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机床技术发展的新趋势

2013-05-23  泰岱老生
机床技术发展的新趋势
作者: 来源: 时间:2010-9-24
    

高速加工进一步向纵深发展

高速数控加工起源于90年代初,它以电主轴实现主轴高速和以直线电机实现高直线移动速度为主要特征,主要应用于大批量生产的轿车工业等领域。目的是力图用高主轴转速和高速直线进给运动的单主轴加工中心来替代多主轴但难以实现高主轴转速和高速进给的组合机床,从而在大批量生产中,既得到高度的柔性利于产品快速地更新换代,而又不降低生产效率。在实际生产中,一些驰名的汽车厂如我国的上海通用汽车公司,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。当前最新趋势是:继续扩大其应用范围。有的公司为了降低成本,不用直线电机,而采用中空通冷却液、加大直径和加大导程的滚珠丝杠;日本东芝机械则采用中空通冷却液的双滚珠丝杠来增强传动刚度。但不管采用何种形式的滚珠丝杠,其最大移动速度一般不大于50m/min,加速度最高为0.5g~1g,但是,HüLLER HILLE公司的nbh110高速加工中心,由于采用了“框中框”结构,使得移动部件质量较小。因此尽管用了滚珠丝杠,其X、Y、Z轴直线速度仍可高达75m/min,加速度达1g。

高速加工应用的另一个领域是用立方氮化硼刀具进行淬硬钢的高速铣削或车削,这对模具工业非常有利。为了追求最终的高精度,一般希望在模具淬硬以后进行精加工。在以前,对付淬硬模具唯一可用的加工手段是电加工。电加工的放电烧蚀是微切屑加工,效率极低。而高速铣削淬硬钢的效率却可以高出几十倍,从而成为电加工的理想替代工艺。虽然,对那些大型模具上的深而窄的槽、小曲率半径圆弧曲面和清角等高速铣削无能为力,但可以用高速铣削进行粗、半精加工,而用电加工作最后加工,这样可大大缩短模具加工周期。对那些为数众多的异形且窄而深的槽类模具,仍只能采用电加工方法。为此,电加工永远不会被完全取代。

高速铣削淬硬钢对电加工的挑战,促使电加工机床也走向“高速”化。日本Sodick公司于1999年(1996年着手研制)在世界上率先推出了直线电机取代滚珠丝杠的电火花成形机床。在IMTS2000上Sodick的电火花线切割机床和打孔机床也全部用上了直线电机。以直线运动速度为36m/min左右、分辨率为1μm的直线电机传动取代直线速度只有1.3m/min左右,分辨率为1μm的滚珠丝杠,其传动的优越性不能直接体现在高速度上。这是由电火花机床为不断维持放电间隙的前移而又不致于短路的伺服性质所决定的。它表现为瞬时进、瞬时停、甚至瞬时后退。由于直线电机大幅度提高了传动刚进,且有高达3000N的直线推力,因此有可能产生瞬时高加(减)速度,形成高频率瞬时的断续冲击,冲走由电蚀产生的铁屑。这样既可免除一切“冲刷”(Flushing)装置,又可一直保持最小且一致的火花间隙而达到快速的进给。从而不仅可大幅度提高效率(一般可提高40%)、精度,改善表面粗糙度,还可以解决以往由于无法解决“冲刷”问题(如很难在微小且密集的电极上钻“冲刷”用小孔等)而不能进行电加工的问题。??

