关键步骤：如何选择数控机床

针对具体加工对象选择数控机床时，在遵循一般原则的基础上，还应着重考察一些重要的指标和项目。

1.数控机床的主要特征规格

机床特征规格包括机床型号、规格参数、主电动机功率及转速范围等。

（1）机床型号

目前，不同机床生产厂家所遵循的数控机床的型号标准也不尽相同，其主要方法有：

① 以普通机床的型号加通用特性代号表示。根据GB/T15375—94《金属切削机床型号编制方法》的规定，在类代号之后加字母K、H、J等表示。其中，K表示数控，H表示加工中心（自动换刀），J表示经济型。如CK6150表示数控车床，XK5025表示数控铣床，XH716表示铣削类加工中心，CJK6153表示经济型数控车床。以上的命名中，除K、H、J外，其余参数均与同类型的普通金属切削机床相同。

② 用英文的含义表示。以英文字母的缩写表示，如VMC600表示立式加工中心，VMC为英文Vertical Machinin g Centers（立式加工中心）的缩写。FMC1000表示柔性制造单元，FMC为英文Flexi-ble Manufacturin g Cell（柔性制造单元）的缩写。

③ 企业自己的命名。如北一大隈（北京）机床有限公司的LCR—270、LBR—370数控车床，MXR—460V、MXR—560V数控立式加工中心；广州机床厂有限公司的G—CNC100精密型数控车床、M—V4B立式加工中心等。

④ 进口及港台地区生产的数控机床的型号。如瑞士米克朗公司高速五轴铣削中心HSM400U，德马吉公司的经济型五轴万能数控加工铣床DMU70，台湾佳群数控机床公司GP—850立式加工中心等。

在满足加工工艺要求的前提下，数控机床型号的选择应首选常规的设备。例如车削中心和数控车床都可以加工轴类零件，但由于同样加工规格的车削中心价格要比数控车床贵几倍，所以一般是首选数控车床，只有在数控车床不能满足其工艺要求时，才考虑选择车削中心。对于铣削加工也是一样，首先应选择数控铣床，如果是经常换刀的加工工艺，则选择加工中心较为合适。

（2）规格参数

数控机床的规格应根据确定的典型零件族加工尺寸范围而选择。移动轴的行程范围及旋转的角度范围是数控机床的最主要规格。其中机床的三个基本直线坐标（X、Y、Z）的行程反映该机床允许的加工空间，选择机床时则须考虑工作台面本身的尺寸和各轴的行程两组参数。在数控车床X、Z两个坐标中，Z反映允许加工工件的轴向长度，而回转体的直径则和在普通机床上一样，由卡盘的中心高确定。一般情况下，加工件的轮廓尺寸应在机床的加工空间范围之内，如典型工件是（450×450×450）mm的箱体，那么应选取工作台面尺寸为（500×500）mm的加工中心。选用的工作台面比典型工件稍大一些，这是考虑到安装夹具所需的空间。机床工作台面尺寸和三个直线坐标行程都有一定的比例关系，如上述工作台（500×500）mm的机床，X轴行程一般为700～800mm、Y轴一般为500～700mm、Z轴一般为500～600mm。因此，工作台面的大小基本上确定了加工空间的大小。个别情况下，工件尺寸也可以大于坐标行程，这时必须要求零件上的加工区域处在行程范围之内，而且要考虑机床工作台的允许承载能力，以及工件是否与机床换刀空间干涉、与机床防护罩等附件干涉等一系列问题。

对于旋转轴，其旋转的角度范围确定了能够加工的角度、工件的不同位置以及曲面的弯曲程度。

和坐标轴行程对应的参数还有相应的轴的快速运动速度和进给运动速度，它们是在机械允许的基础上由数控装置、驱动系统及电动机等决定的，它们的高低将影响加工的效率和质量。

（3）主电动机功率及转速范围

数控机床的主电动机功率在同类规格机床上也可以有各种不同配置，一般情况下反映了该机床的切削性能和切削效率。数控机床的主轴功率一般在几kW到几十kW。普通数控车床的主轴转速一般为20～2000r/min，一般加工中心主轴转速可达4000～8000r/min，主轴转速8000r/min以上的称为高速切削机床，其主轴电动机功率也成倍加大。在中小型数控机床中，主轴箱的机械变速装置已较少采用，往往都采用功率较大的直流或交流可调速电动机和主轴直接相连，甚至采用电主轴结构。这样的结构的转矩在低速切削时会受到限制，即调速电动机在低转速时输出功率会下降。为了确保低速输出转矩，常采用大功率电动机。当需要加工的一些典型工件上有大量的低速加工时，建议采用带机械变速的高低速档的数控机床。

