 圆筒表面研磨
钻床 刀具旋转 刀具 钻孔、镗孔、铰孔、面切削以及切螺纹
锯床 刀具 刀具、工件 锯断
拉床 刀具 刀具 内表面与外表面

[1]

电脑数值控制（CNC）工作母机

一台有铣床功能的日本自制CNC车床。

工作母机不但可由人工直接操作，也可加入自动控制。

数值控制(Numerical control,NC)工具机以及更先进的电脑数值控制（computer numerical control,CNC）工具机已成为工业中及重要的部分。

NC与CNC之历史

数值控制工作母机的概念起源于1940年代美国。生产直升机螺旋桨时，需要大量的精密加工。当时美国空军委托机械工程师，满足此一需求。1947年，John T. Parsons开始使用电脑计算工具机的切削路径。1949年麻省理工学院接受美国空军委托，开始根据Parsons公司的概念研究数值控制。

1950年代，第一台数值控制工作母机问世；机械厂为了美国空军的需求在数位控制系统投入大量努力，特别集中在轮廓切削铣床方面。Parsons公司与麻省理工学院合作，结合数值控制系统与辛辛那提公司的铣床，研发出第一台NC工作母机。1958年，Kearney & Trecker公司成功开发出具自动刀具交换装置的加工中心机。麻省理工学院也开发出APT（Automatic Programming tools）。1959年，日本富士通公司为数值控制做出两大突破：发明油压脉冲马达与代数演算方式脉冲补间回路。这加快了数值控制的进步。

从1960年到2000年之间，数值控制系统扩展应用到其他金属加工机，数值控制工作母机也被应用到其他行业。微处理器被应用到数值控制上，大幅提升功能，此类系统即称为电脑数值控制（CNC）。这段期间也出现了快速、多轴的新式工具机。日本成功打破传统工具机主轴形式，以类似蜘蛛脚的装置移动工具机主轴，并且以高速控制器控制，是为快速、多轴的工具机。[2][3]

日本的CNC发展

日本在世界CNC工具机发展中完成许多成果。

1958年，牧野与富士通两大公司合作出日本第一部铣床。

1959年，富士通公司做出两大突破：发明油压脉冲马达（电液伺服马达）与代数演算方式脉冲补间（插补）回路。这加快了数值控制的进步。

1961年，日立工业完成其第一台加工中心机，并于1964年附加自动刀具交换装置（ATC装置）。

1975年开始，Fanuc （中译： 发那科，由富士通公司NC部门独立）公司量产销售的CNC工具机占下了相当国际市场。近年来日本则成功研发出快速、多轴的工具机。

中国大陆的CNC发展

中国大陆地区CNC 发展开始自1958年。1958年2月第一台数控机床在沈阳第一机床厂试制成功。这是一台2轴的车床，由程序配电器控制，由哈尔滨工业大学研制（个人认为此不能属于CNC，而属于程序控制的半自动机床 ）。同年9月第一台真正意义上的数控铣床由清华大学和铣床研究所合作研发完成并在北京第一机床厂试制成功。

台湾的CNC发展

台湾的CNC发展始自1974年杨铁机械开始研究数控车床。

1978至1979，杨铁机械、大兴机械、永进机械、联邦电子等公司都开始销售数控工具机。至此都是以孔带指令操作为主。

1980年代初杨铁机械再推出电脑化数值控制车床、综合切削中心机等。硕诚公司、新讯公司、工研院等机构则成功研制出台湾自制各种数值控制器。

至2001年为止，台湾已能跟进“PC Based”控制器。但无法自制工具机系统中的另外两大部分：主轴马达与伺服马达，多向日本大厂购买。此二部份各占工具机价格三分之一。因此台湾CNC工具机发展仍受日本限制。[3]

CNC之优缺点

与传统工具机、大量生产专用机相比，CNC工具机较适合少量或中量高品质精密零件生产，也较能适应多样不同产品的生产。

功能的优点：

  • 高精确度。高品质。
  • 资料易储存修改。如果程式设计良好，可以通用于不同时间地点的工具机，生产相同的产品。不需重新设计。
  • 可自动换刀、送料等，自动程度更高。
  • “适应控制”维持工具机于最佳生产条件。
  • 较长的刀具寿命。

生产制造之优点：

  • 增加工作时间提高机器使用率（下班无人看管仍可工作）
  • 高效率、高品质、高良率。在成品外形复杂精细时尤其明显。
  • 减少夹具、治具。因此减少前置成本与准备时间。
  • 加工多样化。在少量多样的生产模式下可减少单位成本。

人事管理上的优点：

  • 减少劳力人事成本。一操作员可同时操作数台机器。
  • 加工时间、单位成本易控制掌握，因此可有效掌握生产计划，并且能减少呆料。
  • 操作简便。一旦程式设计完成，操作就减少对高技术操作人员依赖。
  • 免除操作者误差，提高良率。