航空和宇航工业是高速加工的传统应用领域。其原因一是其主导材料为铝和铝合金;二是其零件常具有厚度极薄的壁和筋,刚度很差。只有高速切削时切削力很小才能对这些筋、壁进行加工。最新趋势是:近来这些行业流行采用大型整体铝合金坯料制造大型部件,如机翼、机身等,来替代多个零件,以避免众多的铆钉、螺钉和其它联结方式。这样不仅可省去昂贵的装配工时和工装,还可使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。因而,在这届IMTS2000上,美国CINCINNATI和意大利Jobs公司均展出了专门用于飞机工业的大型高速铣床(其型号分别为HyperMach和JoMach159)。这类机床有以下特点:

(1)进一步提高主轴转速和功率:由于飞机工业采用整体坯料“掏空”的方法加工零件,切削量极大。因而,主轴转速和功率可增加的空间也很大。据CINCINNATI公司称,以往在飞机工业中,主轴转速达15000r/min和22kW就是高速了。随着技术进步,先进机床已提高到40000r/min和40kW。而他们的HyperMach已提高到60000r/min和80kW,也即达到了新的高度。

(2)超长的X行程和龙门移动:由于“机翼”类为细长型零件,JoMach机床的X轴行程长达30m,而Y轴只有2m。据称它将被用于加工欧洲下一代战斗机“台风”的机翼。HyperMach机床的X行程最长为46m,Y轴也只有2m。英国Marwin公司Alumax系列机床的双面总长度达100m。如此长的X行程,只能是龙门(往往是多个龙门)移动而不可能是工作台移动。

(3)采用直线电机作高速直线传动:和以往航空工业大型机床用斜齿轮齿条或蜗杆条传动不同,这类高速铣床也用上了直线电机。这是为了适应主轴超高速、特大功率和超长X行程的需要。HyperMach机床采用直线电机以后,进给速度最大达60m/min,快速为100m/min,加速度达2g。据CICINNATI公司称,他们在HyperMach上曾试切一件薄壁飞机零件,只花了30分钟。同样的零件在一般高速铣床上加工费时3小时,而在普通数控床需8小时。这充分显示了超高速机床的威力。

Jobs公司2000年推出的另一台用于航空和模具工业的高速大型铣床LinX,为桥式布局,也应用了直线电机,最高进给速度达60m/min,加速度0.6g,主轴转速24000r/min,功率为44kW。据称,由于高速主轴和高速进给,加工时间可减少50%,机床结构还得到简化,减少了25%的零件,从而易于维护。

以上说明直线电机应用已从最初的汽车工业,扩展到电加工机床,航空工业和大型模具的加工。

不仅如此,这次IMTS2000展品中,板材冲压机和激光板材切割机床也应用了直线电机,如Alabama公司的激光切割机,采用直线电机后,速度为150m/min,加速度为1.3g。另外,直线电机还被应用于三坐标测量机,如Helmel公司的Mierostar HS产品,直线移动速度达30m/min,这样,测头每分钟可作120次以上的接触测量。
    高速化另一个关键功能部件——电主轴最近有以下新进展:??
    (1)瑞士Fischer公司推出在电主轴部件上装有在线自动动平衡装置的产品。应用在加工中心上,每换一次刀进行一次包括刀具质量在内的自动动平衡。据称可在一秒钟内消除80~90%由动不平衡所引起的振动。??
    (2)瑞士IBAG公司推出了静压轴承的电主轴,据称使用寿命大于2万小时。??
    (3)美国Ingersoll公司推出了动静压轴承的电主轴,作为一个独立部件出售。??
    (4)瑞士IBAG公司推出了磁浮轴承的电主轴。

