德國(guó)HERMLE自動(dòng)化機(jī)械手

個(gè)人簡(jiǎn)介：U.Heisel 蛛挚，1974 年畢業(yè)于柏林工業(yè)大學(xué)音哟。曾任Werner & Kolb 機(jī)床公司設(shè)計(jì)部主任码累。1987 年被聘為斯圖加特大學(xué)機(jī)床研究所講座教授找骏。1993 年獲羅馬尼亞C l u j -Napoca 工業(yè)大學(xué)名譽(yù)博士腿逞，2000 年獲保加利亞Sofia 工業(yè)大學(xué)名譽(yù)博士。

　　機(jī)床是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)测捐。機(jī)床的創(chuàng)新離不開(kāi)新結(jié)構(gòu)汤钻、新材料垮撇、新的功能部件、新刀具和新的外圍設(shè)備倘秸。加工工藝的發(fā)展以及加工過(guò)程的仿真和監(jiān)控也日益受到重視挑胯。

　　機(jī)床工業(yè)的發(fā)展歷程表明眼骗，提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量是最重要的長(zhǎng)期目標(biāo)轨皮。這就需要提高機(jī)床的主軸功率和實(shí)現(xiàn)進(jìn)給及切削運(yùn)動(dòng)組件的性能，因?yàn)樗鼈兪窍嗷ビ绊懙姆匠印４送饬抢澹€涉及到力學(xué)的、電子和信息化的不同部件益锻，這些部件以前被視為獨(dú)立的子系統(tǒng)去進(jìn)行優(yōu)化蠢琳，但整個(gè)加工系統(tǒng)是由機(jī)床結(jié)構(gòu)件、電力驅(qū)動(dòng)裝置和其它參與實(shí)現(xiàn)軌跡生成的組件以及控制系統(tǒng)位置調(diào)節(jié)環(huán)和加工工序本身組成的镜豹。因此傲须，數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)應(yīng)該具有機(jī)電一體化性質(zhì)的特點(diǎn)。

　　在生產(chǎn)實(shí)踐中趟脂，高速加工泰讽、柔性化、智能化等技術(shù)使縮短工時(shí)成為可能昔期，仍被視為降低成本的關(guān)鍵革新已卸，但新的節(jié)能生產(chǎn)系統(tǒng)和有效利用能源的工序越來(lái)越受到重視。

　　本文闡述了德國(guó)機(jī)床制造領(lǐng)域中金屬切削機(jī)床的創(chuàng)新和進(jìn)展硼一，例如累澡，新的機(jī)床配置形式以及可重組機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床等；新的功能部件般贼、刀具愧哟、新工藝、機(jī)床和過(guò)程仿真哼蛆、傳感器以及用于過(guò)程監(jiān)控和診斷的測(cè)量?jī)x器技術(shù)蕊梧；同時(shí)介紹了斯圖加特大學(xué)機(jī)床研究所以及其它高校研究所和研究單位最新的科研成果。

　　金屬切削機(jī)床的新發(fā)展

　　1 基于倒置運(yùn)動(dòng)學(xué)的機(jī)床配置

　　隨著高速切削（H S C）和高生產(chǎn)率加工（H P C）的發(fā)展枉俗，加工時(shí)間t h（切削）和輔助時(shí)間t n（刀具和工件交換）的關(guān)系變得越來(lái)越不協(xié)調(diào)咒娶。為了在高柔性條件下縮短輔助時(shí)間，新的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理和機(jī)床配置形式受到重視营俘，這兩種設(shè)計(jì)概念兼具縮短加工時(shí)間和輔助時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)吗罪。例如，E L H A 公司以“制造模塊”為名毛凶，早在1997 年的漢諾威機(jī)床展覽會(huì)上就展示了“倒置運(yùn)動(dòng)學(xué)”的設(shè)計(jì)话贯，即所有控制軸的運(yùn)動(dòng)都集中在“工件主軸”上篡搓，而所有刀具模塊（動(dòng)力頭）則固定于靜止的框架上。

　　近年來(lái)露使，其它機(jī)床制造商也認(rèn)識(shí)到這種配置形式的優(yōu)點(diǎn)页镜，開(kāi)發(fā)倒置式機(jī)床。例如答肤，S W － E M A G 公司推出的B M1250纸牌，其加工中心采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加工范圍為1900mm×1000mm愧杯。ANGER 公司推出的H C X2000 機(jī)床也是采用倒置運(yùn)動(dòng)學(xué)的配置設(shè)計(jì)的涎才。

