對一個制造企業(yè)來說，提高生產能力往往從生產管理、制造工藝、生產設備等方面入手進行技術改造，而這幾部分內容又是互為影響和制約的。在技改中對生產設備、數(shù)控機床的更新、維修、采購等的選擇上必須考慮到要在什么樣環(huán)境下使用、如何管理、怎樣能達到好的經濟效果等問題。選擇制造設備是要為制造某一些產品服務的，選擇的設備可能用于產品零件的一部分工序加工、也可能用于全部工序加工。制造水平的高低首先取決于工藝過程的設計，它將決定用什么方法和手段來加工，從而也決定了對使用設備的基本要求，這也是對生產進行技術組織和管理的依據。

設備選擇的基本要求確定后還要根據市場上能提供什么樣技術水平的裝備來選擇，針對大部分中小批量生產的制造企業(yè)，選擇數(shù)控機床來替代舊機床或增強生產能力已是發(fā)展趨勢。比較普通和數(shù)控兩類機床的性能，數(shù)控機床具有加工復雜形面零件能力強、適應多種加工對象（柔性強）；加工質量、精度和加工效率高；適應CAD/CAM聯(lián)網、適合制造加工信息集成管理；設備的利用率高、正常運行費用低等特點。

選擇數(shù)控機床是一個綜合性技術問題，現(xiàn)在無論國內還是國外，都能生產提供多種多樣的設備。數(shù)控機床經幾十年發(fā)展已演變出一個龐大家族群，能完成各種各樣的加工制造要求。如何從品種繁多、價格昂貴的設備中選擇適用的設備，如何使這些設備在制造中充分發(fā)揮作用而且又能滿足企業(yè)以后的發(fā)展，如何正確、合理地選購與主機配套的附件、工具、軟件技術、售后技術服務等，使采購的設備能達到較好的投入比……這些問題都是廣大采購者必須考慮，并逐一要處理好的問題。

1. 軸類零件：銑端面打中心孔→數(shù)控車床（粗加工）→數(shù)控磨床（精加工）；
   

2. 法蘭和盤類件：數(shù)控車床（粗加工）→車削中心（精加工）；
   

3. 型腔模具零件：普通機床加工外形及基面→數(shù)控銑床加工型面→高速數(shù)控銑精加工→拋光或電腐蝕型面；
   

4. 板類零件：雙軸銑床或龍門銑床加工大平面→立式加工中心上加工各類孔；
   

5. 箱體零件：立式加工中心上加工底面→臥式加工中心上加工四周面各工藝面。

在安排工藝流程中考慮下列因素：

(1)選擇短的加工工藝流程。

(2)數(shù)控機床有相當大適應性，但也不是的，從經濟觀點考慮，典型工件族中每一種零件都有一個經濟批量，應在經濟批量基礎上使用比較先進的工藝手段。

(3)盡量發(fā)揮機床的各種工藝特點，追求大限度地發(fā)揮數(shù)控機床的綜合加工能力特長(多工序集中的工藝特點)，應在生產流程中配置少的機床數(shù)量、少的工藝裝備和夾具

(4)要考慮生產線或生產車間的各種設備能力的平衡。作為單臺數(shù)控機床的選擇或一條生產線的配置，單一的設備不可能完全包下一個工件的全部加工工序，必然有和其他設備的工序轉接，各設備之間的生產能力要平衡，滿足生產節(jié)拍的綜合要求，所以安排每臺設備上的工序數(shù)量、加工工序順序等既要發(fā)揮各臺數(shù)控機床的特長、滿足精度要求，還要進一步應考慮各臺機床上工件轉序時工藝基準的合理使用。

(5)在安排數(shù)控加工工藝中經常碰到的問題是工序集中與工藝加工漸精原則的矛盾。在數(shù)控機床的使用上，人們普遍采用將多工序集中在一臺機床上完成的工藝集中原則，以此來追求提高生產率，縮短零件加工周期，甚至希望工件在一次裝卡中全部加工完畢。但實際上對一些復雜的、精度要求較高的工件，由于在加工過程中的熱變形、內應力引起的工件變形、工夾具夾緊變形、熱處理要求時效等工藝因素和程編者操作因素等，很難一次裝卡完成全部加工。基本工藝準則中對加工零件的逐步精化要求制約著工序集中的數(shù)量，妥善處理這兩者矛盾是數(shù)控加工工藝的重要內容。

