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數(shù)控機床是典型的機電一體化產(chǎn)品,是機械設(shè)計、計算機控制、材料、工藝、電氣、工業(yè)設(shè)計等多種技術(shù)的結(jié)合體。特別是數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu),是數(shù)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(nèi)外機床行業(yè)一直重視數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)設(shè)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)會主辦的中國國際機床展覽會(CIMT)和中國數(shù)控機床展覽會(CCMT),看到部分國外品牌數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新,結(jié)合國產(chǎn)數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀,深有感觸。本文分析了幾種典型國內(nèi)外品牌數(shù)控機床在模塊化、并聯(lián)結(jié)構(gòu)兩方面的技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)特點,提出對國產(chǎn)數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)設(shè)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

近年來,國外機床企業(yè)展出的模塊化機床,將不同工藝的數(shù)控機床模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化,機床結(jié)構(gòu)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(jù)零件的加工工藝安排,不同模組之間的工件傳遞由模組內(nèi)置的機械手快速完成。FUJI公司是一個多事業(yè)部結(jié)構(gòu)的企業(yè),其為人熟知的產(chǎn)品是暢銷的SMT設(shè)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(jié)構(gòu)機械裝備。因此,筆者認(rèn)為FUJI公司的模塊化機床結(jié)構(gòu)受到了SMT設(shè)備的啟發(fā)。

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(chǎn)中心,以及由多臺倒立式車床模塊化組合而成的小型生產(chǎn)線,這些生產(chǎn)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(qū):OP10和OP 20,每個加工區(qū)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(qū)分別裝有獨立的工作主軸,其功率和扭矩分別可達(dá)17.9kW和144Nm,充足的功率可保障快速且精準(zhǔn)的切削。此外,每個加工區(qū)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(chǎn)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(chǎn)線。

埃馬克倒立式車床主要優(yōu)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(chǎn)生的切屑和冷卻液立刻墜落在收集器內(nèi),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(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,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(shù)路線是:順應(yīng)模塊化標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的未來趨勢,在生產(chǎn)方式上,通過模塊化標(biāo)準(zhǔn)機床實現(xiàn)相同組件的共享。他們認(rèn)為這對于客戶來說有很多優(yōu)點:可以節(jié)省生產(chǎn)開支,實現(xiàn)短時間內(nèi)的高性價比生產(chǎn);節(jié)省了保養(yǎng)和備庫的開支;模塊化標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)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(chǎn)效率和加工質(zhì)量,同時希望機床占地不多,并在使用多年后仍能可靠生產(chǎn)。

(2)獨特的工件傳輸系統(tǒng)進一步提高了模塊化機床的工作效率。

模塊化機床對傳統(tǒng)數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)進行了較大創(chuàng)新,同時,模塊化機床的創(chuàng)新離不開其獨特的工件傳輸系統(tǒng),機床的模塊化基本結(jié)構(gòu)加上創(chuàng)新的工件傳輸系統(tǒng),組合成為高效的生產(chǎn)系統(tǒng),從而實現(xiàn)了在較小的空間達(dá)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(biāo)準(zhǔn)配置,包括上下料工件輸送系統(tǒng)、TrackMotion自動化系統(tǒng)(TrackMotion自動化系統(tǒng)不僅可用于工件存儲器和加工區(qū)之間的工件傳送,同時也可用于翻轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)模塊化,而且加工工藝也大膽創(chuàng)新,進一步簡化。一般來講,數(shù)控加工的工藝安排是:在一臺數(shù)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(tǒng)運輸?shù)搅硗庖慌_機床上加工其他工序,依次完成。每臺數(shù)控機床(數(shù)控車床、數(shù)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(qū)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(lián)機床及技術(shù)特點

并聯(lián)機床(又稱虛擬軸機床)是20世紀(jì)九十年代末興起的一種新型結(jié)構(gòu)機床,被稱作21世紀(jì)的新型加工設(shè)備,它克服了傳統(tǒng)串聯(lián)機床結(jié)構(gòu)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(diào)整、加工精度高等優(yōu)點,可實現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控加工。并聯(lián)機床曾經(jīng)轟動一時,許多國內(nèi)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零部件制造領(lǐng)域得到應(yīng)用。以筆者在近幾年國際機床展上所見為例,產(chǎn)品主要有Sprint Z3并聯(lián)主軸及Ecospeed翻版銑床等。國產(chǎn)數(shù)控機床企業(yè)與數(shù)控系統(tǒng)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(dá)拉格集團)SprintZ3

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