　　在2007 年漢諾威機(jī)床展覽會(huì)上，Krause & Mauser 公司展出了PS INVERSE3加工中心力九，如圖1 所示耍铜。該機(jī)床以高效、模塊化的制造概念跌前，把加工中心的靈活性與專用機(jī)床的高效率和高精度結(jié)合了起來(lái)棕兼，在機(jī)床加工區(qū)的3 個(gè)側(cè)面可安裝多個(gè)動(dòng)力頭，更換動(dòng)力頭就可加工不同的零件抵乓。裝夾有1 個(gè)或多個(gè)工件的“主軸”可進(jìn)行3 個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)伴挚，對(duì)準(zhǔn)動(dòng)力頭定位后移近動(dòng)力頭，從而實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程臂寝。根據(jù)這個(gè)加工概念章鲤，無(wú)須進(jìn)行刀具更換，可省去刀具交換的時(shí)間咆贬。此外败徊，加工時(shí)切屑自由落下，只要防止炙熱的切屑把熱傳給機(jī)床部件呆逼，即可采用干切削或微量潤(rùn)滑切削侣豌，實(shí)現(xiàn)高精度加工，該型號(hào)機(jī)床為構(gòu)建經(jīng)濟(jì)的嘲陋、有發(fā)展前景的幼浩、柔性的生產(chǎn)制造方案作了最理想的補(bǔ)充。

圖1 倒置式PS INVERS3型加工中心

　　2 柔性和可變的生產(chǎn)系統(tǒng)

　　Heller 公司推出的RFK － 15 型曲軸銑床采用模塊化設(shè)計(jì)铸烈，突出了高柔性和可變性软健。機(jī)床由性能可靠的不同模塊組成，以實(shí)用性強(qiáng)砰吻、確保生產(chǎn)效率的特點(diǎn)保證設(shè)備在整個(gè)生命周期中具有競(jìng)爭(zhēng)力祸榨，從而使用戶每一模塊的投資最佳化。

　　例如,Heller 公司提供了3 種不同的工件裝卸方式：滾輥傳送帶的手工裝卸且险，借助機(jī)械手和龍門(mén)架的自動(dòng)裝卸（見(jiàn)圖2）以及獨(dú)立的全自動(dòng)裝卸垢雨【舛＃可依據(jù)裝卸的人工費(fèi)用、工件類型的多樣化程度和不同工件的最優(yōu)組合辐践、所期望的加工柔性以及工序之間的運(yùn)輸問(wèn)題等方面來(lái)選用的坦报。

圖2 帶有集成裝卸系統(tǒng)的RFK-15型曲軸銑床

　　在由德國(guó)研究院資助的TFB59項(xiàng)目框架下，斯圖加特大學(xué)的機(jī)床研究所和機(jī)床與制造設(shè)備控制技術(shù)研究所一起狂鞋，研發(fā)了可變生產(chǎn)系統(tǒng)的機(jī)電模塊片择。該項(xiàng)目中的一個(gè)部分是研究制造模塊的可變組合和工件裝卸，項(xiàng)目合作單位是制造商Mauser 公司和使用單位戴姆勒奔馳公司要销，該項(xiàng)目的目標(biāo)是：借助模塊化的构回、自主管理的組合模塊實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的可變性。從設(shè)備的整個(gè)生命周期來(lái)看疏咐，可變生產(chǎn)系統(tǒng)超越了過(guò)去的柔性制造系統(tǒng)范疇，通過(guò)機(jī)床或設(shè)備的改裝脐供，使有限的技術(shù)花費(fèi)浑塞，能應(yīng)對(duì)不可預(yù)見(jiàn)的生產(chǎn)條件變化（加工零件的改變或者加工批量的改變）。因此政己，該項(xiàng)目聚焦于模塊化的酌壕、能自主管理的組合設(shè)備。

　　機(jī)電一體化融合了力學(xué)歇由、電學(xué)和計(jì)算機(jī)（軟件）技術(shù)卵牍，通過(guò)制造新型的、封閉的（自主管理的）機(jī)電功能單元桌懊，可使組合設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)別出心裁陋锚，這種新方式要求人們轉(zhuǎn)換思維，擺脫深受專業(yè)知識(shí)體系影響的觀察和思維方式英嬉。

　　根據(jù)機(jī)床模塊接口的調(diào)查和分析是菇，確定研發(fā)用于工件輸送的、機(jī)電一體化的份肠、自主管理的模塊（這項(xiàng)設(shè)計(jì)開(kāi)創(chuàng)了模塊化設(shè)計(jì)的新概念）和能自動(dòng)接入的枣肚、屬于機(jī)床設(shè)計(jì)一部分的、可自動(dòng)調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)僧少，這些都是現(xiàn)在研究的內(nèi)容丐鸽。