(6)在對典型工件族工藝流程的安排中，應妥善安排各臺機床和生產線的手工調整和檢測等工作，即人工干預的影響。企業(yè)要根據自身的技術裝備能力、技術水平和技術改造投入的力度，確定在工藝流程中人工干預的程度，這決定了對選擇數(shù)控機床的自動化水平和功能要求。應客觀考慮適當采用手工調整來補充企業(yè)要達到完全自動化的能力，對企業(yè)的工藝能力和設備水平確切定位。

三、數(shù)控機床主要特征規(guī)格的選擇

機床特征規(guī)格應包括機型、機床規(guī)格參數(shù)和機床主電機功率等。在確定工藝內容的前提下，機型選擇就較明確了。例如，回轉體零件加工主要可供選擇設備有車床、車削中心、數(shù)控磨床等；箱體的加工則應以立式或臥式加工中心為主。

數(shù)控機床已發(fā)展成品種繁多、可供廣泛選擇的商品，在機型選擇中應在滿足加工工藝要求的前提下越簡單越好。例如，車削中心和數(shù)控車床都可以加工軸類零件，但一臺滿足同樣加工規(guī)格的車削中心價格要比數(shù)控車床貴幾倍，如果沒有進一步工藝要求，選數(shù)控車床應是合理的。在加工型腔模具零件中，同規(guī)格的數(shù)控銑床和加工中心都能滿足基本加工要求，但兩種機床價格相差20%～50%，所以在模具加工中要采用常更換刀具的工藝可安排選用加工中心，而固定一把刀具長時間銑削的可選用數(shù)控銑床

數(shù)控機床的主要規(guī)格是幾個數(shù)控軸的行程范圍和主軸電機功率。機床的三個基本直線坐標（X、Y、Z）行程反映該機床允許的加工空間，在車床中兩個坐標（X、Z）反映允許回轉體的大小。一般情況下加工工件的輪廓尺寸應在機床的加工空間范圍之內，例如，典型工件是450 mm ×450 mm ×450 mm的箱體，那么應選取工作臺面尺寸為500mm×500 mm的加工中心。選用工作臺面比典型工件稍大一些是出于安裝夾具考慮的。機床工作臺面尺寸和三個直線坐標行程都有一定的比例關系，如上述工作臺（500 mm ×500 mm）的機床，x軸行程一般為（700～800）mm、y軸為（500～700）mm、z軸為（500～600）mm左右。因此，工作臺面的大小基本上確定了加工空間的大小。個別情況下也允許工件尺寸大于坐標行程，這時必須要求零件上的加工區(qū)域處在行程范圍之內，而且要考慮機床工作臺的允許承載能力，以及工件是否與機床交換刀刀具的空間干涉、與機床防護罩等附件發(fā)生干涉等系列問題。

數(shù)控機床的主電機功率在同類規(guī)格機床上也可以有各種不同的配置，一般情況下反映了該機床的切削剛性和主軸高速性能。例如，輕型機床比標準型機床主軸電機功率就可能小1～2級。目前一般加工中心主軸轉速在(4000～8000)r/min，高速型機床立式機床可達(20000～70000)r/min，臥式機床(10000～20000)r/min，其主軸電機功率也成倍加大。主軸電機功率反映了機床的切削效率，從另一個側面也反映了切削剛性和機床整體剛度。在現(xiàn)代中小型數(shù)控機床中，主軸箱的機械變速已較少采用，往往都采用功率較大的交流可調速電機直聯(lián)主軸，甚至采用電主軸結構。這樣的結構在低速中扭矩受到限制，即調速電機在低轉速時輸出功率下降，為了確保低速輸出扭矩，就得采用大功率電機，所以同規(guī)格機床數(shù)控機床主軸電機比普通機床大好幾倍。當使用單位的一些典型工件上有大量的低速加工時，也必須對選擇機床的低速輸出扭矩進行校核。輕型機床在價格上肯定便宜，要求用戶根據自己的典型工件毛坯余量大小、切削能力（單位時間金屬切除量）、要求達到的加工精度、實際能配置什么樣刀具等因素綜合選擇機床。