2.机床精度的选择

选择稳定可靠的高精度数控机床，是每一个用户最关心的问题。典型零件的关键部位加工精度要求决定了选择数控机床精度的等级。

按照用途分，数控机床可分为简易型（又称经济型）、全功能型、超精密型等，其功能和精度也都各不相同。从精度方面来看，简易型数控机床主要用于一部分车削加工和铣削加工，其最小运动分辨率为0.01mm，运动精度和加工精度都低于0.03～0.05mm；全功能型数控机床的最小运动分辨率为0.001mm，其加工精度可达0.01～0.03mm，可满足一般工业生产的需要，超精密型用于特殊加工，其精度高于0.001mm。

零件的精度包括尺寸精度、形状精度和位置精度三个方面。影响零件加工精度的因素很多，简单地可以分为机床因素和工艺因素，机床因素是零件加工精度的主要方面。

数控机床按精度可分为普通型和精密型，其精度检验项目有二十到三十项，这里我们仅就普通加工中心的单轴定位精度、单轴重复定位精度、两轴以上联动加工出试件的圆度（见表2-3）这几个基本指标予以说明。其它精度项目与表2-3内容都有一定的对应关系。

表2-3 数控机床精度特征项目

数控机床的定位精度是指坐标位置信息与其真实位置之间的接近程度。显然，定位精度越高的数控机床，其性能也越好。定位精度和重复定位精度综合反映了某一轴运动部件的综合精度。在机床刚性允许的情况下，相同条件下定位精度越高的数控机床，所切削零件的尺寸精度也越高。定位精度的测量可使用激光干涉仪进行精确标定（分辨率为0.01μm），也可以使用杠杆百分表或千分表来测量。

（1）单轴定位精度

单轴定位精度是指在该轴行程内任意一个点定位时的误差范围，即机床坐标轴移动到某位置后又移动到其它位置，当它再次移回该位置时的实际差值。它直接反映了机床的加工精度能力，是数控机床最关键的技术指标。不同国家标准的单轴定位精度的测量方法、数据处理也有所不同。数控机床某一可控轴行程中的某一个定位点误差，是反映该点在机床长期使用中成千上万次在此定位的误差，而我们在测量时只能测量有限次数（一般5～7次）。为了真实反映这个定位点周围一组随机分散的点群定位误差分布范围，我们采用了误差统计规律数据处理方法。

机床的定位精度与该机床加工时可能达到的精度具有一致性。例如在单轴上移动加工两个孔的孔距精度约为单轴在该段定位精度的1～2倍（具体精度值与工艺因素密切相关）。机床的定位精度与该机床的几何精度相匹配。

数控机床的进给伺服系统采用半闭环方式还是全闭环方式直接影响其定位精度。对于定位精度要求较高的数控机床，还必须关注它所使用的检测元件的精度及稳定性。采用半闭环伺服驱动方式的数控机床，其精度稳定性要受到控制环以外的因素影响，如传动链中滚珠丝杠受工作温度变化而造成丝杠变形，进而必然对工作台实际定位位置造成漂移影响，从而造成对加工件的加工精度的影响。对于采用闭环控制伺服驱动方式的数控机床的精度，在设备稳定运行的情况下，不同检测元件之间的差别也是明显的，例如分辨率为0.005mm的光栅尺的精度显然要低于分辨率为0.001mm的光栅尺的精度。

直线运动定位精度一般在空载条件下测量，测量方法是在全行程上每隔200mm或250mm左右选取一个测量点，从正负两个方向快速移动到测量点，多次测量的统计误差即为该轴的定位精度。