　　圖3( a ) 是上述創(chuàng)新的、模塊化組合裝置的完整概念供撵。圖3( b ) 是組合裝置的主要部分——搬運(yùn)模塊郊男，它可任意安置于機(jī)床之間，通過(guò)接入機(jī)床控制系統(tǒng)吝都，在以太網(wǎng)接口的上級(jí)進(jìn)行控制杆坪。作為整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的接口淋袖，只有一個(gè)是組合模塊的供電接口。流體將分散供應(yīng)锯梁，突出了組合模塊自主管理的特征即碗。

圖3 可變生產(chǎn)系統(tǒng)和可任意插入的搬運(yùn)模塊

　　3 工藝集成和組合/ 完整加工

　　（1） 工藝組合和復(fù)合加工

　　EMAG Salach 公司早在1992 年就推出“倒置式車削頭”，這個(gè)帶有抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的水平或斜床身的車床不同陌凳，在最小空間內(nèi)將車削加工和工件自動(dòng)輸送系統(tǒng)巧妙地集成在一起剥懒。通過(guò)工件主軸的運(yùn)動(dòng)，借助抓取程序合敦，可將工件輕松地從輸送系統(tǒng)上取出和放回初橘。垂直配置的車削頭使切屑自由落下并快速移除，可實(shí)現(xiàn)干切削充岛。

　　工序周期的縮短和集成范圍的擴(kuò)大使得在機(jī)床中進(jìn)一步整合其它工藝成為可能保檐。為了實(shí)現(xiàn)工件的完整加工，除車削崔梗、鉆削和銑削外夜只，某些型號(hào)的機(jī)床上還集成有磨削和切齒以及其它非切削工藝，如焊接蒜魄、滾壓扔亥、激光加工（ELC系列）。同時(shí)盯辅，也可將測(cè)量裝置整合進(jìn)來(lái)摹跑，測(cè)量不但用于最終檢驗(yàn)，也可用于加工過(guò)程的指引和調(diào)節(jié)趴鹰。

　　此外胚砰， EMAG 公司還提供適合大批量生產(chǎn)使用的、可各自獨(dú)立工作的雙主軸或多主軸機(jī)床歧衡，能夠在一臺(tái)機(jī)床上以相對(duì)少的費(fèi)用生產(chǎn)較多的產(chǎn)品簇友。

　　毫無(wú)疑問(wèn)，復(fù)合加工和完整加工在機(jī)床的發(fā)展中顯得尤其重要庸颂。由于工件品種肠豺、數(shù)量和需要的加工工序等不確定因素越來(lái)越多，以前經(jīng)常使用的專用機(jī)床扁钥，如自動(dòng)生產(chǎn)線俐粪、旋轉(zhuǎn)加工單元等，近來(lái)常被獨(dú)立的機(jī)床所代替捐煤。在汽車或汽車配件的大批量生產(chǎn)中越來(lái)越多地采用復(fù)合加工中心來(lái)實(shí)現(xiàn)零件的完整加工褪秀。

　　（2） 為機(jī)床服務(wù)的機(jī)器人越來(lái)越能干

　　機(jī)床與自動(dòng)化技術(shù)的聯(lián)系越來(lái)越緊密。提高機(jī)床生產(chǎn)效率的途徑是縮短工件裝卸的時(shí)間。因此最有效的方法是把加工中心和自動(dòng)化裝卸設(shè)備集成在一起媒吗。此外仑氛，工業(yè)機(jī)器人和線性輸送單元連在一起，一臺(tái)機(jī)器人就可服務(wù)多臺(tái)機(jī)床闸英。

　　隨著機(jī)器人軌跡精度和重復(fù)精度的提高锯岖，除了傳統(tǒng)的工件裝卸任務(wù)外，機(jī)器人還可完成其它生產(chǎn)工序甫何，如打磨出吹、去毛刺和拋光等。在合成材料辙喂、石材和木材的加工中捶牢，由于切削力較小和（或）加工精度要求較低，裝備有刀具主軸的機(jī)器人開(kāi)始替代機(jī)床加工巍耗，并完全能夠達(dá)到先前在機(jī)床上加工的工件質(zhì)量要求秋麸。

　　此外，由于許多加工中心都要實(shí)現(xiàn)完整加工叁渣，刀具的種類也越來(lái)越多樣玲装。借助機(jī)器人裝卸工件，并為所需的工序更換刀具將越來(lái)越普遍溯侦。