四、機床精度的選擇

典型零件的關鍵部位加工精度要求決定了選擇數(shù)控機床的精度等級。數(shù)控機床根據用途又分為簡易型、全功能型、超精密型等，其能達到的精度也是各不一樣的。簡易型目前還用于一部分車床和銑床，其小運動分辯率為0.01mm，運動精度和加工精度都在(0.03～0.05)mm以上。超精密型用于特殊加工，其精度可達0.001mm以下。這里主要討論應用全功能數(shù)控機床（以加工中心為主）

按精度可分為普通型和精密型，一般數(shù)控機床精度檢驗項目都有20～30項，但其有特征項目是：單軸定位精度、單軸重復定位精度和兩軸以上聯(lián)動加工出試件的圓度，如表1所示。

其他精度項目與表1內容都有一定的對應關系。定位精度和重復定位精度綜合反映了該軸各運動部件的綜合精度。尤其是重復定位精度，它反映了該軸在行程內任意定位點的定位穩(wěn)定性，這是衡量該軸能否穩(wěn)定可*工作的基本指標。目前數(shù)控系統(tǒng)中軟件都有豐富的誤差補償功能，能對進給傳動鏈上各環(huán)節(jié)系統(tǒng)誤差進行穩(wěn)定的補償。例如，傳動鏈各環(huán)節(jié)的間隙、彈性變形和接觸剛度等變化因素，它們往往隨著工作臺的負載大小、移動距離長短、移動定位速度的快慢等反映出不同的瞬時運動量。在一些開環(huán)和半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)中，測量元件以后的機械驅動元件，受各種偶然因素影響，也有相當大的隨機誤差影響，如滾珠絲杠熱伸長引起的工作臺實際定位位置漂移等。總之，如果能選擇，那么就選重復定位精度好的設備！

銑削圓柱面精度或銑削空間螺旋槽（螺紋）是綜合評價該機床有關數(shù)控軸（兩軸或三軸）伺服跟隨運動特性和數(shù)控系統(tǒng)插補功能的指標，評價方法是測量加工出圓柱面的圓度。分度盤在數(shù)控機床試切件中還有銑斜方形四邊加工法，也可判斷兩個可控軸在直線插補運動時的精度。在做這項試切時，把用于精加工的立銑刀裝到機床主軸上，銑削放置在工作臺上的圓形試件，對中小型機床圓形試件一般取在Ф200～Ф300，然后把切完的試件放到圓度儀上，測出其加工表面的圓度。銑出圓柱面上有明顯銑刀振紋反映該機床插補速度不穩(wěn)定；銑出的圓度有明顯橢圓誤差，反映插補運動的兩個可控軸系統(tǒng)增益不匹配；在圓形表面上每一可控軸運動換方向的點位上有停刀點痕跡（在連續(xù)切削運動中，在某一位置停止進給運動刀具就會在加工表面上形成一小段多切去金屬的痕跡）時，反映該軸正反向間隙沒有調整好。

單軸定位精度是指在該軸行程內任意一個點定位時的誤差范圍，它直接反映了機床的加工精度能力，所以是數(shù)控機床關鍵技術指標。目前全世界各國對這指標的規(guī)定、定義、測量方法和數(shù)據處理等有所不同，在各類數(shù)控機床樣本資料介紹中，常用的標準有美國標準（NAS）和美國機床制造商協(xié)會推薦標準、德國標準（VDI）、日本標準（JIS）、國際標準化組織（ISO）和我國標準(GB)。在這些標準中規(guī)定低的是日本標準，因為它的測量方法是使用單組穩(wěn)定數(shù)據為基礎，然后又取出用±值把誤差值壓縮一半，所以用它的測量方法測出的定位精度往往比用其他標準測出的相差一倍以上。

其他幾種標準盡管處理數(shù)據上有所區(qū)別，但都反映了要按誤差統(tǒng)計規(guī)律來分析測量定位精度，即對數(shù)控機床某一可控軸行程中某一個定位點誤差，應該反映出該點在以后機床長期使用中成千上萬次在此定位的誤差，而我們在測量時只能測量有限次數(shù)（一般5～7次）。為了真實反映這個定位點周圍一組隨機分散的點群定位誤差分布范圍，我們采用了誤差統(tǒng)計規(guī)律數(shù)據處理方法。例如，按老的ISO標準推薦±3σ散差處理辦法，我們來測量一臺加工中心機床上某一個坐標精度，如圖1所示。

