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數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,是機(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)控制、材料、工藝、電氣、工業(yè)設(shè)計(jì)等多種技術(shù)的結(jié)合體。特別是數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu),是數(shù)控機(jī)床整體功能的載體,決定了機(jī)床整體的加工能力和技術(shù)性能。國內(nèi)外機(jī)床行業(yè)一直重視數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)主辦的中國國際機(jī)床展覽會(huì)(CIMT)和中國數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)(CCMT),看到部分國外品牌數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新,結(jié)合國產(chǎn)數(shù)控機(jī)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(jī)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(diǎn),提出對(duì)國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的思考和建議。

 

一、近年國際機(jī)床展上部分模塊化機(jī)床及技術(shù)特點(diǎn)

近年來,國外機(jī)床企業(yè)展出的模塊化機(jī)床,將不同工藝的數(shù)控機(jī)床模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化,機(jī)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(jī)床

FUJI公司展出的模塊化機(jī)床生產(chǎn)線由多個(gè)車削模組和鉆銑模組組成,每個(gè)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(jī)械手快速完成。FUJI公司是一個(gè)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(jī))。高速貼片機(jī)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(jī)械裝備。因此,筆者認(rèn)為FUJI公司的模塊化機(jī)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(jī)床

在近幾年的國際機(jī)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(tái)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(duì)盤類、軸類零件加工進(jìn)行配置和組合。

多主軸模塊化車床VL 3 DUO具備兩個(gè)獨(dú)立的加工區(qū):OP10和OP 20,每個(gè)加工區(qū)中配備有獨(dú)立的工件臨時(shí)存儲(chǔ)器和上下料主軸。鏡像排布的加工區(qū)分別裝有獨(dú)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(gè)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(dòng)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(jī)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(diǎn):(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(jī)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(jī)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(jī)床是對(duì)組合機(jī)床的傳承和創(chuàng)新,其最大優(yōu)點(diǎn)是機(jī)床部件模塊化,互換容易,組織生產(chǎn)容易,降低了機(jī)床制造成本,縮短了制造周期。

常見的組合機(jī)床也采用了模塊化技術(shù),將相同的加工工藝集中在某臺(tái)機(jī)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題。因此,國外模塊化機(jī)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(jī)床實(shí)現(xiàn)相同組件的共享。他們認(rèn)為這對(duì)于客戶來說有很多優(yōu)點(diǎn):可以節(jié)省生產(chǎn)開支,實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的高性價(jià)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(jī)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(jī)床時(shí),首先要考慮的核心問題是新機(jī)床能夠提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量,同時(shí)希望機(jī)床占地不多,并在使用多年后仍能可靠生產(chǎn)。

(2)獨(dú)特的工件傳輸系統(tǒng)進(jìn)一步提高了模塊化機(jī)床的工作效率。

模塊化機(jī)床對(duì)傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較大創(chuàng)新,同時(shí),模塊化機(jī)床的創(chuàng)新離不開其獨(dú)特的工件傳輸系統(tǒng),機(jī)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(shí)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(jī)械手,EMAG公司模塊化機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)配置,包括上下料工件輸送系統(tǒng)、TrackMotion自動(dòng)化系統(tǒng)(TrackMotion自動(dòng)化系統(tǒng)不僅可用于工件存儲(chǔ)器和加工區(qū)之間的工件傳送,同時(shí)也可用于翻轉(zhuǎn)OP10和OP20之間的工件)。

(3)進(jìn)一步簡化了零件加工工藝。

模塊化機(jī)床不僅機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化,而且加工工藝也大膽創(chuàng)新,進(jìn)一步簡化。一般來講,數(shù)控加工的工藝安排是:在一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上加工零件的一部分工序,然后通過托盤或者機(jī)器人等自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)搅硗庖慌_(tái)機(jī)床上加工其他工序,依次完成。每臺(tái)數(shù)控機(jī)床(數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等)是單獨(dú)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(jī)床對(duì)零件加工工藝進(jìn)行了簡化,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(jī)床展上的并聯(lián)機(jī)床及技術(shù)特點(diǎn)

并聯(lián)機(jī)床(又稱虛擬軸機(jī)床)是20世紀(jì)九十年代末興起的一種新型結(jié)構(gòu)機(jī)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(jī)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(yùn)動(dòng)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(diǎn),可實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工。并聯(lián)機(jī)床曾經(jīng)轟動(dòng)一時(shí),許多國內(nèi)外機(jī)床企業(yè)都推出并聯(lián)機(jī)床,引起了業(yè)界的關(guān)注。

近些年,業(yè)界對(duì)并聯(lián)機(jī)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(jī)床企業(yè)堅(jiān)持研制并聯(lián)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)床,例如哈量集團(tuán)、齊齊哈爾二機(jī)床、北京機(jī)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(tuán))SprintZ3

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