　　新結(jié)構(gòu)、新刀具和新材料

　　1 棒料加工的生產(chǎn)型自動(dòng)車床

　　INDEX 公司(Index-werke.d e ) 在2007 年推出了Speed LineC100型用于大批量生產(chǎn)的棒料加工機(jī)床慷啊，其主要特點(diǎn)是完成X 軸和Z 軸運(yùn)動(dòng)的刀架滑座僅由1 個(gè)部件組成况魔。轉(zhuǎn)塔刀架既可沿2 條平面滑動(dòng)導(dǎo)軌作左右移動(dòng)，又可垂直于導(dǎo)軌作短行程的上下移動(dòng)某扑。這個(gè)滑動(dòng)摩擦副由淬硬的工具鋼導(dǎo)軌和滑動(dòng)面有鍍層的刀架組成奢赡，不會(huì)磨損。這種結(jié)構(gòu)把滑動(dòng)導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)（高阻尼和高剛度）同線性導(dǎo)軌筐积、快速運(yùn)動(dòng)和加速性能結(jié)合起來(lái)掷暇，獲得了優(yōu)異的性能。

　　創(chuàng)新導(dǎo)軌原理的驅(qū)動(dòng)性能借助雙鉸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步得到保證珊求。這種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)熱少层攀，精度高。在小運(yùn)動(dòng)尺度下赃阀，刀架的加速度可達(dá)到1g 霎肯。

　　2 自適應(yīng)技術(shù)的進(jìn)展

　　自適應(yīng)——這一概念描繪了具有高集成度的智能結(jié)構(gòu)和部件，即新復(fù)合材料榛斯、帶有智能控制和自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能的部件观游。自適應(yīng)部件應(yīng)具有能夠優(yōu)化地、自主地去適應(yīng)不同外部條件的特點(diǎn)。這對(duì)制造裝備懂缕、工藝的范圍和精度要求日益提高允跑，但它們同時(shí)受到加工過(guò)程和外界環(huán)境的巨大影響，這正是開(kāi)發(fā)和使用自適應(yīng)部件的目標(biāo)搪柑。借助實(shí)時(shí)的高動(dòng)態(tài)控制技術(shù)聋丝，加工過(guò)程是可以自控的。

　　采用自適應(yīng)技術(shù)可以獲得很大的利益拌屏。在許多情況下潮针，它能夠?qū)崟r(shí)有效地消除振動(dòng)、變形和噪聲等外部和內(nèi)部干擾倚喂，使魯棒的每篷、穩(wěn)定的、最終經(jīng)濟(jì)的加工成為可能笛吱。具有自適應(yīng)的部件反應(yīng)更快搁蛤，更精確，更堅(jiān)實(shí)途培，更靈活建搞。

　　將來(lái)，傳感和執(zhí)行功能將集成為機(jī)床承載機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體組成部分注欧。例如祈岔，研制能自動(dòng)轉(zhuǎn)換聯(lián)桿上壓電信息的執(zhí)行組件和把壓電纖維融合進(jìn)復(fù)合纖維的多功能材料以及開(kāi)發(fā)“壓電陶瓷－金屬”的混合系統(tǒng)。

　　在機(jī)床制造領(lǐng)域中已有很多自適應(yīng)技術(shù)得到了成功運(yùn)用钙蕉。德國(guó)克姆尼茨大學(xué)機(jī)床與鍛壓研究所口纸、亞琛工業(yè)大學(xué)機(jī)床實(shí)驗(yàn)室、達(dá)姆斯達(dá)特工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)與機(jī)床研究所官孝、斯圖加特大學(xué)機(jī)床研究所等單位都展開(kāi)了相關(guān)的研究工作努禽。

　　例如，克姆尼茨大學(xué)機(jī)床與鍛壓研究所正在開(kāi)發(fā)基于壓電的门俏、自適應(yīng)的主軸座丸匀，它能在傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)的領(lǐng)域中改善切削過(guò)程（見(jiàn)圖4）。通過(guò)壓電執(zhí)行組件進(jìn)行精確定位危融，主要用于糾正和調(diào)整主軸位置畏铆，這個(gè)系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)也可用于抑制主軸的振動(dòng)和顫振。

圖4 自適應(yīng)高速切削主軸

　　該構(gòu)造的核心是一個(gè)由萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)专挪，平臺(tái)上安裝有常規(guī)的高速電主軸及志。位移檢測(cè)由法蘭上方的電容傳感器完成。檢測(cè)出的微小位移借助壓電執(zhí)行組件的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整寨腔，即可實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)和精確的傳動(dòng)速侈。

　　亞琛工業(yè)大學(xué)機(jī)床實(shí)驗(yàn)室研制了一種自適應(yīng)鏜桿率寡，鏜桿上的刀具和導(dǎo)向塊都可借助壓電作用進(jìn)行調(diào)節(jié)。借助該鏜桿倚搬，可使孔加工的幾何精度達(dá)到微米級(jí)范圍冶共。

