發(fā)展可重構(gòu)的機(jī)床值得重視

沈福金 編譯

發(fā)展可重構(gòu)的機(jī)床值得重視

The im portance to develope reconfigurative machine tool

沈福金 編譯

隨著產(chǎn)品的個(gè)性化要求越來越強(qiáng)烈，產(chǎn)品品種發(fā)展加快，產(chǎn)品的生命周期日益縮短，制造商面臨著成本和交貨期雙重壓力。出于這些實(shí)際原因，機(jī)床用戶向機(jī)床制造商提出了這樣的愿望，即現(xiàn)在購(gòu)買的機(jī)床如能靈活地適應(yīng)將來所有的加工要求該多好啊！機(jī)床用戶企業(yè)這樣的愿望和設(shè)想引起了機(jī)床業(yè)界的高度關(guān)注和重視。美國(guó)學(xué)者首先在這方面進(jìn)行了研究，并在美國(guó)密歇根大學(xué)進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，提出了機(jī)床和生產(chǎn)系統(tǒng)重構(gòu)的概念。本刊曾在2006年第2期以 “生產(chǎn)系統(tǒng)的新發(fā)展－－可重構(gòu)的生產(chǎn)系統(tǒng)”為題，介紹了美國(guó)的研究情況和取得的研究成果。近來德國(guó)卡斯魯爾研究中心又在這方面進(jìn)行了實(shí)用性研究，開展了題為 “面向多工藝的可重構(gòu)機(jī)床”的研究，開發(fā)并試驗(yàn)了機(jī)床重構(gòu)的各種不同的方法和輔助手段。其基本思想是可購(gòu)買沒有柔性的機(jī)床，然后在需要時(shí)，再改造成適合新的加工要求的機(jī)床。這樣的機(jī)床總是能準(zhǔn)確而最佳地適合所加工的產(chǎn)品，幾年后產(chǎn)品有了變化，再進(jìn)行機(jī)床重構(gòu)。這個(gè)方案的好處是不考慮柔性成本，也沒有冗余功能，有利于降低機(jī)床價(jià)格。

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床重構(gòu)，機(jī)床必須配備相應(yīng)的接口，能使整套加工模塊或坐標(biāo)軸實(shí)現(xiàn)互換。這樣，在現(xiàn)實(shí)的機(jī)床方案上就能實(shí)現(xiàn)工藝轉(zhuǎn)換，如從銑削換成磨削，或者更換一個(gè)帶附加擺動(dòng)軸和直線軸的加工模塊。可是，這種更換或改裝，一般要停機(jī)好幾個(gè)星期。而將來，可重構(gòu)的機(jī)床模塊考慮了統(tǒng)一接口后，這樣的工藝轉(zhuǎn)換可以直接在用戶車間里進(jìn)行，最好情況下，一天即可完成。相應(yīng)的工藝模塊和坐標(biāo)軸模塊必須在制造廠安裝、調(diào)試好，然后通過機(jī)床上已有的準(zhǔn)確的機(jī)械接口換入需要的工藝模塊。

可見，要實(shí)現(xiàn)機(jī)床可重構(gòu)，統(tǒng)一的機(jī)械接口是重要的前提條件。因此，在他們的研究課題中，研究了傳遞機(jī)械量的接口，這種接口除了具有很好的剛度外，盡量使模塊可長(zhǎng)期交換使用和標(biāo)準(zhǔn)化。接口部分的連接，通常使用螺釘連接，找正好以后擰緊，加上夾緊力，這樣，模塊之間建立了機(jī)械連接。這是一種可靠的廉價(jià)的連接方案。但在交換模塊時(shí)總要反復(fù)測(cè)量和調(diào)整，因此，不可能實(shí)現(xiàn)快速交換模塊。基于HSK刀夾原理，新開發(fā)的一種結(jié)構(gòu)緊湊、剛性好的所謂 “靜態(tài)接口，具有很大的拉緊力，既可以液壓夾緊，也可手動(dòng)夾緊 （圖1）。如果一個(gè)加工模塊要裝入機(jī)床很緊湊的加工空間，接口夾套的定心錐只需移入4mm，用手動(dòng)夾緊時(shí)，螺絲鉗只要轉(zhuǎn)很少幾轉(zhuǎn)，然后緊接著在嚙合斜面上平行向外壓緊，并完成插入過程，夾緊模塊以規(guī)定的夾緊方式自鎖地夾緊，并按形狀補(bǔ)充定心，保持平面壓緊。

Schuster Praezision公司在其F40型機(jī)床的基礎(chǔ)上開發(fā)的演示項(xiàng)目是作為多工藝集成機(jī)床設(shè)計(jì)的，在一臺(tái)機(jī)床上能同時(shí)集成很多不同的加工工藝，為機(jī)床配置提供3種機(jī)械接口的夾緊方式，圖2表示可能的配置。

為了能加工復(fù)雜部件，常常必須綜合應(yīng)用很多不同工藝，這就要通過許多設(shè)備的鏈接來實(shí)現(xiàn)。工件既可以直接從一臺(tái)機(jī)床送到另一臺(tái)機(jī)床，也可以人工通過緩沖裝置與機(jī)床相互連接。圖3表示完整加工一個(gè)載重卡車的法蘭半軸的配置情況。在第一臺(tái)機(jī)床上依次裝卡加工法蘭半軸的兩端，此處要確保于第二臺(tái)機(jī)床上加工的夾緊套定心移動(dòng)距離相互精確一致。然后在頂尖間加工外形輪廓和軸承座。為了避免加工細(xì)長(zhǎng)零件的形狀偏差和抑制影響刀具壽命及表面加工質(zhì)量的零件振動(dòng)，在Z3軸上加裝了一個(gè)液壓雙中心架支撐著法蘭半軸。

