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机床结构配置的创新

2009/5/25 | 3499次阅读 | 来源:设计创新 发表评论

关键词:机床  结构  配置  创新   | 作者: | 收藏这篇资讯

《张曙· 卫汉华专栏》本栏目由同济大学现代制造技术研究所张曙和香港理工大学工业中心卫汉华撰写,每期的内容是相对独立的,但主题围绕机电一体化产品的工业设计、概念设计和逆向设计,从不同的视角与读者讨论机电产品的创新。

张曙简介
同济大学教授、博士生导师、现代制造技术研究所名誉所长、哈尔滨工业大学管理学院教授、香港理工大学客座教授、如皋市人民政府顾问、张曙科教基金董事长,曾任中国机械工程学会常务理事、江苏省盐城工学院特聘教授、上海理工大学机械学院名誉院长等职务。
张曙致力于先进制造技术及其发展战略的研究。先后获得国防科工委的《光华科技基金一等奖》、中国机械工程学会的《科技成就奖》、上海市人民政府的《上海市科技功臣》、中国科学技术协会的《全国优秀科技工作者》、香港《蒋氏科技成就奖》以及香港理工大学《杰出中国访问学人》等重要奖励和荣誉。

 

 卫汉华简介
1965年生,现任香港理工大学工业中心工程师、设计与科技教学组主任,香港设计师协会和中国机械工程学会的会员。卫汉华于1989年取得香港理工大学学位,主修工业设计,毕业后在多家香港企业里担任产品设计和开发工作。1993年,卫汉华开

 
设产品设计公司,经营产品设计开发、原型制造、外包生产等业务。卫汉华于1999年起在香港理工大学任教,主要研究方向为产品创新策略、创新教育。 

  结构配置是机床创新的关键

  数控机床是典型的机电一体化产品,它的特点是在床身、立柱等基础结构件上配置运动部件,在数控程序的控制下使工件与刀具产生相对运动而进行加工。基础结构件是承载运动部件的主体,其配置决定了机床的布局特征。

  今天,机床的许多功能部件,如电主轴、控制系统、滚珠丝杆、线性导轨等大多数都已经不再由机床企业自行设计生产,而是直接从其它企业采购,唯有机床的结构配置设计还是机床企业产品开发部门的核心工作,成为机床产品创新的关键。

  推动机床发展的力量主要来自三种市场需要:更高的切削速度,更高的生产效率和更大的工艺范围。过去这方面的进展主要依靠电主轴、线性导轨、伺服驱动装置等功能部件的性能改进,但零部件的改进余地始终有限,要进一步提高机床的性能,必须从结构配置入手。基础结构件的设计和配置合理与否决定了机床的总体性能,成为机床新产品的主要特色。

  箱中箱、台中台结构

  机床结构配置的基本要求是实现承载工件和刀具的部件(如立柱、工作台、横梁等)在3 个坐标轴上的运动。传统的结构配置是将每一坐标轴的移动部件叠加起来,其缺点是移动质量较大、重心距离或受力点据驱动力中心较远,形成偏转力矩。随着机床的高速化和高效化,上述移动质量和驱动力之间的矛盾开始成为机床性能进一步提高的瓶颈。

  箱中箱结构(Box-in-box)结构是近年来机床结构配置的重要发展趋势。它的特点是采用框架式的箱形结构,将一个移动部件嵌入另一个部件的框架箱中,达到提高刚度,减轻移动部件质量的目的,以适应60m/min 以上快速移动和进给的要求。

  

图1 所示的日本森精机公司的车铣复合加工中心是箱中箱结构的典型。

  

图2 所示是德国DS-Technology 公司的Ecospeed 加工中心,采用焊接的箱中箱结构,将主轴部件嵌入立柱中。

  从上述2 个案例可见,箱中箱结构通常采用双丝杆同步驱动,使驱动力与移动重心尽可能重合。

  要实现5 轴数控加工,机床部件除了具有3 个移动坐标轴外,还需要2 个旋转轴。与箱中箱结构原理一样,将一个回转体嵌入另一个回转体中,例如,在B 轴工作台中配置C 轴工作台,就构成了双坐标工作台的台中台结构(Table-in-table),如图3 所示。

  倒置加工

  机床切削速度提高以后,加工时间(切削时间)和辅助时间(刀具和工件交换时间)的关系变得越来越不协调,新的生产效率瓶颈随之浮现。

  倒置式加工(Reverse Machining)是缩短辅助时间、提高生产速度的新型机床结构。通常的加工方式是工件放置在工作台上,刀具夹持在主轴上,主轴从上面移向工件进行加工,倒置式加工反其道而行之,工件从上面移向刀具完成进给。

  由于所有进给运动由夹持工件的主轴来完成,机床上可以配置多种刀具而不一定需要刀库,因此机床结构非常紧凑,而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散热。

  MAG 自动化集团的HESSAPP 公司生产的DVH 系列的机床是倒置式立式车床的典型。DVH 系列车床的配置特点是结构紧凑,占地面积小,操作者易于接近加工区域。代表性机型是DVH450i 型,其外观如图 4 所示。

  从图中可见,在后面的斜床身上,有伺服电机通过滚珠丝杆驱动的立柱,可实现X 轴快速移动和进给,而工件主轴在立柱上则作Z 轴方向的快速移动和进给。在床身的左前方配置有转塔刀架,右侧配置有工件传送带。

 

 

  机床的主轴用于夹持工件,提供切削所需的旋转运动,且实现Z 轴和X 轴的进给运动。此外,主轴还兼负机械手装卸工件的功能。在穿过机床的传送带托板上装上待加工的毛坯,传送带就将毛坯送入机床的加工区域,主轴就移向传送带,抓取或放下工件。

  衍架结构

  在机床市场需要的主流迈向高速度、高效率的同时,另一个方向的市场需求也开始出现。船身、机翼、风叶等复合材料部件的生产需要能加工大体积自由曲面模型的机床,机床的加工范围越大,其横梁或悬臂结构的跨度也越大,为了达到足够的刚性,传统的做法是加大、加厚横梁。但随之而来的缺点是横梁的重量和惯性增加,加重机床驱动部件的负担,不利于提高加工速度。

  新型的大跨度数控铣床结构创新是采用高强度复合材料组装的衍架代替整体金属结构,在保证刚性的前提下大大的减轻横梁的重量。图5 所示的德国EEW 公司 HSM-Model 加工中心是衍架结构机床的典型,HSM-Model 借鉴生产车间行车的概念,利用炭纤维型材组成双衍架结构的横梁,主轴部件在横梁之间作Y 方

 
向运动,同时整个横梁组合在若干立柱组成的主梁上作X 方向运动,由于横梁结构很轻,直接使用模块化的立柱固定在车间的地面上。HSM-Model 可按客户的场地空间大小和使用需要组合不同的衍架跨距、立柱高度和间距,最大加工范围可达151m×9m×4.25m。

  结构配置创新的启示

  和国外机床企业竞相开发崭新结构相比,国内机床企业更倾向使用常规的机床结构,机床结构设计趋同,其性能和投资回报也会相近,用户的选择标准因此就转向降低价格、降低付款条件等,以期减少投资成本或降低投资风险,在这种市场氛围下,机床企业进行价格竞争是无可避免的结果。

  在关键零部件高度通用化的今天,一款机床的市场价值,取决于它是否有独一无二的特点。机体结构和运动系统的布局如果没有特色,不能为独特的客户群带来无可替代的优点,哪怕是选配了最好的功能部件,都不会给机床的生产者带来更多的利润。

 

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