　　目前，這些自適應(yīng)系統(tǒng)仍處于一個(gè)高成本的研制和開(kāi)發(fā)階段每界。為高精度捅僵、高動(dòng)態(tài)的機(jī)床研發(fā)低成本、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的自適應(yīng)技術(shù)眨层，目前依然是一種挑戰(zhàn)荷右。筆者認(rèn)為，即使在技術(shù)領(lǐng)先的德國(guó)捅硅，在未來(lái)幾年內(nèi)要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)也是很困難的完簿。

　　3 主軸和主軸部件

　　（1）  可快速調(diào)整的主軸模塊

　　全球化競(jìng)爭(zhēng)加劇，導(dǎo)致產(chǎn)品品種持續(xù)增加桅蕊，產(chǎn)品生命周期越來(lái)越短聚灸，迫使企業(yè)考慮如何有效利用現(xiàn)有生產(chǎn)能力和生產(chǎn)設(shè)備。這就是推動(dòng)機(jī)床制造商開(kāi)發(fā)“可重組機(jī)床”的力量阅牛。

　　德國(guó)斯圖加特大學(xué)機(jī)床研究所和機(jī)床與制造設(shè)備控制技術(shù)研究所與INDEX公司合作朱鹤，一起研制了可快速調(diào)整的電主軸模塊，用于INDEX G160 車床秫痪，它明顯地減少了電主軸更換及其調(diào)整所需的時(shí)間延杯。

　　電主軸嵌入一個(gè)高剛度、高精度的中心可微調(diào)的殼體中叭舰。IND E XG160 是一臺(tái)雙主軸臥式車床坤乌，借助這個(gè)微調(diào)結(jié)構(gòu)和測(cè)量棒，就可以保證2 個(gè)主軸的同心度在微米級(jí)范圍內(nèi)显驼。

　　采用這個(gè)結(jié)構(gòu)以后，大大簡(jiǎn)化了電主軸的更換和機(jī)床幾何精度調(diào)整的過(guò)程坯临，可以在2h 內(nèi)完成快速更換電主軸焊唬。

　　（2） 主軸和驅(qū)動(dòng)軸的發(fā)展趨勢(shì)

　　近年來(lái)，高性能和高生產(chǎn)率加工中心的主軸遇到了越來(lái)越多的挑戰(zhàn)看靠。在高效切削中赶促，特別是在鋁合金飛機(jī)結(jié)構(gòu)件銑削時(shí)，必須在短時(shí)間內(nèi)切削盡可能多的材料挟炬。在切削速度為4000m / m i n的條件下鸥滨，材料切除率可高達(dá)到8000c m3/m i n，這需要機(jī)床主軸同時(shí)具備高轉(zhuǎn)速和高效率的特點(diǎn)谤祖。在精加工時(shí)需要采用高轉(zhuǎn)速婿滓，以便使切削效率有限的小直徑刀具能達(dá)到足夠的切削速度，而在粗加工時(shí)則需要較大的切削功率。因此凸主，主軸研制的重點(diǎn)主要在于提高整體加工效率橘券，使精加工和粗加工都能夠在理想的條件下進(jìn)行。實(shí)踐表明卿吐，主軸最大轉(zhuǎn)速保持在30000r / m i n 以內(nèi)較好荞诡，因?yàn)檗D(zhuǎn)速的進(jìn)一步增加會(huì)危及主軸系統(tǒng)的可靠性。

　　加工效率的提高是有巨大經(jīng)濟(jì)意義的疏悯。選擇合理的粗加工切削速度灸尾，可以將超過(guò)90% 的待切除材料迅速切除，發(fā)揮機(jī)床的最大潛能歉冷，縮短粗加工的時(shí)間汗势。提高加工效率的關(guān)鍵在于采取合適的措施，使主軸功率安全有效地轉(zhuǎn)化為切屑炸穿。因此主軸制造商應(yīng)該注意整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)（主軸和變頻器）的綜合性能拔灾。

　　為此，F(xiàn) i s c h e r 公司推出一種新的主軸——變頻器系統(tǒng)暖鬓。生產(chǎn)測(cè)試顯示继锰，該系統(tǒng)能明顯地提高加工效率。新研制的MFW － 2320/30VC HSK－ A63 主軸部件由交流同步電動(dòng)機(jī)和變頻器組成麸档。與傳統(tǒng)的主軸相比及窃，主軸前后軸承的間距進(jìn)一步減小，這對(duì)主軸的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性產(chǎn)生了積極的影響乃沙，并在大切深銑削時(shí)表現(xiàn)出更穩(wěn)定的狀態(tài)起趾。此外，它緊湊的構(gòu)造適合用于五軸加工機(jī)床警儒。