（2）重复定位精度

某轴的重复定位精度反映了该轴在行程内任意定位点的定位稳定性，是衡量该轴能否稳定且可靠工作的基本指标。复杂的传动环节是重复定位精度存在的原因。目前，数控系统中的软件都有丰富的误差补偿功能，能对进给传动链上各环节系统误差进行稳定的补偿。例如丝杠的螺距误差和螺距累计误差可以用螺距补偿功能进行补偿，进给传动链的反向死区可用反向间隙补偿来消除。但电控方面的误差补偿功能不可能补偿随机误差，例如传动链各环节的间隙、弹性变形和接触刚度等变化因素，它们往往随着工作台上负载大小、切削参数的不同（粗、精加工等）、移动距离长短、移动定位速度的快慢等反映出不同的运动量损失或增加。

数控机床直线运动的重复定位精度的测量可选择其行程的中间和两端任意三个点作为目标位置。对于回转工作台，其测量的方法是以一角度进行定位，然后在正负方向旋转一定的角度进行测量比较。

（3）铣削圆柱面精度

铣削圆柱面精度是综合评价一台机床的数控轴（两轴或三轴联动时）伺服跟随运动特性和数控系统插补功能的指标，评价指标为加工圆柱面的圆度。测定铣圆精度的方法是：先采用立铣刀铣一个标准圆柱试件（试件的直径为ϕ200～300mm），加工完毕后，用圆度仪测量出该圆柱的圆度，即为铣圆精度。

圆度误差产生的原因比较多，但主要原因是由于间隙、刚度以及伺服系统的精度等。常见的误差现象有：

① 两个半圆错位和接刀处有突跳（图2-4）。原因可能是反向间隙大，不稳定的弹性变形和摩擦阻尼所造成的。

图2-4 两个半圆错位和接刀处有突跳时的圆度误差

铣出圆柱面上有明显铣刀振纹时，反映了该机床插补速度不稳定。在圆形表面上每一可控轴运动换方向的点位上有停刀点痕迹时，（即在连续切削运动中，当在某一位置停止进给运动，刀具就会在加工表面上形成一小段多切去金属的痕迹），反映了该轴正反向间隙没有调整好。

② 铣出的圆度有明显椭圆误差（图2-5）。产生的原因可能是两轴不垂直和两轴系统误差不一致。可以适当调整速度反馈增益和位置环增益来改善。

图2-5 铣出圆度有明显椭圆误差

③ 圆的某处粗糙度值很大。可能是由于润滑不好而导致爬行现象，可调整丝杠联轴器处轴承间隙来改善润滑。另外，不能选择太小的进给速度。

④ 全圆有振纹（图2-6），但有周期性。原因可能是丝杠和电动机定位有误差，两轴联动进给速度不均匀或机械负载不均匀，低速爬行，位置反馈元件传动不均匀，丝杠和电动机定位有误差等。

对加工中心和数控铣床来说，铣圆精度反映了对工件轮廓进行加工（如加工凸轮、模具型腔等）所能达到的最好加工精度。对于表面粗糙度要求不是很高的孔加工时，可用铣圆加工取代部分传统的孔加工方法。

图2-6 全圆有振纹时的圆度误差

在数控机床试切件中还有铣斜方形四边加工，也可以反映出两个可控轴在直线插补运动时的精度。

3.数控机床的刚度与可靠性

（1）数控机床的刚度

数控机床的刚度是指数控机床在切削力和其它外力作用下抵抗变形的能力。它包括机床构件本身的刚度和构件之间的接触刚度。机床构件本身的刚度主要取决于构件本身的材料性质、截面形状、大小等。构件之间的接触刚度不仅与接触材料、接触面的几何尺寸和硬度有关，而且还与接触面的表面粗糙度、几何精度、预压力等因素有关。

机床的刚度越大，动态精度越高。数控机床的刚度直接影响到生产效率和加工精度。由于刀具技术的进步、数控装置及驱动系统性能的提高，主电动机功率也数倍于相同规格的普通机床，因此数控机床的切削速度大大提高，自动加工时的人为干预也大大减少。在机床刚度方面，数控机床要求比普通机床具有更高的刚度。有标准规定，数控机床的刚度系数应比相同规格的普通机床高50%。

机床刚度是衡量机床质量的一个重要参数，但是对于用户选择数控机床而言，其实还没有一个明确的标准。一般情况下，用户可对要购买机床的其它用户进行咨询与考察，并参考以下的一些有关机床结构刚度的方面的内容。

