機床
工具機(英文:Machine tool)是指一大類動力機械製造裝置。通常用於精密切削金屬以生產其他機器或加工的金屬零件。又稱機床。
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。隨著用途的不同，工具機又分為車床、銑床、磨床、鑽床等等。在電腦化程度又可分為傳統金屬切削機(完全手工控制)，數值控制NC(未加數控器，但有自動化控制)與電腦數值控制CNC(完全電腦控制)工具機。
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[编辑] 定義
在機械工程學之特別部門，有別於其他機械可說是製造機械的機械。
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。
[编辑] 工具機的基本組件
工具機的基本組件包括以下組件：
- 頭座：可提供驅動與進給刀具或是旋轉工件的動力。內含主軸、變速齒輪系統等。
- 機柱：提供垂直的支撐。某些機器的機柱也提供頭座上下移動的能力。
- 工作檯：支持固定加工中的工件。某些機器如鋸床，其工作檯也提供進給工件的能力。
- 鞍座、床檯（基座）、滑道等：支撐其他組件，有時提供進給自由度。
工具機又可以各組合單元分類。例如水平鏜床、鑽床等機器又可分為檯式、落地式、龍門式、多機頭式等。[1]
[编辑] 驅動裝置
工具機的動力可由電動機提供。電動機可分為直流馬達與交流馬達。傳統上直流馬達有功率輸出大，加減速反應靈敏順暢、溫度低等優點。但直流馬達具有電刷等易損壞零件。整流時產生之火花可能導致火災，最高速率因此受限。易損壞零件也提高故障率。
交流馬達不需電刷。加上近年來功率、加減速反應與溫度等問題改進，已取代直流馬達成為主流。 [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。
[编辑] 工件夾持法
待加工的工件可用許多方法夾持。
- 以兩領針支持工件：以機器頭座與尾座各一頂針夾住工件。適合用於夾持長形工件進行旋轉，能承受較大的切削力量。
- 心軸：以頭座伸出的心軸，穿過圓柱形工件軸心已有的洞。
- 面板：以夾具將工件固定在工具機的一面板上。適用於平板、不規則形的工件。
- 夾頭：以類似爪子的組件抓住工件。
[编辑] 工具機安全
除了操作員安全訓練之外，工具機上也有數種設計維護安全，例如在工具機外裝置防護閘門防止異物伸入；裝置光電偵測器以在異物伸入時發動緊急停止；將控制裝置設定為雙手按鈕等等。 [1]
[编辑] 傳統金屬切削機
工具機用於精密切削金屬以生產其他機器的金屬零件。其架構必需有足夠的剛性，適當的形狀，易於操作，易於除去金屬碎屑，夠安全，夠穩定，夠準確與夠精確。[1]
在工具機上待加工的金屬稱為「工件」，用來切削工件的工具稱為刀具。工具機提供動力造成工件與刀具的相對運動，並且精確控制此相對運動，去除工件上不要的部分。某些機器如車床是轉動工件，進給刀具。也有機器如鏜床，轉動刀具，進給工作檯以移動工件。
| 機器 | 切削運動 | 進給運動 | 操作種類 |
|---|---|---|---|
| 車床 | 工件旋轉 | 刀具及滑軌 | 圓筒表面、鑽孔、鏜孔、鉸孔以及面切削 |
| 鏜床 | 刀具旋轉 | 工作檯 | 鑽孔、鏜孔、鉸孔以及面切削 |
| 龍門鉋床 | 工作檯往復運動 | 刀具 | 鉋平面 |
| 牛頭鉋床 | 刀具往復運動 | 工作檯 | 鉋平面 |
| 水平銑床（臥式銑床） | 刀具旋轉 | 工作檯 | 平面、齒輪、突輪、鑽孔、鏜孔、鉸孔以及面切削 |
| 水平鏜床 | 刀具旋轉 | 刀具 | 平面 |
| 圓筒磨床 | 刀具（磨輪）旋轉 | 工作檯、工具 | 圓筒表面研磨 |
| 鑽床 | 刀具旋轉 | 刀具 | 鑽孔、鏜孔、鉸孔、面切削以及切螺紋 |
| 鋸床 | 刀具 | 刀具、工件 | 鋸斷 |
| 拉床 | 刀具 | 刀具 | 內表面與外表面 |
[编辑] 電腦數值控制（CNC）工作母機
工作母機不但可由人工直接操作，也可加入自動控制。
