從部分展品看數控機床機械結構創(chuàng )新與發(fā)展

                             2019年08月28日           來(lái)源：武漢華中數控股份有限公司
　　【機床商務(wù)網(wǎng)欄目 展會(huì )快報】數控機床是典型的機電一體化產(chǎn)品，是機械設計、計算機控制、材料、工藝、電氣、工業(yè)設計等多種技術(shù)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(shù)性能。國內外機床行業(yè)一直重視數控機床機械結構設計的技術(shù)創(chuàng )新和發(fā)展，不斷突出新技術(shù)、新突破。
 
　　筆者參加了近幾年由中國機床工具工業(yè)協(xié)會(huì )主辦的中國國際機床展覽會(huì )(CIMT)和中國數控機床展覽會(huì )(CCMT)，看到部分國外品牌數控機床的機械結構設計創(chuàng )新，結合國產(chǎn)數控機床的發(fā)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(lián)結構兩方面的技術(shù)創(chuàng )新和技術(shù)特點(diǎn)，提出對國產(chǎn)數控機床機械結構設計創(chuàng )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(shù)特點(diǎn)
 
　　近年來(lái)，國外機床企業(yè)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(chuàng )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(chǎn)線(xiàn)由多個(gè)車(chē)削模組和鉆銑模組組成，每個(gè)車(chē)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(gè)多事業(yè)部結構的企業(yè)，其為人熟知的產(chǎn)品是暢銷(xiāo)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(fā)。
                     
                                日本FUJI公司模塊化機床生產(chǎn)線(xiàn)
 
　　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(zhù)名的倒立式車(chē)床和倒立式多功能生產(chǎn)中心，以及由多臺倒立式車(chē)床模塊化組合而成的小型生產(chǎn)線(xiàn)，這些生產(chǎn)線(xiàn)主要針對盤(pán)類(lèi)、軸類(lèi)零件加工進(jìn)行配置和組合。
                         
                                              EMAG公司模塊化機床VL 3 DUO
                           
                                  模塊化機床的兩個(gè)獨立加工區
                            
                                           倒立式車(chē)削
 
　　多主軸模塊化車(chē)床VL 3 DUO具備兩個(gè)獨立的加工區：OP10和OP 20，每個(gè)加工區中配備有獨立的工件臨時(shí)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(gè)加工區都配備有12刀位刀塔，刀塔上除了車(chē)刀外還可裝配動(dòng)力刀具。
 
　　多主軸模塊化車(chē)床VL 3 DUO可方便地與其他埃馬克機床組合成一條生產(chǎn)線(xiàn)，例如與立式車(chē)削中心VL4 H 和車(chē)削中心 VLC 200 GT組合成一條緊湊型齒輪生產(chǎn)線(xiàn)。
 
　　埃馬克倒立式車(chē)床主要優(yōu)點(diǎn)：(1)排屑方便，冷卻好。倒立式車(chē)床由于工件夾持在主軸上，加工過(guò)程中產(chǎn)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(chē)床通過(guò)主軸抓取工件，這種上下料方式和常見(jiàn)立車(chē)的手工上下料、龍門(mén)桁架機械手上下料相比，在造價(jià)成本上更具優(yōu)勢，并且性能可靠，適合高精度大批量生產(chǎn)。
 
　　3、模塊化機床技術(shù)特點(diǎn)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(chuàng )新，其最大優(yōu)點(diǎn)是機床部件模塊化，互換容易，組織生產(chǎn)容易，降低了機床制造成本，縮短了制造周期。
 
　　常見(jiàn)的組合機床也采用了模塊化技術(shù)，將相同的加工工藝集中在某臺機床上完成。與此同時(shí)，也存在工裝更換不方便和工藝變化柔性不夠的問(wèn)題。因此，國外模塊化機床的技術(shù)路線(xiàn)是：順應模塊化標準生產(chǎn)的未來(lái)趨勢，在生產(chǎn)方式上，通過(guò)模塊化標準機床實(shí)現相同組件的共享。他們認為這對于客戶(hù)來(lái)說(shuō)有很多優(yōu)點(diǎn)：可以節省生產(chǎn)開(kāi)支，實(shí)現短時(shí)間內的高性?xún)r(jià)比生產(chǎn)；節省了保養和備庫的開(kāi)支；模塊化標準機床也為不同的生產(chǎn)要求提供充足多樣的配置，是非常高效的生產(chǎn)解決方案。例如埃馬克公司認為，用戶(hù)在尋找新機床時(shí)，首先要考慮的核心問(wèn)題是新機床能夠提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，同時(shí)希望機床占地不多，并在使用多年后仍能可靠生產(chǎn)。
 