1）构件的结构形式是否合理

① 选择截面的形状和尺寸的选择。对于形状相同的断面，当保持相同的截面积时，采用壁厚小、截面轮廓尺寸大的形式较好。采用封闭式截面的刚度比不封闭式截面的刚度大。在壁上开孔将使刚度下降，而在孔周加上凸缘可使抗弯刚度得到恢复。(www.xing528.com)

② 隔板和肋条的选择及布置。合理布置支承件的隔板和肋条，可提高构件的刚度。对于纵、横和对角肋板，以交叉肋板的作用最好；对一些薄壁构件，以蜂窝状加强肋较好。

③ 构件的局部刚度的提高。机床的导轨和支承件的连接部件，往往是局部刚度最弱的部分，但是连接方式对局部刚度的影响很大。

④ 焊接结构的构件选用。机床的床身、立柱等支承件，采用钢板和型钢焊接而成，具有减小重量提高刚度的显著优点。钢的弹性模量约为铸铁的两倍，在形状和轮廓尺寸相同的前提下，如果要求焊接件与铸件的刚度相同，则焊接件的壁厚只需铸件的一半；如果要求局部刚度相同，焊接件的壁厚只需铸件的80%左右。用钢板焊接有可能将构件做成全封闭的箱形结构，从而有利于提高构件的刚度。

2）结构布局的合理性

结构布局的合理性要求自重产生的弯曲变形和切削力产生的弯曲和扭转变形小为佳。

由于结构尺寸的限制，数控机床的拖板和工作台的厚度尺寸不能设计得太大，但是宽度或跨度又不能减小，因而导致刚度不足。为弥补这个缺陷，除主导轨外，在悬伸部位增设辅助导轨，可大大提高拖板和工作台的刚度。

3）补偿构件变形的结构措施的采用

当能够预知构件的变形规律时，可以采取相应的措施来补偿变形以消除其影响，补偿的结果相当于提高了机床的刚度。例如将大型龙门铣床的横梁导轨作成“拱形”，即中部为凸起的抛物线形，可使因主轴部件移到横梁的中部时，横梁的最大弯曲变形得到补偿；或者通过在横梁内部安装辅助横梁和预校正螺钉对主导轨进行预校正；也可以用加平衡重的办法来补偿。

（2）数控机床的可靠性

数控机床的可靠性包括两方面的含义，即数控机床在使用寿命期内的故障尽可能少和在连续运行时的稳定可靠。衡量数控机床的可靠性的定量指标为平均无故障时间（Mean Time Between Failure，MTBF），即数控机床从一次故障到下一次故障的平均时间，单位为小时。

MTBF计算中主要考虑的是产品中每个元器件的失效率。

以每天工作三班的工厂为例，如果要求24h连续运转、无故障率99%以上，则机床的MTBF必须大于4500h。因为数控系统的可靠性要比主机高一个数量级，如果主机与数控系统的失效率之比为10∶1，则数控系统的MTBF就要大于5万h，而其中的数控装置、主轴及驱动部分等主要部分的MTBF就必须大于10万h。这是对于单台机床的要求，而对由不同数量的数控机床构成的生产线要求就更高了。实际上，也不是MTBF值越高越好，可靠性越高则机床成本也越高，生产成本也相应提高。

选择数控机床时，对于可靠性的要求，在综合评价的基础上可着重关注机床生产厂家以下方面的有关内容。

① 数控系统的品牌与品质方面。购买高性能的数控机床应首选配备西门子、法拉科等知名品牌的产品，华中世纪星、广数系统、凯恩帝等国产系统的稳定可靠性也较高。对于数控系统的选择，还应关注其参数设置的合理性、逻辑控制程序的严密性等。

② 采用技术成熟的模块化零部件方面。主轴轴承、滚珠丝杠、滚动导轨、数控车床转塔刀架、加工中心刀库和机械手等模块化零部件的采用，是提高数控机床可靠性的重要途径之一。选择数控机床时，可通过产品选择模块化零部件的类型、品质品牌及装配与检测手段来推测数控机床的可靠性。

