工具機
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。又稱工具機。
為了加工工件，工具機在工件和刀具之間製造出一個相對運動。這個運動又可分為主運動和進給運動。這兩個運動重疊在一起，才使得加工成為可能。
工具機一般可用作成型，切削和連接。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。
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。 工具機的基本組件
圖中顯示車床的頭座。
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] 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]
目前最先進的技術是直線電機直接驅動工具機的直線軸運動，不需要旋轉電機經絲杠或者齒輪齒條等傳動機構間接驅動。
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。
[1]
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]
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]
圖中顯示一個金屬加工普通車床。 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。
傳統式機器的切削和進給運動
機器 車床 鏜床 龍門鉋床 牛頭鉋床 切削運動 工件旋轉 刀具旋轉
進給運動
操作種類
刀具及滑圓筒表面、鑽孔、鏜孔、鉸孔以及面軌 切削 工作檯
鑽孔、鏜孔、鉸孔以及面切削 鉋平面 鉋平面
平面、齒輪、突輪、鑽孔、鏜孔、鉸
孔以及面切削平面 工作檯往復運
刀具
動
刀具往復運動 工作檯
工作檯 刀具 水平銑床（臥式刀具旋轉
銑床） 水平鏜床 圓筒磨床 鑽床 鋸床 拉床
[1]刀具旋轉
刀具（磨輪）工作檯、工
圓筒表面研磨
旋轉 具 刀具旋轉 刀具 刀具
刀具
鑽孔、鏜孔、鉸孔、面切削以及切螺
紋
內表面與外表面
刀具、工件 鋸斷 刀具
電腦數值控制（CNC）工作母機
一台有銑床功能的日本自製CNC車床。
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。
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]
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（電液伺服馬達）與代數演算方式脈衝補間（插補）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裝置）。
1975年開始，Fanuc （中譯： 發那科，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。
中國大陸的CNC發展
中國大陸地區CNC 發展開始自1958年。1958年2月第一台數控工具機在瀋陽第一工具機廠試製成功。這是一台2軸的車床，由程序配電器控制，由哈爾濱工業大學研製（個人認為此不能屬於CNC，而屬於程序控制的半自動工具機 ）。同年9月第一台真正意義上的數控銑床由清華大學和銑床研究所合作研發完成並在北京第一工具機廠試製成功。
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]
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。
工具機數控系統可靠性
1.工具機數控系統可靠性定義
數控系統是工具機的大腦，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。
影響工具機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。
工具機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，完成規定功能的機率
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：
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。
提高工具機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