　　(2)獨特的工件傳輸系統進(jìn)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(jìn)行了較大創(chuàng )新，同時(shí)，模塊化機床的創(chuàng )新離不開(kāi)其獨特的工件傳輸系統，機床的模塊化基本結構加上創(chuàng )新的工件傳輸系統，組合成為高效的生產(chǎn)系統，從而實(shí)現了在較小的空間達到較高的生產(chǎn)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(dòng)化系統(TrackMotion自動(dòng)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(shí)也可用于翻轉OP10和OP20之間的工件)。
 
　　(3)進(jìn)一步簡(jiǎn)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(chuàng )新，進(jìn)一步簡(jiǎn)化。一般來(lái)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(guò)托盤(pán)或者機器人等自動(dòng)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(chē)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(jìn)行了簡(jiǎn)化，將相同的工序盡量集中在一個(gè)模塊中完成。
 
　　二、近年國際機床展上的并聯(lián)機床及技術(shù)特點(diǎn)
 
　　并聯(lián)機床(又稱(chēng)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(chēng)作21世紀的新型加工設備，它克服了傳統串聯(lián)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(dòng)部件重量輕、加速度大、加工精度易調整、加工精度高等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現多坐標聯(lián)動(dòng)數控加工。并聯(lián)機床曾經(jīng)轟動(dòng)一時(shí)，許多國內外機床企業(yè)都推出并聯(lián)機床，引起了業(yè)界的關(guān)注。
 
　　近些年，業(yè)界對并聯(lián)機床的關(guān)注度有所下降，新產(chǎn)品展出不多。但是，還是有一些國外機床企業(yè)堅持研制并聯(lián)機床，并在航空航天和汽車(chē)零部件制造領(lǐng)域得到應用。以筆者在近幾年國際機床展上所見(jiàn)為例，產(chǎn)品主要有Sprint Z3并聯(lián)主軸及Ecospeed翻版銑床等。國產(chǎn)數控機床企業(yè)與數控系統企業(yè)、高校合作，也曾經(jīng)研制、展出并聯(lián)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(lián)主軸及Ecospeed翻版銑床
 
　　德國DST公司(目前屬于斯達拉格集團)SprintZ3并聯(lián)主軸頭：三個(gè)平行的直線(xiàn)軸沿徑向均布在筒形主軸箱內。主軸頭通過(guò)一端帶有簡(jiǎn)易樞軸的剛性連桿與每個(gè)驅動(dòng)連接起來(lái)。主軸頭上安裝有高性能電主軸。
 
　　主軸箱水平安裝在立柱上，并沿立柱豎直移動(dòng)。這種設計具有最小運動(dòng)質(zhì)量，保證機床具有更好的動(dòng)態(tài)特性。當三個(gè)直線(xiàn)軸同時(shí)等量運動(dòng)時(shí)，主軸沿Z軸方向做直線(xiàn)運動(dòng)。如果三個(gè)直線(xiàn)軸的運動(dòng)不同步，主軸頭在A(yíng)/B平面內擺動(dòng)，最大擺動(dòng)速度為80°/s，最大加速度值為685°/s2。主軸頭可在±40°的圓錐范圍內任意擺動(dòng)。
 
　　工作范圍：通過(guò)X、Y 和Z軸的直線(xiàn)運動(dòng)形成的±40°的圓錐形工作空間。
                            
                                                    DST公司展出的Sprint Z3并聯(lián)主軸
 
　　在Sprint Z3并聯(lián)主軸頭等相關(guān)技術(shù)基礎上，DST公司研制出Ecospeed系列臥式加工中心。這些機床是為高生產(chǎn)率加工鋁合金整體構件而專(zhuān)門(mén)設計的，其不同的機床規格可以用于航空航天等重點(diǎn)領(lǐng)域不同規格工件的加工。例如，在Ecospeed F型機床上，裝夾的工件在X軸方向實(shí)現進(jìn)給運動(dòng)。在其對面是固定的立柱，實(shí)現Z軸、A軸及B軸運動(dòng)的Z3主軸頭可在立柱上沿Y軸方向作垂直運動(dòng)。這種運動(dòng)軸布局的優(yōu)點(diǎn)是：一方面減小了移動(dòng)重量，另一方面可實(shí)現工件的自動(dòng)更換和工件處于水平狀態(tài)進(jìn)行裝夾。后者意味著(zhù)大大簡(jiǎn)化了工件的裝夾和換夾，而且非生產(chǎn)性的輔助時(shí)間也明顯縮短。
 