(5)瑞士IBAG公司在其电主轴部件上配备轴向尺寸监测传感器,可与机床数控系统联结进行轴向尺寸的补偿。??
    (6)永磁同步电机的电主轴也已出现。此前电主轴的电机均为异步感应电机。其定子发热可以冷却,而转子发热无法冷却。但永磁同步电机的转子为永久磁铁不发热。此外,同功率的同步电机外形尺寸比异步电机小,有利于实现小尺寸、大功率,也即可提高功率密度(Power Density)。但目前仅有少数机床公司(如Mazak)在研制。专业的电主轴公司尚未见有产品供应。??
    欧洲至少有三家著名的电主轴公司(瑞士Fischer、IBAG,德国GMN)正在抢滩美国市场,纷纷在美国建立分公司进行销售、维修和翻新等业务。原因是电主轴的核心技术是精密加工和精密装配,对工人的技艺水平要求很高,这些正是瑞士、德国的强项;在高速运转情况下,滚动轴承的寿命均是较低的。主要失效形式为由于材料疲劳而丧失精度(电主轴精度一般为径向2μm,轴向1μm)。因此不具备本地维修、翻新的能力是不可能打开市场的。一些电主轴公司建议用户购置一个备品,因为一般的维修、翻新时间为两周。这样,可把停机时间减至最小。??
    此外,美国Kennametal公司推出了带自动动平衡的刀柄来适应高速化。
    五轴联动加工得到时兴;五轴联动和五面加工合二为一
    在IMTS2000展览会上,给人们一个突出的印象是五轴联动机床比以往多,据不完全统计,约有50余台。这个现象的出现,不是偶然的,有以下深刻的背景。??
    (1)从本质上说,对三维曲面的加工,三轴联动一般不是最佳的选择,因为在三轴联动时,一般难以用刀具的最佳几何形状进行切削,不仅效率低而且表面粗糙度极差,往往需要后续繁重的手工抛光。手工抛光可以改善表面粗糙度却往往丧失了曲面的几何精确度。为此,有的公司采用后续电火花加工,这不仅耗费较长的时间而且还要制造形状复杂的电极。??
    采用五轴联动,可以使用刀具最佳几何形状来进行切削,包括可使用球头铣刀的圆弧部分(非顶端部分)进行切削。这样,不仅表面粗糙度好而且效率也大幅度提高。美国CINCINNATI公司曾经宣称,一台五轴联动机床的效率等于两台三轴联动机床。特别是在当前流行的立方氮化硼铣刀高速铣削淬硬钢工艺中,五轴联动比三轴联动能发挥更大的威力。所以,一般说来,五轴联动才是三维曲面加工的最佳选择。??
    (2)由于以下一些原因阻碍了五轴联动的广泛应用:
    ①过去五轴联动数控系统的价格极高,比三轴联动系统高出几倍。现在,这两种联动系统的价格相差很小。??
    ②过去,五轴联动的编程软件(包括编程后的检验软件)由于技术难度较大,价格极高,一般为三轴联动编程软件的几倍。现在价格虽仍较高,但已大幅度下降。??
    ③五轴联动除X、Y、Z以外的两个回转轴的运动有两种实现方法,一是在工作台上用复合A、C(B)轴回转工作台(以下简称复合转台);二是采用复合A(B)、C轴的主轴头(以下简称复合主轴头)。??
    当前,由于电主轴的出现,使得复合主轴的结构大为简化,不再需要任何弧齿锥齿轮副、齿形皮带或轮传动链等,因而制造难度大幅降低。这次IMTS2000展出的五轴联动机床大多为复合主轴头类型。超低速、大扭矩而又平稳地回转,历来是电机传动技术的大难题。因此,多种结构的机械减速器是必要的。但随着功率电子和微电子,特别是DSPO(数字信号处理器)芯片以及永磁材料等技术的飞跃发展,这个大难题已有所突破。最近,瑞士ETEL公司和美国KOLLMORGEN公司均推出了“无刷环形扭矩电机”(Brushless Ring Torque Motor)。ETEL公司曾为一台大型天文望远镜提供一台直径达2.5m,而厚度仅为40mm,扭矩达10000Nm的环形扭矩伺服电机。在回转速度小于1转/56天的条件下,仍能极为平稳均匀地回转,令人感到不可思议。该公司还在宇航工业用的多轴联动铣床上应用了直径分别为0.5m和1m的环形扭矩伺服电机来替代蜗轮蜗杆副,加工精度和表面粗糙度均大有改善。当前,这两家公司均可提供一系列尺寸和规格的环形扭矩伺服电机。以ETEL公司为例,可提供的电机外径尺寸范围由120mm至1260mm,扭矩从1Nm至18000Nm,定位精度可达0.5″,重复精度可达0.01″,最低转速可达0.001r/min。可以预见,在不久的将来,在复合转台和复合主轴头的A、C(B)轴伺服传动中的蜗轮蜗杆副将被这些环形伺服扭矩电机所取代。蜗轮蜗杆副、弧齿锥齿轮副将继正齿轮副之后从数控机床领域中逐渐退出。这将是又一个具有突破意义的变化。??
    为了适应五轴联动加工日益普及的要求,美国TRI-TECH公司现出售复合主轴头(型号为5411)的功能部件。从而可将现有的任何三轴联动机床变为五轴联动机床(利用7∶24的锥柄和该公司提供的连接器,可将复合主轴头与现有机床的主轴联结),其C轴范围为360°;A(B)轴为±90°,角度精度为0.01°和重复精度为0.005°。自然,现有机床必须具备五轴联动功能的数控系统以及五轴联动编程软件。另外,该公司还可提供五轴后置处理软件。