定位精度曲線

若我們對其中的某一定位點在正、反方向趨近該定位點，定位七次（N=7），其每一次實測數(shù)據如下：+4μm、+2μm、+1μm、0、-1μm、-2μm、-4μm。按ISO標準規(guī)定，該定位點散差的平均值為△Xn=0，其散差3σ約為7.9μm。該點定位誤差分布如圖2所示。

從機床定位精度可估算出該機床加工時可能達到的精度，如在單軸上移動加工兩個孔的孔距精度約為單軸在該段定位誤差的1～2倍（具體誤差值與工藝因素密切相關）。機床的定位精度與該機床的幾何精度相匹配，精密級定位精度的機床要求該機床的幾何精度也不能低于同類的坐標鏜床

現(xiàn)在有一些用戶對批量生產的典型零件加工，提出設備工藝能力系數(shù)的考核，要求CPK值>1.1～1.33，這實質上是要求機床精度相對零件精度允差要有足夠精度儲備，這樣才能滿足批量生產加工精度穩(wěn)定性要求。

對定位精度要求較高的機床，必須關注它的進給伺服系統(tǒng)是采用半閉環(huán)方式，還是全閉環(huán)方式，必須關注使用檢測元件的精度及穩(wěn)定性。機床采用半閉環(huán)伺服驅動方式時的精度穩(wěn)定性要受到一些外界因素影響，例如，傳動鏈中因工作溫度變化引起滾珠絲杠長度變化，這必然使工作臺實際定位位置產生漂移影響，進而影響加工件的加工精度。圖3是目前常用的進給傳動鏈的一般結構。在半閉環(huán)控制方式下，位置檢測元件放在伺服電機另一端。滾珠絲杠軸向位置主要*一端固定，另一端可以自由伸長，當絲杠伸長時工作臺就一個附加移動量。在一些新型中小數(shù)控機床上，采用減小導軌負荷（用直線滾動導軌）、提高絲杠制造精度、絲杠兩端加預拉伸和絲杠中心通恒溫油冷卻等措施，在半閉環(huán)系統(tǒng)中也得到了較穩(wěn)定的定位精度。

五、數(shù)控系統(tǒng)的選擇

隨著市場需求多樣化，機床制造商往往提供同一種機床可配置多種數(shù)控的選擇或數(shù)控系統(tǒng)中多種選擇功能的選擇。

機床制造商提供的機床配置的數(shù)控系統(tǒng)分為主流系統(tǒng)及可適應的系統(tǒng)，主流系統(tǒng)相對來說技術成熟性好一些，但對使用用戶應另有要求，例如對系統(tǒng)的質量追求、希望在國內有較好的售后技術條件、在用戶單位使用的數(shù)控系統(tǒng)相對集中在幾家等要求，以便使用掌握和維修配件準備，所以用戶單位都愿意配置自己信得過或比較熟悉的數(shù)控系統(tǒng)。

在可供選擇的系統(tǒng)中性能高低差別很大，直接影響到設備價格構成，因此不能片面追求高水平、新系統(tǒng)，而應以滿足主機性能為主，對系統(tǒng)性能和價格等作一個綜合分析，選用合適的系統(tǒng)。目前世界上比較的數(shù)控系統(tǒng)有日本的FANUC、德國的SINUMERIK、法國的NUM、意大利的FIDIA、西班牙的FAGO和美國的A-B等。各大機床制造廠商也有自己的一些系統(tǒng)，如MAZAK、OKUMA等。國內也有航天集團、機電集團、華中理工大學、遼寧藍天、南京大方集團、北方凱奇等數(shù)控系統(tǒng)供應商，每家公司也都有一系列的各種規(guī)格的產品。分度盤

用戶選擇系統(tǒng)的基本原則是：性能價格比要高、購后的使用維護要方便、系統(tǒng)的市場壽命要長（不能選淘汰系統(tǒng)，否則使用幾年后將找不到維修備件）等。