　　2、國產(chǎn)并聯(lián)機床
 
　　哈量集團通過(guò)引進(jìn)、消化吸收再創(chuàng )新而最新設計制造的LINKS-EXE700并聯(lián)機床，具有剛性高、動(dòng)態(tài)及高速性能好、加工范圍大等特點(diǎn)，可廣泛用于航空、航天、船舶、國防、汽車(chē)等大型復雜零件的自由曲面加工。哈量集團并聯(lián)機床同時(shí)兼有5軸聯(lián)動(dòng)、高速切削、快速定位、靈活移動(dòng)、五面(六面)加工等一系列常規數控機床無(wú)法同時(shí)具有的多種功能和高性?xún)r(jià)比。
                      
                           配置華中數控系統的哈量集團并聯(lián)機床
 
　　另外，還有北京機電院與華中數控合作研制的A3六軸并聯(lián)機床。
                    
                           配置華中數控系統的北京機電院并聯(lián)機床
 
　　3、國產(chǎn)混聯(lián)機床
 
　　混聯(lián)機床則集中了并聯(lián)機床與串聯(lián)機床各自的優(yōu)勢，在擁有并聯(lián)機床優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，具備了串聯(lián)機床加工工作空間大的特點(diǎn)，使得混聯(lián)機床能夠在制造業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域得到成功應用。
 
　　清華大學(xué)與齊齊哈爾第二機床(集團)有限公司聯(lián)合研制的重型混聯(lián)機床XNZH2430、XNZH2415，大膽創(chuàng )新，曾經(jīng)引起業(yè)界高度關(guān)注。XNZH2430重型混聯(lián)機床是面向我國制造業(yè)的關(guān)鍵基礎裝備需求，重點(diǎn)針對技術(shù)含量高、工序復雜的大型水輪機葉片、螺旋槳葉片等復雜曲面類(lèi)零件的加工而研制開(kāi)發(fā)的。該機床從軟件開(kāi)發(fā)到硬件制造，不僅能夠滿(mǎn)足上述零件的曲面加工，還能用于軍工、航天航空、船舶、發(fā)電設備以及模具制造等行業(yè)大型關(guān)鍵精密零件的三維空間曲面加工。
 
XNZH2430、XNZH2415混聯(lián)機床
 
　　4、并聯(lián)機床技術(shù)特點(diǎn)分析
 
　　(1)數控加工的靈活性和機床的剛性相結合。
 
　　并聯(lián)運動(dòng)結構從外觀(guān)來(lái)看，像是很多“手臂”一端彼此相連，另一端與基座相連。這種設計要求各關(guān)節是多自由度的。并聯(lián)運動(dòng)機床手臂的數目取決于動(dòng)平臺運動(dòng)軸的設計數量，但是不論哪種設計，遵循的目標都應將靈活性與剛性結合在一起。因關(guān)節點(diǎn)結構復雜，既要剛性好、無(wú)間隙，又要成本低，這是設計并聯(lián)機床的突出問(wèn)題，限制了并聯(lián)機床的推廣應用，這也是為什么關(guān)節點(diǎn)少、自由度少(例如三自由度)的并聯(lián)機床成為目前主要機型的原因。
 
　　(2)減少零件裝夾次數，實(shí)現多面加工。
 
　　并聯(lián)機床對加工工藝的創(chuàng )新主要體現在零件裝夾次數減少和多面體加工兩方面。
 
　　大幅減少零件裝夾次數：并聯(lián)機床從理論上講，能夠在一次裝夾內便可完成所有面(5面甚至6面)的加工。加上可快捷地建立工件坐標系，無(wú)需使用高精度的工裝，可大幅降低夾具制造成本，并消除了重復性定位誤差。
 