③ 数控机床的参数备份工作。在数控机床出现不能进行快速判断其故障原因等问题时，良好的机床参数备份与恢复工作是使数控机床较快重新运行起来的简单快捷的方式之一。数控机床的参数备份包括利用RS-232端口、存储卡和网络等手段。选择数控机床时也应该关注这方面的配置。

4.数控机床的造型

数控机床的造型除了必须按照设备的使用功能进行设计制造外，还要考虑到机床外观造型的表现形式，从而能更形象生动地传达数控机床的信息。

从数控机床的造型来说，其外观造型的作用既从属于使用的范畴而往往被忽视，也属于主观的范畴，呆板或粗劣的造型形式可能会导致购买者放弃对该产品的选择。究其原因，这与传统的对机械产品设计与制造不太重视美学的运用有关，另外也是对人体工程学与机械造型的结合考虑不够造成的，从而失去了应有的竞争能力。

考察数控机床的造型，可从整机的结构与色彩在车间中的布置和单机的使用两个方面来进行衡量。整机的结构与色彩应与车间的其它设备、环境相协调，这样可给车间生产人员以明快整洁的感觉，从而让生产者更好地发挥主观能动性；单机的使用可考虑外观造型要素技术与艺术的统一，具体来讲，单机的使用可重点关注如下细节。

（1）外罩

数控机床外罩的基本功能是卫生、环保和安全，在结构上有全密闭、半封闭和简易外罩之分，其形式上有曲面造型、直面造型和斜面造型之分。外罩造型是数控机床整体造型风格中最重要的因素，是圆润、流畅还是给人以庄重之感，亦或是轻巧快捷的设计理念，应视机床的类型和大小而有所取舍。

（2）门及把手

在机床造型中，门是非常重要的部件，它一般随机床外罩造型的变化而变化。对于工作台较小的机床，一般采用单开门的结构；而对于工作台较大的机床，则宜选用双开门。数控机床对门的基本要求是高度适中，宽度以略大于工作台的宽度为佳。

门把手是数控机床操作人员频繁使用的部件，其基本要求是操作机床的方便性和舒适性。在大方的前提下，门在形状上可适当增加艺术的、人性化的设计理念。

把手的安装高度应适当，要考虑到机床前是否需要配置垫板这一因素。

（3）观察窗

数控机床的外罩和门上还应设计有观察窗口，操作者可通过它对正在运动的机床部件和加工的工件进行观察。观察窗的形式可以多种多样，但最好能让操作者从不同的角度进行观察。考虑到切削液和切削的影响，观察窗的内外应便于清洁。

总的来说，对机床生产者和机床使用者而言，性能优异和造型美观的数控机床都能增强产品的附加值，从而创造更高的经济效益。

5.数控机床的功能

数控机床是配备有数控系统的高自动化设备，其工作包括各种动作协调的过程自动化和精密切削控制的实时自动化两个方面。相应的，数控机床的功能也包括以下一些基本内容：

（1）准备功能

准备功能也称为G功能，是数控机床最基本、最主要的功能。准备功能用来进行相关设定和指令机床的动作方式等。

直线（G01）和圆弧（G02/G03）移动功能是数控机床加工工件的基本功能，也是使用最多的功能。利用它们可以加工大多数零件的轮廓、孔、台阶、沟槽及部分成形面。各种螺纹功能也是数控机床的常规功能。

数控机床提供的其它一些准备功能，则能为生产加工带来更大的便利。例如使用坐标设定指令可以方便编写零件加工程序；使用刀具补偿功能可以减少编程的计算工作量，而且所编程序具有更大的通用性。再例如一些固定循环功能，使用它们可以更好地适应不同加工工艺的要求，而零件的加工程序却非常简洁。

数控机床能够加工零件的复杂程度和准备功能有关，尤其是移动指令的多少，直接决定了数控机床能否加工某零件或加工某零件的编程复杂程度。借助宏编程（使用参数变量进行算法设计），一般的数控机床都能完成由初等函数曲线描述的零件轮廓的加工工作，而有些特殊轮廓的加工则需要系统具有样条曲线等功能。