缺点：

  • CNC工具机初期购置成本高。
  • 程式人员须有加工、操作等知识。
  • 设备精密复杂，维护与保养成本高。
  • 依赖程式设计师、机械维修专业人员。此类人员训练较一般技术员困难。

[2][3]

机床数控系统可靠性

  1. 机床数控系统可靠性定义

数控系统是机床的大脑，数控系统市场产品竞争已由单一的性能价格比转变到性能、可靠性、价格，服务等产品品质要素的竞争，而首要是可靠性的竞争，是用户关注的焦点。

数控系统可靠性是指在规定的条件下和规定的时间内，数控系统产品完成规定功能的能力。或指“在规定的条件下和规定时间内数控系统产品所允许的故障数”，这是狭义的可靠性定义。如果考虑产品在整个寿命周期内完成规定功能的能力，即包含了产品的可维修性，则称为广义可靠性（＝狭义可靠性＋维修性），在一般场合，人们所说的可靠性是指广义可靠性。


  • 影响机床数控系统可靠性工作的因素

1）设计因素：在进行系统设计和选择零部件材料过程中，分析、试验不够，缺乏预测，顶防措施也不够完整、系统初期故障较多。

2）制造因素：数控系统生产过程检测手段薄弱，缺乏严格控制措施 上述二项是影响系统可靠性固有的、关键的因素 3）环境因素

影响产品性能的环境因素为：

  • 电和电磁环境：包括电场、磁场、传输导线的干扰等；
  • 机械环境：包括冲击在内的非稳态振动、稳态振动、自由跌落、碰撞、摇摆和倾斜等；
  • 气候环境：主要包括高低温度、湿度、降水、辐射等；
  • 化学环境：包括油和腐蚀等化学作用物质、机械作用微粒等。

4）动力因素 影响产品性能的动力因素为：

  • 电源：电源电压、频率的变化、电流的波动等；
  • 流体源（包括气源和液体源）：压力、流量变化等。
  • 机床数控系统可靠性评价指标

可靠性评价指标是对可靠性量化的尺度，是进行可靠性分析的依据。

数控系统常用的可靠性指标有： 可靠度（R(t) ）、失效率（故障率λ（t ) ）、平均故障间隔时间（MTBF ）、平均维修时间(MTTR ），它们一般都是时间的函数。

1）可靠度：数控系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率

2）失效率：产品工作到某一时刻t，单位时间内失效数与尚存的有效产品数的比称为失效率，失效率的单位是1/h，也可以表示为“菲特”或Fit(是Failure Unit的缩写)

3）平均故障间隔时间：记为MTBF（Mean Time Between Failures），单位为“小时”。 表示相邻两次故障之间的平均工作时间。它反映了产品的时间品质，是体现产品在规定时间内保持功能的一种能力。 数控系统属可修复产品，所以用MTBF来评定，其方法是：从产品中随机抽取 个样品，通过试验室或现场试验，记录各样品发生故障的次数及相关发生的时间，然后按下式进行计算：


MTBS = (\sum_{i=1}^{n} t[i]) / (\sum_{i=1}^n r[i])

式中： n —样品数, t[i] —使用期内第 台数控系统实际工作时间, r[i —使用期内第 台数控系统出现的故障次数

4）平均修复时间：记为MTTR，是描述产品由故障状态转为工作状态时修理时间的分布，它衡量产品的维修性。

运算式：
MTTR = (\sum_{i=1}^n t[ri]) / (\sum_{i=1}^n r[i])
式中： t[ri] —使用期内第 台受试产品出现故障后修复时间
r[i] —使用期内第 台受试产品出现故障的次数


  • 提高机床数控系统可靠性的措施：

必须在系统生命周期的各个阶段都采取措施：

1）数控系统的设计阶段：通过设计奠定系统的可靠性基础，在设计阶段必须研究如何预测和顶防各种可能发生的故障和隐患，以及确保系统产品可维修性的措施。

2）数控系统样机试制：研究在有限的样品、时间和使用费用下，通过试验测定和验证，找出产品薄弱环节，提出改进措施。

3）数控系统生产；研究生产过程中系统缺陷的处理和早期故 障的排除，通过各种控制措施，保证可靠性设计目标的实现。

4）数控系统使用：研究系统在运行过程中的可靠性监控、诊断、预测，以及采用的售后服务和维修策略，防止系统可靠性劣化。

5）数控系统的可靠性管理。研究可靠性目标的实施计划和资料回馈系统，组织实施以较少的费用、时间实现系统的可靠性目标，

应用技术

请参考 光机电一体化技术与自动控制

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参考资料

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 Amstead, Ostwald, Begeman著，罗任鹏，黄纯权，陈再万编译，《机械加工法》（Manufacturing Processes）（八版四刷）。台北：高立图书。1995年4月。第十五章 工具机的基本元件
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 陈进郎。《数控工具机》。台北市：全华。四版一刷。2004年11月。
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 巫维标。《数控工具机》。台北县：新文京开发出版。2001年。

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