從部分展品看數控機床機械結構創新與發展

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數控機床是典型的機電一體化產品,是機械設計、計算機控制、材料、工藝、電氣、工業設計等多種技術的結合體。特別是數控機床的機械結構,是數控機床整體功能的載體,決定了機床整體的加工能力和技術性能。國內外機床行業一直重視數控機床機械結構設計的技術創新和發展,不斷突出新技術、新突破。

筆者參加了近幾年由中國機床工具工業協會主辦的中國國際機床展覽會(CIMT)和中國數控機床展覽會(CCMT),看到部分國外品牌數控機床的機械結構設計創新,結合國產數控機床的發展現狀,深有感觸。本文分析了幾種典型國內外品牌數控機床在模塊化、并聯結構兩方面的技術創新和技術特點,提出對國產數控機床機械結構設計創新的思考和建議。

 

一、近年國際機床展上部分模塊化機床及技術特點

近年來,國外機床企業展出的模塊化機床,將不同工藝的數控機床模塊化、標準化,機床結構和外形、加工工藝有較大創新。舉例如下:

1、日本FUJI(富士)公司展出的模塊化機床

FUJI公司展出的模塊化機床生產線由多個車削模組和鉆銑模組組成,每個車削模組和鉆銑模組的外形尺寸是一樣的。不同的組合方式主要根據零件的加工工藝安排,不同模組之間的工件傳遞由模組內置的機械手快速完成。FUJI公司是一個多事業部結構的企業,其為人熟知的產品是暢銷的SMT設備(高速貼片機)。高速貼片機主要用于電路板上的芯片安裝,是一種典型的模塊化結構機械裝備。因此,筆者認為FUJI公司的模塊化機床結構受到了SMT設備的啟發。

2、德國EMAG(埃馬克)公司展出的模塊化機床

在近幾年的國際機床展上,德國EMAG公司都展出了其著名的倒立式車床和倒立式多功能生產中心,以及由多臺倒立式車床模塊化組合而成的小型生產線,這些生產線主要針對盤類、軸類零件加工進行配置和組合。

多主軸模塊化車床VL 3 DUO具備兩個獨立的加工區:OP10和OP 20,每個加工區中配備有獨立的工件臨時存儲器和上下料主軸。鏡像排布的加工區分別裝有獨立的工作主軸,其功率和扭矩分別可達17.9kW和144Nm,充足的功率可保障快速且精準的切削。此外,每個加工區都配備有12刀位刀塔,刀塔上除了車刀外還可裝配動力刀具。

多主軸模塊化車床VL 3 DUO可方便地與其他埃馬克機床組合成一條生產線,例如與立式車削中心VL4 H和車削中心VLC 200 GT組合成一條緊湊型齒輪生產線。

埃馬克倒立式車床主要優點:(1)排屑方便,冷卻好。倒立式車床由于工件夾持在主軸上,加工過程中產生的切屑和冷卻液立刻墜落在收集器內,有利于保證加工精度和熱量消除。(2)上下料容易。倒立式車床通過主軸抓取工件,這種上下料方式和常見立車的手工上下料、龍門桁架機械手上下料相比,在造價成本上更具優勢,并且性能可靠,適合高精度大批量生產。

3、模塊化機床技術特點分析

(1)降低制造成本、縮短了制造周期。

某種意義上,模塊化機床是對組合機床的傳承和創新,其最大優點是機床部件模塊化,互換容易,組織生產容易,降低了機床制造成本,縮短了制造周期。

常見的組合機床也采用了模塊化技術,將相同的加工工藝集中在某臺機床上完成。與此同時,也存在工裝更換不方便和工藝變化柔性不夠的問題。因此,國外模塊化機床的技術路線是:順應模塊化標準生產的未來趨勢,在生產方式上,通過模塊化標準機床實現相同組件的共享。他們認為這對于客戶來說有很多優點:可以節省生產開支,實現短時間內的高性價比生產;節省了保養和備庫的開支;模塊化標準機床也為不同的生產要求提供充足多樣的配置,是非常高效的生產解決方案。例如埃馬克公司認為,用戶在尋找新機床時,首先要考慮的核心問題是新機床能夠提高生產效率和加工質量,同時希望機床占地不多,并在使用多年后仍能可靠生產。

(2)獨特的工件傳輸系統進一步提高了模塊化機床的工作效率。

模塊化機床對傳統數控機床的結構進行了較大創新,同時,模塊化機床的創新離不開其獨特的工件傳輸系統,機床的模塊化基本結構加上創新的工件傳輸系統,組合成為高效的生產系統,從而實現了在較小的空間達到較高的生產力。例如,FUJI公司的機械手,EMAG公司模塊化機床的標準配置,包括上下料工件輸送系統、TrackMotion自動化系統(TrackMotion自動化系統不僅可用于工件存儲器和加工區之間的工件傳送,同時也可用于翻轉OP10和OP20之間的工件)。

(3)進一步簡化了零件加工工藝。

模塊化機床不僅機床結構模塊化,而且加工工藝也大膽創新,進一步簡化。一般來講,數控加工的工藝安排是:在一臺數控機床上加工零件的一部分工序,然后通過托盤或者機器人等自動化系統運輸到另外一臺機床上加工其他工序,依次完成。每臺數控機床(數控車床、數控銑床、加工中心等)是單獨的,分別工作,相互的物流傳遞是在加工區域以外完成。而模塊化機床對零件加工工藝進行了簡化,將相同的工序盡量集中在一個模塊中完成。

 

二、近年國際機床展上的并聯機床及技術特點

并聯機床(又稱虛擬軸機床)是20世紀九十年代末興起的一種新型結構機床,被稱作21世紀的新型加工設備,它克服了傳統串聯機床結構的固有缺陷,在相同尺度范圍下,具有模塊化程度高、剛性好、運動部件重量輕、加速度大、加工精度易調整、加工精度高等優點,可實現多坐標聯動數控加工。并聯機床曾經轟動一時,許多國內外機床企業都推出并聯機床,引起了業界的關注。

近些年,業界對并聯機床的關注度有所下降,新產品展出不多。但是,還是有一些國外機床企業堅持研制并聯機床,并在航空航天和汽車零部件制造領域得到應用。以筆者在近幾年國際機床展上所見為例,產品主要有Sprint Z3并聯主軸及Ecospeed翻版銑床等。國產數控機床企業與數控系統企業、高校合作,也曾經研制、展出并聯機床,例如哈量集團、齊齊哈爾二機床、北京機電院等。

1、DST公司的Sprint Z3并聯主軸及Ecospeed翻版銑床

德國DST公司(目前屬于斯達拉格集團)SprintZ3

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