數值控制(Numerical control,NC)工具機以及更先進的電腦數值控制（computer numerical control,CNC）工具機已成為工業中及重要的部分。
[编辑] NC與CNC之歷史
數值控制工作母機的概念起源於1940年代美國。生產直升機螺旋槳時，需要大量的精密加工。當時美國空軍委託機械工程師，滿足此一需求。1947年，John T. Parsons開始使用電腦計算工具機的切削路徑。1949年麻省理工學院接受美國空軍委託，開始根據Parsons公司的概念研究數值控制。
1950年代，第一台數值控制工作母機問世；機械廠為了美國空軍的需求在數位控制系統投入大量努力，特別集中在輪廓切削銑床方面。Parsons公司與麻省理工學院合作，結合數值控制系統與辛辛那提公司的銑床，研發出第一台NC工作母機。1958年，Kearney & Trecker公司成功開發出具自動刀具交換裝置的加工中心機。麻省理工學院也開發出APT（Automatic Programming tools）。1959年，日本富士通公司為數值控制做出兩大突破：發明油壓脈衝馬達與代數演算方式脈衝補間迴路。這加快了數值控制的進步。
從1960年到2000年之間，數值控制系統擴展應用到其他金屬加工機，數值控制工作母機也被應用到其他行業。微處理器被應用到數值控制上，大幅提昇功能，此類系統即稱為電腦數值控制（CNC）。這段期間也出現了快速、多軸的新式工具機。日本成功打破傳統工具機主軸形式，以類似蜘蛛腳的裝置移動工具機主軸，並且以高速控制器控制，是為快速、多軸的工具機。[2][3]
[编辑] 日本的CNC發展
日本在世界CNC工具機發展中完成許多成果。
1958年，牧野與富士通兩大公司合作出日本第一部銑床。
1959年，富士通公司做出兩大突破：發明油壓脈衝馬達（电液伺服马达）與代數演算方式脈衝補間（插补）迴路。這加快了數值控制的進步。
1961年，日立工業完成其第一台加工中心機，並於1964年附加自動刀具交換裝置（ATC装置）。
1975年開始，富士通（Fanuc 中译： 发那科，由富士通公司NC部門獨立）公司量產銷售的CNC工具機佔下了相當國際市場。近年來日本則成功研發出快速、多軸的工具機。
[编辑] 台灣的CNC發展
台灣的CNC發展始自1974年楊鐵機械開始研究數控車床。
1978至1979，楊鐵機械、大興機械、永進機械、聯邦電子等公司都開始銷售數控工具機。至此都是以孔帶指令操作為主。
1980年代初楊鐵機械再推出電腦化數值控制車床、綜合切削中心機等。碩誠公司、新訊公司、工研院等機構則成功研製出台灣自製各種數值控制器。
至2001年為止，台灣已能跟進「PC Based」控制器。但無法自製工具機系統中的另外兩大部分：主軸馬達與伺服馬達，多向日本大廠購買。此二部份各佔工具機價格三分之一。因此台灣CNC工具機發展仍受日本限制。[3]
[编辑] CNC之優缺點
與傳統工具機、大量生產專用機相比，CNC工具機較適合少量或中量高品質精密零件生產，也較能適應多樣不同產品的生產。
功能的優點：
- 高精確度。高品質。
- 資料易儲存修改。如果程式設計良好，可以通用於不同時間地點的工具機，生產相同的產品。不需重新設計。
- 可自動換刀、送料等，自動程度更高。
- 「適應控制」維持工具機於最佳生產條件。
- 較長的刀具壽命。
生產製造之優點：
- 增加工作時間提高機器使用率（下班無人看管仍可工作）
- 高效率、高品質、高良率。在成品外形複雜精細時尤其明顯。
- 減少夾具、治具。因此減少前置成本與準備時間。
- 加工多樣化。在少量多樣的生產模式下可減少單位成本。
人事管理上的優點：
- 減少勞力人事成本。一操作員可同時操作數台機器。
- 加工時間、單位成本易控制掌握，因此可有效掌握生產計劃，並且能減少呆料。
- 操作簡便。一旦程式設計完成，操作就減少對高技術操作人員依賴。
- 免除操作者誤差，提高良率。
缺點：
- CNC工具機初期購置成本高。
- 程式人員須有加工、操作等知識。
- 設備精密複雜，維護與保養成本高。
