浅谈影响数控机床性能的因素

浅谈影响数控机床性能的因素

摘要：目前国产数控机床在精度、速度、多轴联动和复合加工等先进功能方面取得了明显进展。但机床功能的维持能力即可靠性与国际水平尚有较大差距。可靠性低是国产数控机床，特别是中高档数控机床市场占有率低的主要原因，已成为国内机床产业发展的技术瓶颈，引起了行业和学术界的高度关注。数控机床作为复杂的机电液系统，它既不像电子产品和机械结构产品那样已经具备了相对成熟的可靠性理论与技术。

关键词：数控机床性能；因素；

近年来，高速度、高精度的高性能机床已经越来越成为数控机床发展的一个新趋势，针对高速、高精机床的研究也逐步展开。精密加工要求数控机床进给系统能够快速准确地对输入做出响应，但实际上有很多因素导致数控机床不能快速准确的复现输入。人们围绕影响数控机床精度的因素和如何提高数控机床的性能开展了大量深入的研究探讨和实践，取得了非常有价值的研究成果，对高性能数控机床的发展起到了重要作用。

一、影响数控机床性能的因素

1.数控机床可靠性研究的学者和机构较少

数控机床是一个故障模式多样、故障机理复杂、可修复的复杂系统，其可靠性的研究工作在技术上多学科交叉、时间上贯穿全生命周期、空间上涉及多部门协同，是一项复杂的系统工程。因此数控机床可靠性技术的研究工作周期长、耗资大、出成果慢，需要科研团队产学研合作长期工作才可能取得成效。相比于其他关键共性技术的研究，目前国内对数控机床可靠性研究的科技投入力度较小，专门从事该方向研究的科研机构和研究团队较少，尚未形成完整的技术体系。相关部门应加大投入，积极进行政策引导。数控机床的可靠性数据不仅包括故障数据，还应包括维修数据和载荷数据。目前数控机床的故障和维修数据已经有了一定的积累，但是其载荷数据积累严重不足。已有数据只是针对于某一型号或某一用户，未覆盖量大面广的数控车床和加工中心，也未涵盖不同用户行业，不具有普遍性。载荷数据积累不足，难以编制数控机床整机、功能部件和关键零件的载荷谱，可靠性设计依据不够充分，特别是不能进行可靠性概率设计，造成产品的固有可靠性水平先天不足。

2.数控机床故障机理研究不足

故障机理研究是指针对故障现象通过理论与试验分析得到反映产品故障本质的物理或化学原因。现有研究偏重于在故障独立的假设下，利用机床的故障数据进行可靠性建模与评估和故障模式影响及危害性分析，根据评估分析结果采取更换零部件和改变结构等设计改进措施。但由于故障机理研究不足，对产生故障的物理本质、故障之间的相关性和共因故障等问题认识不清，往往造成过度改进而增加成本，甚至出现改进无效的情况。

3.重机床整机、轻功能部件

数控机床主要是由各类功能部件和数控系统及支撑结构组成的，因此机床的可靠性与机床功能部件的可靠性，特别是关键功能部件的可靠性密切相关。保障功能部件的可靠性水平是德、日、瑞士等机床工业发达国家保证数控机床可靠性的主要技术途径。国内的中高档数控机床曾长期大量采用进口关键功能部件，国内机床功能部件企业的技术能力薄弱，大多处于产品中低端的低成本竞争阶段，使得研究机构的工作重心偏重机床整机。其次，整机可靠性的研究通常是进行现

场跟踪试验，不需要可靠性试验设备，介入的门槛较低；而功能部件可靠性的研

究目前尚需要自主研发功能部件的可靠性台架试验设备，介入的难度较大，使一

些研究者望而却步。

4.数控机床维修性和可用性重视不够

用户在可靠性方面对产品的最高要求是“要用时即能用”。对于数控机床这一

典型的可修复产品，就是既要求其故障间隔工作时间长，又要求其出现故障后功

能恢复容易、维修时间短。也就是既要求其可靠性高，又要求其维修性好。同时

考虑可靠性和维修性的指标就是可用性，也称为广义可靠性。目前机床行业、检

测机构和科研课题指标在产品可靠性方面尚只对可靠度指标进行考核，因此，研

究者对数控机床的维修性和可用性重视不够，虽然但从满足机床用户需求的角度，还远未达到应有的重视程度。

二、对策

1.工装夹具的选择与工件的安装时间和测量时间有直接关系，也就是与加工

的辅助时间有关系

（1）推广和改进组合夹具及组合真空夹具的应用，缩短辅助时间。（2）尽

可能提高工件基准选择的统一性，减少工装定位的工作量和夹具的数量。（3）

采用定力夹具，防止工件产生装夹变形，提高加工精度。（4）积极推广工装夹

具的计算机辅助管理。

2.产品的设计工艺

（1）圆角、斜角的大小变化要尽量统一，从而简化编程和刀具选择。（2）

设计合理的工件结构，使其更适合于数控加工。（3）改进工艺，使表面粗糙度

和尺寸精度更加合理。提高定位基准精度，使加工余量均匀。提高毛坯质量，如

应力消除等，防止产生加工变形。

3.合理安排工艺路线

应该采取措施防止和减少零件变形；如果反复修正基准，可采用无应力装夹；对重要零件应采取粗加工后自然时效。要严格产品试切制度，认真做好试切记录；对于首件产品的试切加工，编程工艺人员应该亲自到达现场指导。及时完善各种

配套标准建设在缺乏标准的情况下，要完善和制定相关标准，如工艺参数特别是

高速铣削参数的标准的制定。数控加工具有很大的灵活性，工件种类繁多且大多

结构比较复杂，需要刀具的种类和数量也比较多，因此，合理有效的管理至关重要。第一，零件的编程。编程的管理主要包括编程准备工作的安排、编程所需原

始资料的获取（如CAPP、共夹量具、刀具标准等）和程序的管理（包括介质管理和信息管理）。编程准备工作主要包括刀具准备清单和进度情况、刀具的使用频

率和磨损情况以及工夹量具库的管理。第二，机床的维护．机床的维护包括三个

方面内容：（1）预防性维护，以保证机床的正常运行；（2）故障性维修，消除

故障，恢复设备的正常运行；（3）对老的数控机床进行改造，以降低新设备投

资费用，充分提高设备的使用效率。为了搞好机床的维护工作，要注重搜集相关

资料（特别是进口机床），准备必要的机床维修备件，定期对机床维修人员进行

必要的培训，并提高数控加工技术人员的待遇。同时，还要注重环境温度的控制。夏天高温，机床的故障率会相应提高，因此，厂房应该有降温措施，对于开放式

厂房，粉尘浓度高，易造成数控设备的故障，所以，应该改善数控加工车间的环

境条件。管理者对数控机床往往存在误区：譬如，认为加工中心一类的数控机床

为贵重机床，粗加工不能用，太精密的工件又不一定能加工，这样，就自然把加

工对象压缩到很小的范围内，使数控机床任务不饱满；给数控机床安排不合适的