如何提高數控機床功能部件的市場競爭力

18世紀的工業革命推動了機床的發展，至19世紀初已相繼出現各種基本類型的機床，此時它們是由蒸汽機作為動力源，并由塔形皮帶輪與背輪機構及掛輪機構實現變速傳動，再經由主軸、刀架、床身等組成的實施運動與切削的承載件來完成加工。因此機床的結構可以用三個基本功能組成部分來概括，即：作為工作能源的動力機，作為傳遞和變速調整控制的配力機以及作為實施切削運動的出力機。到了20世紀初葉，機床已廣泛使用單獨電動機驅動，使動力機大大簡化并與機床集成為一體。20世紀中葉，隨著電子技術的發展，美國于1952年研制成功第一臺數字控制機床，使作為配力機的控制裝備出現了重大的創新。由此促使了機床的驅動傳動系統、運動軌跡和速度與位置控制系統以及運動與支承結構的重大變革，研發出了多種多樣結構緊湊，能實現不同功能且在邏輯結構或物理結構上能自成獨立單元的部件（以下簡稱功能部件），用以更好地滿足制造業對機床向高速、高效、高精、柔性和復合加工發展的需求。 

        
                
     數控機床的出現標志著劃時代機電一體化產品的問世，而組成數控機床的功能部件將與傳統機床的功能部件有很大的不同：首先各功能部件間的聯系不再單純地通過機構或機械來緊密地耦合，而是通過數控系統及程序指令來完成；其次它們都具有不同程度的反饋控制的能力以保證動作的精確性。這些特點充分反映出它的機電一體化的時代特征，成為具有高性能的新型功能部件。 

      例如，電主軸是把電機轉子和定子內裝于主軸和主軸套筒上，用編碼器進行速度檢測并與伺服控制裝置構成電主軸單元，根據不同應用場合還有在主軸上能對刀具或工件自動夾持等功能；又如應用直接驅動原理的直線電機也成為集動力、控制和執行機構于一體的功能部件。 

  
                
    功能部件的發展和其專業化生產為機床主軸制造廠提供功能完善、品質優良、運行可靠、結構標準化且性價比合適的選件，不僅有利于縮短新產品開發和制造周期，而且由于功能部件已占據數控機床成本相當大的比例，運行的可靠性和工作的諧和性是先進功能部件優化應用的基礎，運行的可靠性和工作的諧和性是先進功能部件優化應用的基礎，它的產業化也有助增強數控機床的價格競爭優勢。                
       

     數控機床的功能部件對機床的功能擴展和性能的提升起著極為重要的作用，因此，它不同于一般配套件和附件的選用，不僅須與數控機床的整體結構諧和協調，融入整機系統具有最佳的匹配性能，而且還能很好地彰顯出該數控機床的個性化特征。 

     例如：應用電機與主軸一體化的電主軸可以減少轉動慣量和增加傳動剛度，成為數控機床高速化的一項主要措施。但目前不少電主軸商品雖用于鋁合金和模具型面加工非常合適，但在加工鋼件和鑄鐵件時由于主軸最大扭矩不足，反使金屬切除率下降，從而出現雖有高速的能力卻不能獲得高效的不足。因此需從整個機床系統的角度來綜合考慮相適應的電主軸的轉速范圍、功率、扭矩等參數，以及研發高速小慣量的內置變速裝置等多樣化結構以適應不同加工領域的需要。 

    又如當主軸轉速和進給速度的提高會引起一些負面影響，它會使機床結構和測量系統的熱變形以及裝置控制的跟蹤誤差隨速度增加而增大，因此能用于高速化的數控系統不能僅是提高數據處理能力，而是應具備熱誤差補償單元以及能實現速度前瞻控制、位置環前饋控制和加減速平穩控制等先進控制技術的功能。 

    由此可見，功能部件的研發是一項系統工程，通過它的功能、性能和可靠性指標來保障數控機床發揮優異的品質。 
           
              

     數控機床的功能部件是一個具有機電一體化特征的子系統。它在控制信息方面與上位的數控系統構成邏輯上的分布式數控體系；在物理結構上則成為執行機床系統中一個或多個功能的獨立單元。因此，它的運動參數、承載能力、物理特性、精度保持性和工作壽命等都需與機床系統協調匹配。不斷提高品質加強服務是提高功能部件市場競爭能力的重要措施。這里對如何發展品質優良且具有市場競爭力的功能部件提出以下幾點粗淺的意見： 

                
    1．充分提升功能部件的技術含量，以其高附加值來取得良好的經濟效益。一種先進的功能部件不是僅僅依靠批量化生產降低成本來取得市場優勢，而是需要從產品的設計和制造上樹立精益求精的主導思想，加強創新力度，才能形成強勢的拳頭產品。 

     2．建立機電一體化功能部件的集成設計技術。適用于數控機床的先進功能部件本身就是一個機電一體化的集成子系統，它是動力能源、廣義機械執行裝置和動態反饋控制三者的總成，不僅包含三者間的內部匹配和連接，而且還具有與外部的接口。例如伺服驅動裝置，只有在綜合協調伺服電機的動力特性、外部負載的力學特性與伺服控制平臺的參數設置，才能使該裝置實現優化。 

     3．有利于促進數控機床向個性化和可重構化發展。這也是功能部件與一般配套件的一個主要區別。功能部件作為數控機床中的一個分系統，要做到設法以已之長來推進數控機床的整體性能優勢。這就需要加強售前服務，既要為用戶推薦適用的產品，又能根據需要作必要的改進。為了實現這一目標，對功能部件結構上要深化模塊化設計，在制造上要運用定制化規模生產方式，以冀達到功能提升和成本降低的目標。 

     機電一體化功能部件向功能多樣化、接口智能化、結構緊湊化方向發展將有利于促進個性化復合加工機床的推廣以及適用于生產線的新一代可重構機床的出現。 

    4．加強“產學研用”結合和多學科專業的合作。我國數控機床功能部件制造企業不少是在機床元件和附件制造廠基礎上發展起來的，為了能實現跨越式發展，除了很好分析國外先進產品的技術外，加強“產學研用”的結合，引入多學科的專業知識將是促進創新的一個有效措施。例如發展在3萬轉轉速下用直徑50mm銑刀超高速切削鋁合金的電主軸所需的功率就超過80kW，而目前大多數高速電主軸商品僅在30kW左右，問題在于大功率電機需要較大的轉子直徑，受電機轉子材料的容許線速度的制約，轉子直徑又不能增大，這就需要對電機結構、轉子材料以及動平衡技術進行創新才能有所突破。