數(shù)控系統(tǒng)中除基本功能以外還有很多可供選擇的功能。對配在機床上的系統(tǒng)，由于機床使用基本要求所需的數(shù)控系統(tǒng)選擇功能已由制造商選配，用戶可以根據自己的生產管理、測量要求、刀具管理、程序編制要求等，額外再選擇一些功能列入訂貨單中，如DNC接口聯(lián)網要求等。

六、自動換刀裝備（ATC）、自動交換工作臺（APC）和刀柄的選擇配置

1.ATC的選擇

在具備綜合加工能力的一些數(shù)控機床上，如加工中心、車削中心和帶交換沖頭的數(shù)控沖床等，自動交換裝置是這些設備的基本特征附件，它的工作質量直接關系到整機的質量，也是構成設備投資中的重要組成部分（經費占整機成本的10%～30%）。因此，在選擇主機設備時必須得重視所配ATC自動換刀裝置的工作質量和刀具儲存量。目前加工中心自動換刀裝置的配套較為規(guī)范，以下以加工中心的ATC裝置為例來說明其選擇原則。

現(xiàn)場經驗表明，在加工中心的使用故障中有50%左右與ATC裝置有關，但ATC又是提高設備加工效率的基本部件，因此建議用戶應在滿足使用要求的前提下，盡量選用結構簡單和可*性高的ATC，這樣也可以相應地降低整機價格。

下面介紹與ATC裝置相關的主要技術參數(shù)。

（1）刀柄型號 

潭興分度盤認為刀柄型號取決于機床主軸裝刀柄孔的規(guī)格?，F(xiàn)在絕大部分加工中心機床主軸孔都是采用ISO規(guī)定的7:24錐孔，常用的有40號、45號、50號等，個別的還有30號和35號。機床規(guī)格越小，刀柄規(guī)格也應選小的，但小規(guī)格刀柄對加工大尺寸孔和長孔很不利，所以對一臺機床如果有大規(guī)格的刀柄可選擇時，應該盡量選擇大的，但刀庫容量和換刀時間都要受到影響。近年來加工中心和數(shù)控銑床都向高速化方向發(fā)展，許多實驗數(shù)據表明：當主軸轉速超過10000r/min以上時，7:24錐孔由于離心力作用會有一定漲大，影響刀柄的定位精度。為此，一種觀點是建議采用德國VDI推薦的短錐刀柄HSK系列，另外，在日本已有部分商品的錐面和端面同時接觸的過定位錐面刀柄，但在定心精度和重復定位精度方面，HSK系列要好一些，目前在國內還很少有廠家生產。

對同一種錐面規(guī)格的刀柄有日本BT標準、美國CAT標準、德國VDI標準等，他們規(guī)定機械手爪夾持的尺寸不一樣，刀柄的拉緊釘尺寸也不一樣，所以選擇時必須考慮齊全，對已經擁有一定數(shù)量數(shù)控機床的用戶或即將采購一批數(shù)控機床的用戶，應盡可能選擇互相能通用的、單一標準的刀柄系列。

（2）換刀時間

換刀時間是指刀柄交換時間，即從主軸上換下用過的刀具、裝上新的刀具的總時間。細分又有兩種規(guī)定方式，即刀對刀時間（Tool to tool）和總換刀時間(Chip to chip)，總換刀時間包含了舊刀具加工完畢離開加工區(qū)域到刀具交換完畢主軸上裝上新刀具進入新的加工前之間的時間。目前快的純換刀時間可達0.7s左右，總換刀時間在3～12s之間，立式機床換刀時間一般比臥式的短。換刀時間短意味著機床生產效率高。

（3）大刀具重量

大刀具重量是指在自動刀具交換情況下允許的大刀具重量，錐度40號左右刀柄大允許重量在7～8kg，50號刀柄在15kg，一些重型刀具可達25～30kg，但這時換刀速度要減慢。大刀具直徑和長度主要受刀庫尺寸空間的限制。