　　多面體多角度復合加工：隨著(zhù)汽車(chē)構架、發(fā)動(dòng)機及其他部件的設計愈加先進(jìn)，對復雜加工與復合角度加工的需求也越來(lái)越多。并聯(lián)機床實(shí)現這類(lèi)加工非常容易，因此十分適于未來(lái)汽車(chē)制造期望的所有復雜加工。飛機、火車(chē)或建筑機械上的部件同樣需要更先進(jìn)的、傳統機床無(wú)法做到的、而并聯(lián)機床卻很容易實(shí)現的加工技術(shù)。
 
　　(3)專(zhuān)用數控編程方法提高機床易用性。
 
　　以往并聯(lián)機床的編程和使用不同于常規機床，這也是并聯(lián)機床推廣應用的主要障礙之一。目前，一些國外機床企業(yè)與數控系統企業(yè)合作，在數控編程方面進(jìn)行創(chuàng )新，進(jìn)一步提高了并聯(lián)機床的易用性。例如Siemens公司為Exechon并聯(lián)機床專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了坐標變換系統軟件，哈量新一代并聯(lián)機床的用戶(hù)使用Siemens通用數控系統，在編程和操作上已經(jīng)與常規五坐標數控機床差別不大。
 
　　三、對國產(chǎn)數控機床機械結構設計創(chuàng )新的思考
 
　　1、正視差距，虛心學(xué)習
 
　　近年來(lái)，國產(chǎn)數控機床行業(yè)在國家的支持下，緊密抓住中國制造業(yè)轉型升級的歷史機遇，在技術(shù)創(chuàng )新和產(chǎn)品推廣方面取得了很好的成績(jì)。但是，我們在參觀(guān)考察近幾年的國際機床展和走訪(fǎng)重點(diǎn)行業(yè)用戶(hù)的過(guò)程中看到，在數控機床機械結構創(chuàng )新方面，國外品牌的案例確實(shí)較多。部分國產(chǎn)數控機床企業(yè)曾經(jīng)研制出在機械結構方面有較大創(chuàng )新的機床產(chǎn)品，但是因為種種原因，沒(méi)有持續大規模產(chǎn)業(yè)化和批量生產(chǎn)，這些現象值得我們思考。
 
　　2、市場(chǎng)分析，重視研究
 
　　某種意義上，模塊化機床是對組合機床的創(chuàng )新，而組合機床在許多汽車(chē)零部件企業(yè)，如一汽集團、東風(fēng)汽車(chē)公司和通用機械制造等企業(yè)都有大批量應用，下一步設備升級換代的需求量很大。建議國產(chǎn)數控企業(yè)關(guān)注這個(gè)巨大的市場(chǎng)存量，研究客戶(hù)的實(shí)際需求，結合中國制造企業(yè)的特點(diǎn)，在模塊化機床研制方面有所創(chuàng )新和突破，將中國制造業(yè)轉型升級的巨大市場(chǎng)需求轉化為實(shí)實(shí)在在的國產(chǎn)設備的技術(shù)提升。
 
　　并聯(lián)機床因為其獨特的機械結構，在航空航天等高端制造領(lǐng)域有市場(chǎng)需求，但主要是國外知名數控機床企業(yè)提供相應產(chǎn)品。同時(shí)，并聯(lián)機床的機械設計和軟件編程能否適當簡(jiǎn)化？在其他領(lǐng)域，例如高精度模具加工、汽車(chē)動(dòng)力總成加工等領(lǐng)域，是否還有發(fā)展空間？這些都值得我們思考。
 
　　3、機電結合，協(xié)同發(fā)展
 
　　數控機床是機械和數控技術(shù)緊密結合的高科技產(chǎn)品，機械結構的創(chuàng )新要與數控系統的創(chuàng )新同步進(jìn)行。模塊化機床和并聯(lián)機床機械結構的創(chuàng )新，對數學(xué)模型、控制算法、加工編程的需求都與常規數控機床有較大差異。國外品牌模塊化機床和并聯(lián)機床的數控系統都是基于機床企業(yè)和數控系統企業(yè)深度合作，對機床結構進(jìn)行了較大的改進(jìn)，在某種程度上顛覆了我們對機床機械結構的想象。建議國產(chǎn)數控機床和數控系統企業(yè)借鑒成功經(jīng)驗，機電結合，協(xié)同創(chuàng )新，在數控機床結構創(chuàng )新方面早日取得新突破！