　　加工大型鋁件的實(shí)踐表明训裆，主軸最佳轉(zhuǎn)速在20000 ～ 30000r/min范圍內(nèi)，粗加工1.5t 重的毛坯時(shí)蜀铲，如果要切除70% 的材料边琉，采用新的主軸系統(tǒng)可以減少33% 的切削時(shí)間。

　　德國(guó)AMK Arnold Mueller驅(qū)動(dòng)技術(shù)公司推出了“SPINDASYN”可實(shí)現(xiàn)軸向和旋轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)的伺服驅(qū)動(dòng)裝置记劝，其外觀（如圖5）变姨。從圖中可見(jiàn)，該驅(qū)動(dòng)裝置由2 個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)串聯(lián)組成厌丑，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子與螺母固定在一起定欧，支撐在兩端的徑向推力軸承上，左右兩端分別是左旋和右旋的絲杠怒竿，穿過(guò)中間砍鸠。當(dāng)2 個(gè)電動(dòng)機(jī)同向一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)扩氢，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)2 個(gè)電動(dòng)機(jī)逆向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)武帚，絲杠軸向移動(dòng)咆杯；當(dāng)2 個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)絲杠軸向運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)称海，這為解決旋轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)的迭加提供了簡(jiǎn)單而有效的方法终太。

圖5 SPINDASYN驅(qū)動(dòng)裝置

　　4 新刀具

　　（1） 刀具管理的優(yōu)化

　　在優(yōu)化制造技術(shù)的3 大目標(biāo)——成本、時(shí)間和質(zhì)量時(shí)脓甘，刀具的監(jiān)測(cè)和優(yōu)化在單件和批量生產(chǎn)中越來(lái)越重要辰丛。過(guò)去大多數(shù)企業(yè)主要關(guān)注的是過(guò)程優(yōu)化，減少加工時(shí)間和輔助時(shí)間以及采用自動(dòng)化裝置茅祠，并沒(méi)有考慮建立“刀具管理系統(tǒng)”向酝。直到最近才提出該領(lǐng)域的目標(biāo)：以挖掘和利用現(xiàn)在依然隱藏著的優(yōu)化潛能，去應(yīng)對(duì)越來(lái)越大的成本壓力舒跌。

　　集中管理和減少刀具數(shù)量的優(yōu)化策略盖疾，如通過(guò)減少刀具庫(kù)存、倉(cāng)儲(chǔ)費(fèi)和運(yùn)輸費(fèi)概丢，可大幅度降低刀具的費(fèi)用警沧；通過(guò)減少刀具更換次數(shù)和輔助時(shí)間，可進(jìn)一步縮短刀具的調(diào)整時(shí)間攻柠。此外球订，不同切削參數(shù)和加工工序的多樣性以及冷卻潤(rùn)滑設(shè)計(jì)的多樣性都應(yīng)統(tǒng)一到刀具的標(biāo)準(zhǔn)化上來(lái)，以簡(jiǎn)化工藝過(guò)程的設(shè)計(jì)瑰钮。

　　加工過(guò)程的準(zhǔn)備和編程扮演著重要的角色冒滩，在各工序的刀具選擇和加工策略中，可用相對(duì)簡(jiǎn)單的方式減少所用刀具的數(shù)量浪谴，由更多部件構(gòu)成的开睡、使用者可組裝的、模塊化的刀具以及按積木原則制造的刀具系統(tǒng)（見(jiàn)圖6）苟耻，該系統(tǒng)明顯減少了裝備和調(diào)整的時(shí)間士八，提高了靈活性。如果出現(xiàn)了刀刃破裂或者刀具碰撞梁呈，只要替換刀具的損壞部分就可以了。

圖6 模塊化結(jié)構(gòu)的刀具和夾緊系統(tǒng)

　　（2） 復(fù)合刀具

　　Baublies 公司推出一款鏜削和金剛石拋光的復(fù)合刀具蘸秘，用于連桿上的孔加工官卡，當(dāng)正向行程時(shí)，借助鏜桿上的鏜刀加工連桿上的內(nèi)孔僚洋；當(dāng)復(fù)合刀具反向退出時(shí)剥乍，利用對(duì)側(cè)的金剛石球面刀對(duì)已加工的表面拋光泊术，采用這種復(fù)合刀具既能夠保證內(nèi)孔加工時(shí)高的尺寸精度，又能夠獲得非常好的表面質(zhì)量斧炎。