在准备功能中，各坐标轴的移动速率（F）一般是可编程的，也是可以实时修调的。

（2）辅助功能

辅助功能也称为M功能，即一系列M指令，它们用来指定加工前的准备工作，例如主轴起动、切削液开启和选择适合刀具等。另外，在加工过程中的程序暂停或加工完成时，M功能还控制各类辅助动作的停止及程序结束等。

辅助功能以各种动作为主要对象，高档数控机床还具有一系列的在线监测功能和保护措施等辅助功能。

（3）主轴功能

辅助功能中的主轴功能是指和主轴有关的功能。主轴正（M03）反（M04）转是主轴的基本功能，且主轴的转速应是可调的。除此以外，加工中心换刀或精镗孔后要退刀时，主轴必须有准停功能，即主轴在其轴径上准确地按角度定位。为保证加工不同径向尺寸零件时的表面质量，主轴功能中还有恒线速度（G96/G97）功能，即主轴自动变速，使刀具相对切削点的线速度保持不变。

（4）刀具功能

自动选择和更换刀具是一些数控机床的重要功能，它不仅是数控机床得以工作的辅助功能，而且随着自动换刀功能的加强，数控加工的工艺水平也发生了巨大的变化。

在现代数控机床中，带有自动回转刀架的数控车床可以在一次装夹的情况下就完成外圆、端面、槽及螺纹等多工序的集中加工任务，而加工中心能够在一次性装夹的情况下完成的内容就更多更复杂。

在刀具功能中，刀具的管理包括刀具的基本信息——刀号与刀位，刀具的参数——类型、形状、补偿量等。数控机床刀具的管理功能应与现代生产管理方式有效地结合起来，才能更好地发挥数控机床的优势。

另外，数控机床的操作便捷性、软件操作的友好性及数据备份与恢复的多样性等也是衡量一台数控机床功能优劣的重要参考标准。在选购数控机床时，应让使用和操作数控机床的人员注意了解相关的内容。

6.机床选择功能及附件的选配

在选购数控机床时，在满足基本要求的情况下，还应充分考虑选择功能及附件的选配问题。相关配置的选择应综合考虑远近效益，以充分发挥数控机床的最大潜力。对一些价格增加不多，但对使用能带来很多方便的功能，应尽可能配置齐全、附件配套，保证机床到现场后能立即投入使用。数控系统选择功能以实用为主，若是批量生产线中的数控机床，应越简单越好；若是多品种、小批量生产方式的数控机床，则要加强编程等功能的选择。对于复杂零件的加工，则以单独配置自动编程机及与数控系统的通信接口为佳，程序处理都事先在编程机上做完，然后送入数控系统。其它功能及附件的选配则以生产实际需要为原则，但应充分考虑一次性购买要相对经济。

7.售后服务

数控机床作为一种复杂的设备，包含了多方面的专业内容。在制造业大量普及使用数控机床的今天，对许多中小企业而言，应用、维修好数控机床，单靠自身努力往往是不够的，而且很难做好，所以必须依靠和利用社会上的专业队伍。

因此，数控机床除选购设备之外，还应考虑选购各类围绕设备的售前、售后技术服务，其宗旨就是要使设备尽快尽好地发挥作用。从开始选择设备时起，到以后的设备到货安装验收、设备操作、程序编制、机械和电气维修，都需要人才和技术支持，这些工作在短时间内由用户自行解决是有难度的。

对机床制造商的售前、售后服务承诺及能力考察，应给予必要的重视，并要求其协助自己对典型工件作工艺分析、进行加工可行性工艺试验以及承担成套技术服务，包括工艺装备研制、程序编制、安装调试、试切工件等，直到全面投入生产后快速响应保修服务，以及为用户举办各类技术人员培训等。

[1]成组技术：合理组织中小批量生产的系统方法，它应用一整套的工作程序，利用计算机自动进行零件分类、分组编码。成组技术应用于产品设计标准化、通用化、系列化和工艺规程的编制过程及生产作业计划和生产组织等方面。成组技术的基本原则是根据零件的结构形状特点、工艺过程和加工方法的相似性，打破多品种界限，对所有产品零件进行系统的分组，将类似的零件合并、汇集成一组，再针对不同零件的特点组织相应的机床对其进行加工。经过这样的重新组合后，可以使不同零件在同一机床上用同一个夹具和同一组刀具，稍加调整就能加工。