這個(gè)例子表明，用相同的機(jī)床平臺(tái)進(jìn)行不同的配置，能夠完成完全不同的加工任務(wù)。因?yàn)樗惺褂玫墓に嚹K都規(guī)定了相同的靜態(tài)接口尺寸，模塊可以靈活地進(jìn)行連接。各個(gè)模塊的電功率大致相同。這就是說，因?yàn)楣β誓K、控制模塊和電纜組對(duì)所有模塊來說都是一樣的，所以，通過多芯插頭，各部件的電氣連接很容易。

在縮短輔助時(shí)間和盡可能應(yīng)用多種工藝方面，快速換刀是重要因素。正因?yàn)橐粋€(gè)工件要用多次換刀加工，才表明優(yōu)化換刀的巨大潛力。現(xiàn)在用標(biāo)準(zhǔn)的HSK系統(tǒng)的換刀技術(shù)主要受到刀具的重量、刀具的尺寸以及機(jī)械控制軸能達(dá)到的速度和加速度的限制。在研究項(xiàng)目中走了另一條減少換刀時(shí)間的途徑，即交換的不是整個(gè)刀具，而是只交換受到磨損的刀片，以減少要交換的元件的重量 （圖4）。借助于Mapal公司的所謂端部安裝系統(tǒng)HFS（Head Fitting System），可以通過規(guī)定的錐度，只交換刀具的切削元件，而HFS仍留在刀具主軸里。所以，換刀時(shí)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量能從千克減少到克數(shù)量級(jí)以內(nèi)。為了節(jié)約時(shí)間，除了減輕重量外，各個(gè)交換步驟必須平行進(jìn)行。能平行進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)和操作越多，刀頭的更換就越快。發(fā)展的目標(biāo)是，借助于這種新的交換器方案，使切屑至切屑的換刀時(shí)間達(dá)到1秒以內(nèi)。

特別要開發(fā)小型的刀頭抓取和夾持裝置 （圖5），它引用了HSK卡爪槽結(jié)構(gòu)，并且HFS頭的下部必須與Ott－Jakob公司開發(fā)的自動(dòng)夾緊系統(tǒng)相匹配，通過這些，使頭部自動(dòng)夾緊和松開。還有一點(diǎn)也很重要，雖然夾持過程是安全可靠的，但在抓取區(qū)域內(nèi)應(yīng)盡可能沒有多余的介質(zhì)。此外，取消多余的傳感器信號(hào)也能加快交換過程。出于污染的原因，不能把交換裝置放在位于下面的刀具主軸附近。因?yàn)樵谶@個(gè)方案中，如果交換器位于切削區(qū)內(nèi)，它必須用昂貴的防護(hù)罩防護(hù)，以保持沒有切屑，這種防護(hù)罩還必須以很高的速度打開和關(guān)閉。這個(gè)問題的解決是通過在加工位置的上面安置交換裝置實(shí)現(xiàn)的。在加工期間，卡爪分選刀具并預(yù)先定位，這對(duì)節(jié)省交換時(shí)間有利。在換刀過程開始時(shí)，卡爪正好與防護(hù)罩打開前定好位。這樣，換刀路徑盡可能短，換刀時(shí)間就降下來了。圖6表示換刀器在機(jī)床上的定位，在機(jī)床上的位置情況如圖7所示。

機(jī)床的重構(gòu)改善了機(jī)床的經(jīng)濟(jì)性，延長(zhǎng)了使用壽命，是非常值得關(guān)注的發(fā)展趨勢(shì)。此外，機(jī)床重構(gòu)能響應(yīng)最新的工藝技術(shù)的發(fā)展，因?yàn)樾鲁晒瑯涌梢酝ㄟ^接口技術(shù)集成到機(jī)床上。下面舉一個(gè)機(jī)床經(jīng)濟(jì)性的例子，用MAG Powertrain公司的XG242型機(jī)床作為參照機(jī)床來研究，傳統(tǒng)機(jī)床與最佳化重構(gòu)的機(jī)床進(jìn)行比較。使用了15年，并重構(gòu)了3次 （工藝由銑削換成磨削到報(bào)廢，并加上不同的坐標(biāo)軸），表明新機(jī)床方案除了購(gòu)置成本低外，使用壽命提高20%，機(jī)床重構(gòu)的優(yōu)越性在此表現(xiàn)得很突出，機(jī)床總是運(yùn)行在與工藝相配的最佳狀態(tài)，機(jī)床上沒有不必要的功能，所以更經(jīng)濟(jì)。

德國(guó)聯(lián)邦教育科研部已經(jīng)在 “研究明天的生產(chǎn)”的項(xiàng)目規(guī)劃內(nèi)，推動(dòng)機(jī)床重構(gòu)的研究。這個(gè)動(dòng)態(tài)也應(yīng)引起我國(guó)機(jī)床業(yè)界的高度關(guān)注，有條件的企業(yè)也應(yīng)在原來模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上開展機(jī)床重構(gòu)的研究，包括接合部 （接口）的統(tǒng)一。機(jī)床重構(gòu)提高了資源利用率，既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保，好處很明顯。這里提供的一些信息供業(yè)界參考。