    在IMTS2000的CINCINNATI展台上,展出了由德国DST公司设计制造的Z3型复合主轴头。该头采用了并联加串联的三杆机构。由于受并联机构的限制,Z3主轴头最大倾角只有±40°,故只能用于五轴联动,而不能用于五面加工。??
    以往在对大件进行五面加工时,采用双柱(龙门)式机床和可更换的垂直和水平主轴头(附件头)来实现。为此,这类机床除有刀库外,还需有一个主轴头库。横梁一般要向左侧外延一段,作为主轴滑枕交换主轴头用。日本新日本工机在上一届IMTS展出的五面加工机床就是这样的结构。而这一届展出的不再使用交换主轴头的方式,而采用前述的复合主轴头。当A(B)轴锁在0°位置时,就可进行工件水平平面的加工;C轴锁在4个90°位置和A(B)轴锁在90°位置时,就可实现四个相互垂直平面的加工。也即用一个这样的复合主轴头,就可实现5面加工。由于C轴可锁在任意的角度,实际上可实现不只4个而是多于或少于4个垂直平面的加工。此外,前面已提到复合主轴头还可实现轴联动加工,这使得五面和五轴加工可在同一台机床上实现,因此是另一种形式的复合加工。这对大型模具的加工很有利。这类机床还可实现倾斜面和倒锥孔(即大头在下)的加工。无独有偶,这届IMTS上,除新日本工机外,还有多家公司展出类似的机床,名称都叫“五轴和多面加工”(5-axis and multi machining)机床,即不再叫“五面加工”机床了。

数控加工走向提高机床生产率的网络化

将数控系统上网不是新鲜事。但是,以往理解上网是为了向数控系统传输加工程序,特别是大容量程序,实现远程诊断和远程维修服务等。而在IMTS2000上,日本大隈(Okuma)机床公司展出的“IT plaza”(信息技术广场,以下称“IT广场”),日本Mazak(山崎)公司展出的“Cyber Production Center”(智能生产控制中心,以下简称“CPC”),日本日立精机公司展出的SEIKI Flex Link(精机柔性联接),美国Hardinge机床公司与GE Fanuc两家展台相配合展出的“Open Factory CNC”(开放工厂CNC)以及Simens公司倡导的“Open Manufacturing Environmert”(开放制造环境)等都强调联网是为了进一步提高机床生产率。大隈说,仅有好的机床和好的数控系统,还不足以适应当前激烈的市场竞争,只有“进入”他们的“IT广场”才能在竞争中取胜。Mazak说,在多品种小批量的条件下,一台数控机床实际上只有25%的时间在切削,在创造价值,而余下的75%时间不创造价值。他们认为只有将机床联网,且与他们的CPC联接,才有可能将切削时间由25%提升至65%。Simens公司说,要使机床得到最大的利用率,需要在其数控系统的HMI(人机接口)中装上以太网通讯卡与工厂智能网络连接。??