- 依賴程式設計師、機械維修專業人員。此類人員訓練較一般技術員困難。
[编辑] 機床數控系統可靠性
- 機床數控系統可靠性定義
數控系統是機床的大腦，數控系統市場產品競爭已由單一的性能價格比轉變到性能、可靠性、價格，服務等產品品質要素的競爭，而首要是可靠性的競爭，是用戶關注的焦點。
數控系統可靠性是指在規定的條件下和規定的時間內，數控系統產品完成規定功能的能力。或指“在規定的條件下和規定時間內數控系統產品所允許的故障數”，這是狹義的可靠性定義。如果考慮產品在整個壽命週期內完成規定功能的能力，即包含了產品的可維修性，則稱為廣義可靠性（＝狹義可靠性＋維修性），在一般場合，人們所說的可靠性是指廣義可靠性。
- 影響機床數控系統可靠性工作的因素
1）設計因素：在進行系統設計和選擇零部件材料過程中，分析、試驗不夠，缺乏預測，頂防措施也不夠完整、系統初期故障較多。
2）製造因素：數控系統生產過程檢測手段薄弱，缺乏嚴格控制措施 上述二項是影響系統可靠性固有的、關鍵的因素 3）環境因素
影響產品性能的環境因素為：
- 電和電磁環境：包括電場、磁場、傳輸導線的幹擾等；
- 機械環境：包括衝擊在內的非穩態振動、穩態振動、自由跌落、碰撞、搖擺和傾斜等；
- 氣候環境：主要包括高低溫度、濕度、降水、輻射等；
- 化學環境：包括油和腐蝕等化學作用物質、機械作用微粒等。
4）動力因素 影響產品性能的動力因素為：
- 電源：電源電壓、頻率的變化、電流的波動等；
- 流體源（包括氣源和液體源）：壓力、流量變化等。
- 機床數控系統可靠性評價指標
可靠性評價指標是對可靠性量化的尺度，是進行可靠性分析的依據。
數控系統常用的可靠性指標有： 可靠度（R(t) ）、失效率（故障率λ（t ) ）、平均故障間隔時間（MTBF ）、平均維修時間(MTTR ），它們一般都是時間的函數。
1）可靠度：數控系統在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的概率
2）失效率：產品工作到某一時刻t，單位時間內失效數與尚存的有效產品數的比稱為失效率，失效率的單位是1/h，也可以表示為“菲特”或Fit(是Failure Unit的縮寫)
3）平均故障間隔時間：記為MTBF（Mean Time Between Failures），單位為“小時”。 表示相鄰兩次故障之間的平均工作時間。它反映了產品的時間品質，是體現產品在規定時間內保持功能的一種能力。 數控系統屬可修復產品，所以用MTBF來評定，其方法是：從產品中隨機抽取 個樣品，通過試驗室或現場試驗，記錄各樣品發生故障的次數及相關發生的時間，然後按下式進行計算：
MTBS = (\sum_{i=1}^{n} t[i]) / (\sum_{i=1}^n r[i])
式中： n —樣品數, t[i] —使用期內第 台數控系統實際工作時間, r[i —使用期內第 台數控系統出現的故障次數
4）平均修復時間：記為MTTR，是描述產品由故障狀態轉為工作狀態時修理時間的分佈，它衡量產品的維修性。
運算式：
MTTR = (\sum_{i=1}^n t[ri]) / (\sum_{i=1}^n r[i])
式中： t[ri] —使用期內第 台受試產品出現故障後修復時間
r[i] —使用期內第 台受試產品出現故障的次數
- 提高機床數控系統可靠性的措施：
必須在系統生命週期的各個階段都採取措施：
1）數控系統的設計階段：通過設計奠定系統的可靠性基礎，在設計階段必須研究如何預測和頂防各種可能發生的故障和隱患，以及確保系統產品可維修性的措施。
2）數控系統樣機試製：研究在有限的樣品、時間和使用費用下，通過試驗測定和驗證，找出產品薄弱環節，提出改進措施。
3）數控系統生產；研究生產過程中系統缺陷的處理和早期故 障的排除，通過各種控制措施，保證可靠性設計目標的實現。
4）數控系統使用：研究系統在運行過程中的可靠性監控、診斷、預測，以及採用的售後服務和維修策略，防止系統可靠性劣化。
5）數控系統的可靠性管理。研究可靠性目標的實施計畫和資料回饋系統，組織實施以較少的費用、時間實現系統的可靠性目標，