　　（3） 金剛石刀具加工復(fù)合材料

　　在航空工業(yè)控制裝置的生產(chǎn)中沃菩，在切削碳纖維復(fù)合材料平板時(shí)，運(yùn)用P K D 刀具是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)铝寿。斯圖加特大學(xué)機(jī)床研究所的研究表明片迁，改變刀刃的幾何形狀可提高碳纖維平板的加工效率，如圖7( a ) 所示陷克。與常規(guī)的P K D 相比煞肠，采用C V D 涂層刀具可使切削力降低一半，如圖7(b)所示版幕。原因在于C V D 金剛石的毫微晶體的乏束、光滑的結(jié)構(gòu)使切屑分離更容易，因此減少了刀刃的磨損衔甲，這個(gè)特性對(duì)于表面質(zhì)量的提高產(chǎn)生了積極的影響糖埋。用于此類刀具的一種新型等離子聚焦法能快速刃磨金剛石層，使其切削性能更好窃这。

圖7 碳纖維復(fù)合材料加工參數(shù)

　　5 機(jī)床的外圍設(shè)備

　　（1） 模塊化的機(jī)器人系統(tǒng)

　　Hermle 公司推出R S － 2 模塊化機(jī)器人系統(tǒng)瞳别，作為五軸加工中心的外圍設(shè)備平臺(tái)，用于裝卸工件或交換托板钦听。該系統(tǒng)可根據(jù)客戶的個(gè)性化要求洒试，擴(kuò)展規(guī)模或增減功能朴上，與一臺(tái)或多臺(tái)加工中心連接垒棋，以提高其利用率。

　　R S -2 機(jī)器人系統(tǒng)與機(jī)床的配置方案之一（如圖8 所示）痪宰。該系統(tǒng)與工件庫(kù)配置在2 臺(tái)加工中心之間叼架，構(gòu)成一個(gè)柔性制造單元，機(jī)器人的夾抓可以自動(dòng)更換衣撬，以適應(yīng)不同尺寸乖订、形狀的工件和托板。此外具练，按照防護(hù)門(mén)上的設(shè)定乍构，該系統(tǒng)可由R S -2 機(jī)器人系統(tǒng)自動(dòng)裝卸工件，也可以手工操作喝壹。當(dāng)一臺(tái)加工中心由人工操作時(shí)仓近，另一臺(tái)機(jī)床仍然可以自動(dòng)運(yùn)行。

圖8 連接兩臺(tái)加工中心的哈默RS-2機(jī)器人系統(tǒng)

　　（2） 作為珍貴資源的金屬切屑

　　隨著工業(yè)化國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家過(guò)去幾年需求的增長(zhǎng)旱已，全球范圍內(nèi)出現(xiàn)了原材料的短缺肌蛮，使原材料和礦產(chǎn)品的價(jià)格屢創(chuàng)新高螺矮。在這個(gè)變化了的外界條件下，企業(yè)除了要推廣節(jié)能的制造方法外忍猛，還要對(duì)加工的廢棄物——金屬切屑進(jìn)行回收和再利用畅型，使它成為可觀的額外收入。

　　切屑是加工過(guò)程中不可避免的副產(chǎn)品掐股，為提高其回收效率乘澈，并盡可能多地挖掘金屬切屑的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，金屬切削加工車間越來(lái)越多地安裝了切屑?jí)簤K設(shè)備卖织。最理想的情況是嘴缓，加工中心直接和壓塊設(shè)備連在一起，它的生產(chǎn)能力和加工中心切下的金屬切屑數(shù)量相適應(yīng)萤晴，這樣吐句，切屑會(huì)通過(guò)現(xiàn)有的螺旋排屑裝置從加工中心直接輸送至壓塊設(shè)備的壓縮缸中，并加以壓縮店读。切屑的壓縮比平均為20:1嗦枢，部分金屬切屑的壓縮比甚至可以達(dá)到50:1，壓塊設(shè)備的生產(chǎn)能力從95kg/h 到3000kg/h 以上屯断。

　　通過(guò)壓縮減少金屬切屑的存儲(chǔ)空間只是壓塊設(shè)備的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)之一文虏。更多的經(jīng)濟(jì)效益來(lái)自通過(guò)切屑體積的壓縮，再熔化時(shí)的能耗率較小殖演。因此氧秘，通過(guò)材料損失的減少和壓塊銷售價(jià)格的增加，回收率提高10％是可能的趴久。此外丸相，通過(guò)切屑?jí)嚎s，大部分切削液可以回收并送回到切削液循環(huán)中彼棍，減少了切削液的耗費(fèi)灭忠。

　　加工工藝的發(fā)展

　　1 微量潤(rùn)滑及潤(rùn)滑液用量最優(yōu)化

　　微量潤(rùn)滑加工可以替代目前仍在使用的普通切削液加工，即在加工過(guò)程中使用最少量的潤(rùn)滑劑，從而實(shí)現(xiàn)液體廢棄物的零排放。由于新涂層刀具的發(fā)展和微粒硬質(zhì)合金的改進(jìn)医惠，借助微量潤(rùn)滑還可以保證諸如螺旋深孔鉆等加工工藝達(dá)到最佳的形位公差。

