从部分展品看数控机床机械结构创新与发展

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数控机床是典型的机电一体化产品,是机械设计、计算机控制、材料、工艺、电气、工业设计等多种技术的结合体。特别是数控机床的机械结构,是数控机床整体功能的载体,决定了机床整体的加工能力和技术性能。国内外机床行业一直重视数控机床机械结构设计的技术创新和发展,不断突出新技术、新突破。

笔者参加了近几年由中国机床工具工业协会主办的中国国际机床展览会(CIMT)和中国数控机床展览会(CCMT),看到部分国外品牌数控机床的机械结构设计创新,结合国产数控机床的发展现状,深有感触。本文分析了几种典型国内外品牌数控机床在模块化、并联结构两方面的技术创新和技术特点,提出对国产数控机床机械结构设计创新的思考和建议。

 

一、近年国际机床展上部分模块化机床及技术特点

近年来,国外机床企业展出的模块化机床,将不同工艺的数控机床模块化、标准化,机床结构和外形、加工工艺有较大创新。举例如下:

1、日本FUJI(富士)公司展出的模块化机床

FUJI公司展出的模块化机床生产线由多个车削模组和钻铣模组组成,每个车削模组和钻铣模组的外形尺寸是一样的。不同的组合方式主要根据零件的加工工艺安排,不同模组之间的工件传递由模组内置的机械手快速完成。FUJI公司是一个多事业部结构的企业,其为人熟知的产品是畅销的SMT设备(高速贴片机)。高速贴片机主要用于电路板上的芯片安装,是一种典型的模块化结构机械装备。因此,笔者认为FUJI公司的模块化机床结构受到了SMT设备的启发。

2、德国EMAG(埃马克)公司展出的模块化机床

在近几年的国际机床展上,德国EMAG公司都展出了其著名的倒立式车床和倒立式多功能生产中心,以及由多台倒立式车床模块化组合而成的小型生产线,这些生产线主要针对盘类、轴类零件加工进行配置和组合。

多主轴模块化车床VL 3 DUO具备两个独立的加工区:OP10和OP 20,每个加工区中配备有独立的工件临时存储器和上下料主轴。镜像排布的加工区分别装有独立的工作主轴,其功率和扭矩分别可达17.9kW和144Nm,充足的功率可保障快速且精准的切削。此外,每个加工区都配备有12刀位刀塔,刀塔上除了车刀外还可装配动力刀具。

多主轴模块化车床VL 3 DUO可方便地与其他埃马克机床组合成一条生产线,例如与立式车削中心VL4 H和车削中心VLC 200 GT组合成一条紧凑型齿轮生产线。

埃马克倒立式车床主要优点:(1)排屑方便,冷却好。倒立式车床由于工件夹持在主轴上,加工过程中产生的切屑和冷却液立刻坠落在收集器内,有利于保证加工精度和热量消除。(2)上下料容易。倒立式车床通过主轴抓取工件,这种上下料方式和常见立车的手工上下料、龙门桁架机械手上下料相比,在造价成本上更具优势,并且性能可靠,适合高精度大批量生产。

3、模块化机床技术特点分析

(1)降低制造成本、缩短了制造周期。

某种意义上,模块化机床是对组合机床的传承和创新,其最大优点是机床部件模块化,互换容易,组织生产容易,降低了机床制造成本,缩短了制造周期。

常见的组合机床也采用了模块化技术,将相同的加工工艺集中在某台机床上完成。与此同时,也存在工装更换不方便和工艺变化柔性不够的问题。因此,国外模块化机床的技术路线是:顺应模块化标准生产的未来趋势,在生产方式上,通过模块化标准机床实现相同组件的共享。他们认为这对于客户来说有很多优点:可以节省生产开支,实现短时间内的高性价比生产;节省了保养和备库的开支;模块化标准机床也为不同的生产要求提供充足多样的配置,是非常高效的生产解决方案。例如埃马克公司认为,用户在寻找新机床时,首先要考虑的核心问题是新机床能够提高生产效率和加工质量,同时希望机床占地不多,并在使用多年后仍能可靠生产。

(2)独特的工件传输系统进一步提高了模块化机床的工作效率。

模块化机床对传统数控机床的结构进行了较大创新,同时,模块化机床的创新离不开其独特的工件传输系统,机床的模块化基本结构加上创新的工件传输系统,组合成为高效的生产系统,从而实现了在较小的空间达到较高的生产力。例如,FUJI公司的机械手,EMAG公司模块化机床的标准配置,包括上下料工件输送系统、TrackMotion自动化系统(TrackMotion自动化系统不仅可用于工件存储器和加工区之间的工件传送,同时也可用于翻转OP10和OP20之间的工件)。

(3)进一步简化了零件加工工艺。

模块化机床不仅机床结构模块化,而且加工工艺也大胆创新,进一步简化。一般来讲,数控加工的工艺安排是:在一台数控机床上加工零件的一部分工序,然后通过托盘或者机器人等自动化系统运输到另外一台机床上加工其他工序,依次完成。每台数控机床(数控车床、数控铣床、加工中心等)是单独的,分别工作,相互的物流传递是在加工区域以外完成。而模块化机床对零件加工工艺进行了简化,将相同的工序尽量集中在一个模块中完成。

 

二、近年国际机床展上的并联机床及技术特点

并联机床(又称虚拟轴机床)是20世纪九十年代末兴起的一种新型结构机床,被称作21世纪的新型加工设备,它克服了传统串联机床结构的固有缺陷,在相同尺度范围下,具有模块化程度高、刚性好、运动部件重量轻、加速度大、加工精度易调整、加工精度高等优点,可实现多坐标联动数控加工。并联机床曾经轰动一时,许多国内外机床企业都推出并联机床,引起了业界的关注。

近些年,业界对并联机床的关注度有所下降,新产品展出不多。但是,还是有一些国外机床企业坚持研制并联机床,并在航空航天和汽车零部件制造领域得到应用。以笔者在近几年国际机床展上所见为例,产品主要有Sprint Z3并联主轴及Ecospeed翻版铣床等。国产数控机床企业与数控系统企业、高校合作,也曾经研制、展出并联机床,例如哈量集团、齐齐哈尔二机床、北京机电院等。

1、DST公司的Sprint Z3并联主轴及Ecospeed翻版铣床

德国DST公司(目前属于斯达拉格集团)SprintZ3

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