Mazak认为,由于以下五方面的因素,使得机床利用率只有25%。??
①编程、程序编辑和试切。??
②测量、输入和管理刀具数据。??
③由于生产计划改变,机床的重新调整。??
④对机床生产的数量和运转情况向上级报告和监控。??
⑤对工件安装方法作出决策和寻找夹具。??
针对以上5个因素,其CPC中将以下4个软件模块无缝地集成在一起。??
①计划调度模块(Scheduler)??
通过仿真提出最佳的多品种零件加工计划。急件插入时,进行更改计划的再次仿真,找出最佳方案进行调度。既可作出快速反应又不造成生产混乱,从而使资源得到优化使用。此外,该模块还可对车间数据进行采集和分析。??
②工夹具管理模块(Tool Managerment)??
使得刀具、夹具得到最优的应用和成本最低。对每一种工件列出刀具、夹具清单。??
③机床监控模块(Machine Monitor)??
在线监控每台机床运转情况,易于在办公室或通过因特网实现远程监控。??
④编程及程序优化模块(Camware)

人机交互式编程和程序的优化。??

Mazak将其CPC称为“数字制造解决方案”(The Digital Manufacturing Solution),作为独立的产品在IMTS2000上展出。其样本中列出了3家用户对其功能作出的满意评价,并且称其在中国工厂(即银川“小巨人”公司)的30台机床均由其CPC直接控制。大隈将其“IT广场”别称为“大隈网络工厂”(Okuma Net Factory)。意思是将信息技术(IT)与加工技术融合在一起。认为仅靠先进加工技术,还不能在激烈竞争中“存活”,必须应用IT来“增速”和扩大“商机”。

“IT广场”概念用图形表达是一个立体球,球心是数控(CNC)系统。在球体上的三个圆周平面(一个水平平面和两个互成90°的垂直平面)的圆周上,分布六个小球,分别代表人、机床、三个软件模块和一个因特网门户网站,这六个小球指向球心(CNC系统)并起交互作用。