（4）刀庫容量

一些加工中心機床上配置的刀庫容量往往有幾種規(guī)格供選擇，有十幾把到40、60、100把等，一些柔性加工單元（FMC）配置中央刀庫后刀具儲存量可達近千把，刀庫的容量只要能滿足基本需要，一般不宜選得太大，因為容量大，刀庫成本高，結構復雜，故障率也相應增加，刀具管理也較為復雜。在單臺機床使用中，當更換一種新的工件時，操作者要根據新的工藝資料對刀庫進行一次清理，刀庫中無關的刀具越多，整理工作量也就越大，也就越容易出現(xiàn)人為的差錯。所以用戶一般應根據典型工件的工藝分析，算出需用刀具數(shù)量，進而確定刀庫的容量。如果不是按柔性加工單元或柔性制造系統(tǒng)來考慮，一般機床的刀庫以滿足一種工件一次裝夾所需的全部刀柄數(shù)量作為選擇依據。根據國外對中小型加工中心加工典型工件的工藝分析，認為中小型機床刀具儲存量應在4～48把之間。

在納入柔性制造單元的機床中，考慮到適應多工件、多工序同時加工的要求，需要配置大容量的刀庫，此時應增加相應的刀具管理措施。

2.刀柄和刀具的選擇

潭興分度盤認為在主機和自動換刀裝置（ATC）確定后，要選擇所需的刀柄和刀具（刃具）。數(shù)控機床所用刀柄系列基本都已標準化，尤其是加工中心所用刀柄，如美國的CAT、日本的BT和我國的JT等。數(shù)控機床加工工件終要的是切削刃具，但刃具和機床的連接、在自動交換刀具時提供給機械手的夾持部位等都要*刀柄來解決，所以選擇刀具實質上是包括刃具和刀柄的配置。刃具選擇取決于加工工藝要求，刃具確定后還必須配置相應刀柄，例如，工藝要求鉆一個直徑6mm的小孔，則刃具選用直徑6mm直柄麻花鉆頭，然后還要選用一個能夾持鉆頭的刀柄?，F(xiàn)在有一部分刀柄本身也配置專用的刃具，如精鏜刀柄等?？傊?，這些附件絕大部分都已標準化，由專業(yè)化生產廠供貨，機床用戶要根據具體加工對象合理選用。由于刀柄可供選擇的范圍很廣，但選多了將加大投資，選少了將影響機床的開動率，所以應慎重對待。 

3.自動交換工作臺

自動交換工作臺是在主機上配置的附件，配置的數(shù)量有2、4、6、10個等，除雙交換工作臺以外，主要用柔性制造單元配置。雙交換工作臺的配置可以大大節(jié)省復雜零件裝卸定位夾緊的輔助時間，提高機床開動率，但增加該功能設備，投資至少要加10萬元以上。多數(shù)量交換工作臺用于柔性制造單元，適用于24小時少人或無人化管理，適應多品種工件交替投產加工，這里應注意增加質量檢查措施，否則投資增長20%～50%是不經濟的。

七、機床選擇功能及附件的選擇

在選購數(shù)控機床時，除滿足基本要求的功能及基本件外，還應充分考慮選擇件選擇功能及附件。選擇原則是：全面配置，充分發(fā)揮主機的大潛力，遠近期效益綜合考慮。對一些價格增加不多，但對使用帶來很多方便的，應盡可能配置齊全。附件配套要保證機床到現(xiàn)場后能立即投入使用，切忌花幾十萬元甚至幾百萬購買的一臺機床，到貨后因缺乏一個幾十元或幾百元的附件而長期不能使用的情況的發(fā)生。 

在提高加工質量和工作可*性上也發(fā)展了許多附件，如自動測量裝置、接觸式測頭及相應測量軟件、刀具長度和磨損檢測、機床熱變形補償軟件等附件，這些附件選用原則是要求工作可*、不片面追求新穎。對一些輔助功能附件，如冷卻、防護和排屑等裝置主要根據今后在現(xiàn)場使用要求和工藝要求而定，例如，考慮以后加工大裕量鑄鐵件的要求，則要選用高密封防護罩、大流量淋浴式冷卻方式、紙質冷卻液過濾器裝置等?？傊x擇與生產能力相適應的輔件。

總之，凡重視技術隊伍建設、重視職工素質提高的企業(yè)，數(shù)控機床就能得到合理使用。所以在選擇機床時，建議用戶花一部分資金選購針對自己短缺的技術服務，使設備盡快發(fā)揮作用。