三个软件模块的功能为:??
①“MacMan”——网络生产管理系统??
大隈认为,当今是这样一个时代,一家公司能否接到下一订单,取决于其生产管理系统能否适应交货期短和任务多变的要求。为此,其MacMan系统通过企业内部网(intranet)随时监视生产现场情况和采集现场数据进行最优的计划和调度。当生产任务突然改变时,几乎不会造成任何损失。该系统还有远程诊断和维修功能;其ERP(企业资源规划)功能可以使销售信息、财务会计和生产得到统一的控制,通过从根本上缩短生产周期和维持理想的库存水平而达到大幅度降低成本的目的。??
②“KCMAC”——操作工人技艺数据库??
大隈认为,通过丰富经验和直觉形成的技艺是一个重要的资源。将这些技艺数字化,不断积累并和全公司共享可实现高效、高质量加工。“KCMAC”。可使这些技艺得到充分的运用,变成宝贵的知识财富,因此可创造新工艺、新知识和新诀窍。??
③ADMAC——大隈新的CAD/CAM系统??
ADMAC将CAD数据迅速转变为加工程序、工具清单、工艺卡和加工工艺图纸,实现并行工程来缩短生产周期,与KCMAC协同运行得到优化的加工程序。??
④OSPmerit.com——IT广场通向因特网的门户网站。通过它与外界联接,既可与客户联系,为每一个客户设立一个窗口,快速反应其要求,又可与加工设备、刀具、夹具供应商联系,得到最新的信息。??
⑤OSO-P—-为大隈自制的CNC系统OSP-P100的缩写。大隈自行开发和生产自用的CNC系统已有40余年历史。OSP-P100为基于PC的系统。使用WindowsNT4.0和IMtime(一种实时操作系统的商业名称,为美国Radisys公司产品),内置以太网通信卡通向内部,将人、机和网络有机地融合在一起而成为IT广场的核心。大隈还在OSP-P100样本的最后标明:根据日本政府有关法律,该系统为战略物资。??
     球的水平平面圆周将人、MacMan、KCMAC和Ospmerit.com四个小球连在一起。目的在于为确立优化的生产过程而采集数据。??
     球的一个垂直平面圆周将机床、MacMan、ADMAC、Ospmerit四个小球连在一起,目的是使生产效率最大化。??
     球的另一个垂直平面圆周将人、机床、KCMAC和ADMAC四个小球连在一起,目的是在全公司内充分共享含有工人技艺和诀窍的数据库。??
     六个小球均有两个圆周交叉经过且都于球心处交互起作用,构成IT广场。??
     日立精机的SEIKI FLexLink的实质内容,大体与IT广场类似,这里不再赘述。??
     美国Hardinge机床公司展出的三台数控车床全部配备了GE Fanuc公司的Open Factory CNC系统,用以太网与一台服务器连结,并且与GE Fanuc的展台相连结。除在Hardinge展台上显示如何通过联网获得好处外,还在GE Fanuc展台上显示对这三台机床实现远程数据访问等功能。据称,嵌入了工业PC的Opoen Factory CNC系统将PCD硬件的柔性和一系列基于Wimdows的应用软件和对机床的控制结合在一起,使CNC系统成为高性能的信息中心(H9ingh-Performance lmformation Center),从而使生产率提高得到最大化,以满足交货期最短和成本最低的需求。GE Fanuc公司Open Facrory CNC的概念,不仅包含了装在机床上的CNC功能,还包括通过以太网连接服务器后新增加的一些功能,如可获得有关机床、CNC、生产计划调度以及加工工件全部有关的文件和资料,使用“车间编程”(“Shop Floor Programming”,为美国一家CAM专业公司—-Gibbs公司的软件产品)软件进行编程、可视化DNC、可视化MEM(Machine Event Monitoring)机床事件监视及局部硬盘、PCMCIA标准闪速存储卡等硬件。整个网络通向主管生产的经理、总经理和维修经理,使这些人员随时掌握现在情况。对现有旧机床也可以联网。不管这些机床装备的是GE Fanuc以前出厂的系统,还是其他公司的数控系统,GE Fanuc公司均可将其联网。据称其方法是用“两个螺钉”拧上一台工业PC。如果是该公司以前的产品,还需再加上一块HSSB(High Speed Serial Bus,高速串行总线)板。此外,GE公司还和世界闻名的网络设备制造商CISCO公司联合组成GE CISCO工业网络公司,承担工业部门任何一个级别的建网工作,小到一个车间,大到一个工厂以及公司全球业务的联网工作。我们还发现有专门从事将CNC联网的公司,如e-Manufcturing Networks lnc.等。??
     从以上介绍的三家公司的产品,我们可以看到:??
     (1)以往机床公司只卖机床,数控系统公司只卖系统,现在一些机床和系统公司将其产品连同网络(包括配套的软件)一起卖了。原因就是Mazak讲的,在多品种、单件小批生产(机械工业中,这种生产模式占到总产值的约70%)条件下,机床切削时间只有25%,也即75%的时间未得到利用。若只注意单台机床、单个系统的效率,只是在25%上作文章。只有联网才有可能将25%提升到65%(Maxak观点)。可见联网不是目的,而是提升生产效率的手段。??
     这也是一种“成套”的概念,不过是加工信息化高层次的成套,而不同于以往的成套供应。
    (2)只联网而没有相应配套的软件模块不能有所作为,软件功能低下也不可能将切削时间提升到65%,可见软件——浓缩的知识的重要性。前述有关的软件模块(特别是大隈公司的KCMAC模块包含有数字化的工人技艺,可不断累积进而创造新的技艺、新的诀窍等。)以及它与生产管理模块的结合等意味着以往的数据处理在向知识处理过渡,将网上大量信息的内容和意义作深入的处理,转变成可直接运用的知识,这属于计算机高层次的应用。从而说明整个制造业的信息化正在由低层次的数据处理向高层次的知识处理过渡。??
     (3)Mazak、大隈既生产机床又自制数控系统(Mazak采取硬件由专业厂——三菱电机公司提供,自己集中精力开发有特色的软件的做法),而且主要精力放在机床的制造上。因此,联网配套的主要软件模块几乎全是为了自己应用而开发且在使用中不断完善的。对其成熟度他们自己充满信心。而GE Fanuc配套的软件模块含有市场上较为成熟的第三方软件,如前面提到的Gibbs公司的CAM软件。但也含有他们自己开发的软件,如采集车间数据的CIMPLICITY软件。无论Mazak、大隈还是GE Fanuc的系统均含有PC(分别称之为:融合PC、基于PC和嵌入PC),为采用第三方软件、标准硬件、接口等提供了极好的条件。??

(4)大隈把CNC系统作为“IT广场”的核心,GE Fanuc将其CNC称为高性能信息中心。可见联网后CNC系统在其中起的重要作用。??
    (5)机械加工高层次信息化成套的实质是从最基层装备自下而上地构筑CIMS系统,以提高生产率为目的。它与自上而下地构筑CIMS系统孰优孰劣,似乎值得探讨。

车铣复合加工中心大显威力

在数控车床刀盘上增加动力刀架从而可进行钻、铣等工序就构成了车削中心。复合加工早已有之,但是其铣、钻等的功率太小、转速太低不能适应某些复杂回转零件的要求,因而出现了以大功率、高转速的电主轴取代刀盘。由于同时只能安装一种刀具,象加工中心一样,车削中心增加了刀库和机械手,无论是车刀(车削时,电主轴锁住不回转),还是钻、铣类刀具均存放在刀库中。此外,还增加了垂直于X轴的Y轴和绕Y轴回转的B轴。虽然换刀时间远远超过了车削中心,但是可实现高速大功率的铣削和车削,实质上等于将车床和加工中心合二为一,称之为车铣中心。如在IMTS2000上,Mazak公司展出的INTEGREX系列车铣中心,其铣轴转速高达10000r/min,20多千瓦。通过车铣复合工艺,演示中在10多分钟内,仅一次装夹就将一根大直径整体圆棒料加工成一根汽车发动机的曲轴。依靠X、Y、C三轴的联动,加工出位于不同空间的连杆轴颈和曲拐的多个平面。当然,这种工艺加工曲轴材料耗费太大。Mazak现场人员解释说,这种方法只限于发动机的试制和某些单件生产的特殊空气压缩机,其表演的主要目的是显示车铣复合加工的威力。在制造业中,特别是宇航工业、印刷机、压缩机工业等,复杂的回转零件数量不少。机床工业也不例外,如数控车床的刀盘就为复杂回转件的典型代表。Mazak在我国银川的小巨人公司,就配备了五台车铣复合加工中心,约占机床总台数的17%。奥地利有一家WFL公司专门生产大型车铣复合加工中心。据称其订单(订户多来自飞机、宇航、船舶、印刷机等行业)连续多年爆满。从低层次应用起步的并联加串联机床继续取得成功;并联机床首次进入车削领域。

在1994年的IMTS上首次展出并引起世界轰动的并联(6条腿)机床(又称虚拟机床),在经过随后持续三年的全球跟进浪潮后,在世界范围内“温度”早已逐渐降下来。两家闻名的开路先锋只展出1次或2次后就未再展出。英国一家专业的(其他均为传统机床公司兼业为之)并联机床公司也只展出并联机床两次后就消声匿迹了。这是因为并联机床在理论和实践上有一系列难度相当大的难题,很难在短期内解决。但是,一家瑞典小公司——Neos Robotics公司的产品早已进入实用,至今已销售多达200余台。它的成功是由于:??

1)采用并联加串联的方案。??
该公司采用三杆(故取名为Tricept)结构而不是六杆结构,解决3个自由度的问题,另外两个自由度采用成熟的传统串联机构[为可进行C、A(B)轴回转的复合主轴头]来解决。这样,难度相应地大为减少。??
(2)从低层次应用做起,逐步积累经验和财力,向高层次应用发展。??
从对定位精度和速度均要求不高的低层次应用做起来打开市场、走向应用(如从用砂轮或铣刀打毛刺、倒角、钻油孔、低精度焊接、自动装配的压配合以及加工对象为木材、塑料、铝材等易切削材料入手)。由于其造价很低,对这些低层次应用胜任有余,很快得到了汽车、飞机工业等源源而来的订单,其产品早已进入象Vlovo、SAAB、大众、雷诺、GM等著名的汽车厂和Boeing等有名的飞机厂,承担上述那些“粗”活。从这些应用中该公司取得了丰富的经验和可观的经济效益,支持公司进一步向高层次应用发展。??

这次该公司展出了Tricept845加工中心。其体积定位精度达到±50μm,重复定位精度±10μm,这两个指标距离传统机床虽还有较大的差距,但对并联机床,已具有实用价值。而且其进给速度已达90m/min,加速度达2g,这方面已优于不采用直线电机的传统机床。主轴功率为30~40kW,最高转速24000~30000r/min,采用瑞士IBAG公司电主轴、Simens 840D数控系统和Heidenhain的测量系统。该加工中心采用模块化结构。三杆结构组件有0°、45°、90°三种布局可选(即分别组成卧式、倾斜45°、立式加工中心)。工件安装部件也是可选的模块。而且用户在3年内,如果由于加工对象变化而想改变三杆结构组件的布局,Neos公司可免费到现场来重构。机床支架采用人造花岗岩(用环氧树脂和花岗岩碎石搅拌均匀后,浇“铸”及固化而成)。Neos在结构上取得的成功,除了由于减少杆数而使结构简化外,在很大程度上还得益于三杆中央的中心管。直径粗大的中心管不仅大幅度增加了结构的刚度,还可内置测量系统,通过调节测量套筒长度和中心管的姿态,从而可直接测量刀具在空间的实际位置,再对照三杆长度的间接测量(作为变形、温度等的被偿)来试图解决并联机床位置测量的难题。有趣的是Neos公司起步时只有3人,至今也只有30人,短短5~6年,发展成为并联机床界一颗明星。

德国Index的美国分公司展出的V100型三杆并联机构的“倒立车”(即主轴和工件在上作X、Z轴运动,而刀具在下不动,可回转换刀,但不作任何直线运动的立式车床,我国习称为“倒立车”),它将并联机床用于车床,甚为聪明。这是因为:??

①并联机构最大弱点之一是空间的有效利用率很低。所以,主轴平台移动范围宜小,而车床不象加工中心,工件相对刀具的移动范围本来就很小,所以,V100外形紧凑。??
②车床一般只需两个自由度(X和Y轴)。现用三杆机构可以获得X、Y、Z三个自由度,还冗余一自由度,可用作自动上下料用。??
为了增加刚度,index采用两根杆起一根杆作用的双杆结构,也可称为三(双)杆结构,与天津第一机床总厂结构类似。??

V100安装5英寸夹盘。电主轴转速为8000r/min,功率为26.48kW。X、Y、Z行程分别为450mm、150mm、175mm,可自动上下料,售价为175000美元。据称已在欧洲出售了5台。V100可能为世界上首次出现的并联机构车床。??

美国Hexel公司将6杆并联结构做成独立部件应用于转塔铣床。这可将低价的普通铣床升级为5轴联动铣床。工作台直径710mm。X、Y行程范围为直径305mm的圆,Z轴178mm,A轴±25μm,最大进给速度为5.1m/min,重91kg,售价7900美元(包括控制软件)。据称2001年将生产200台。
此外,前面提到的Z3复合主轴头,可能是并联机构用于机床小型部件的第一个例子。

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