　　實(shí)踐證明耘昙，微量潤(rùn)滑加工的效果取決于氣霧劑最佳的供給量，如果啟動(dòng)時(shí)間很長(zhǎng)，或者更確切地說(shuō)，潤(rùn)滑劑供給不完善將會(huì)導(dǎo)致某些致命的后果权塑，例如加工質(zhì)量不高，刀具過(guò)早磨損，或者刀具斷裂托茅；與之相反，過(guò)量的潤(rùn)滑劑會(huì)導(dǎo)致成本升高以及附加的清理費(fèi)用晋劫。專業(yè)測(cè)量設(shè)備的發(fā)展使我們可以在刀具頂端簡(jiǎn)單而迅速地測(cè)量出潤(rùn)滑劑的用量和響應(yīng)時(shí)間层焚。

　　2 混合加工方法

　　（1）超聲波銑削

　　幾年前，混合加工方法在工業(yè)生產(chǎn)中就開(kāi)始獲得應(yīng)用怎机，并表現(xiàn)出很大的優(yōu)點(diǎn)岸腔，特別是超聲波作為輔助能源應(yīng)用于銑削和磨削過(guò)程，可以大幅度降低切削力仲闽，提高進(jìn)給速度脑溢，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

　　DMG公司推出的Utrasonic 35/50 是混合加工機(jī)床的代表赖欣。超聲波發(fā)射系統(tǒng)以新開(kāi)發(fā)的HSK 63 S 刀柄為基礎(chǔ)屑彻，實(shí)現(xiàn)了在一臺(tái)機(jī)床上進(jìn)行超聲振動(dòng)加工和傳統(tǒng)切削加工，見(jiàn)圖9顶吮。

圖9 超聲波加工的激勵(lì)系統(tǒng)

　　從圖中可見(jiàn)社牲，在主軸頭下部安裝有感應(yīng)線圈，同時(shí)在H S K 63 S 刀柄上有作為接收器的線圈架悴了，感應(yīng)線圈發(fā)出17.5 ～ 30k H z 的超聲波傳給刀柄搏恤，這種高頻激勵(lì)使刀具產(chǎn)生有效的振動(dòng)，導(dǎo)致金剛石刀具以高達(dá)每秒30000 次的頻率沖擊工件表面湃交，從而獲得良好的加工效果熟空。

　　這種HSK 63 S 刀柄與傳統(tǒng)刀柄一樣是可更換的，使得在數(shù)控編程中除了使用超聲波加工外搞莺，還可以使用標(biāo)準(zhǔn)刀具進(jìn)行切削加工息罗。

　　斯圖加特大學(xué)機(jī)床研究所對(duì)鉆孔過(guò)程（深孔鉆）和銑削過(guò)程與超聲波技術(shù)的結(jié)合進(jìn)行了研究，主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楦采w磨削奸桃、鉆削音拢、銑削工藝的加工中心。這些方法特別適用于加工脆硬性材料葬陡，以及新型材料（陶瓷丈蛇、硬質(zhì)金屬、復(fù)合材料等）阁巨。用超聲波技術(shù)來(lái)支持切削加工的進(jìn)一步發(fā)展與機(jī)床的技術(shù)進(jìn)步有密切關(guān)系抬宽。例如，現(xiàn)今廣泛使用的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心促使直線電動(dòng)機(jī)和力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)與先進(jìn)制造技術(shù)相接軌岸寿。

　∠跗А（2）電解銅E - C u57 的加工

　　利用新工藝替代現(xiàn)有的傳統(tǒng)工藝是工藝發(fā)展的重要方面。通過(guò)優(yōu)化以及混合加工工藝践斟，如采用超聲波對(duì)現(xiàn)今不能或者很難切削的材料進(jìn)行加工毕沫，效果比現(xiàn)有加工過(guò)程提高了許多倍抵师。

　　在電解銅E - C u57 的深孔鉆削過(guò)程中，由于需要考慮熱傳導(dǎo)嫂焕，在實(shí)踐中不得不采用非常低的進(jìn)給量坤学。但是對(duì)于高延展性的材料來(lái)說(shuō)，在低進(jìn)給量單刃鉆削時(shí)报慕，易形成不利于切削的長(zhǎng)條狀切屑深浮，如圖10(a) 所示。

圖10 電解銅的深孔鉆削切屑

　　斯圖加特大學(xué)機(jī)床研究所研發(fā)了一種“勵(lì)激器系統(tǒng)（Aktorsystems）”眠冈，如圖11 所示飞苇。該系統(tǒng)將超聲的軸向振動(dòng)與深孔鉆削過(guò)程迭加，有利于細(xì)小切屑的形成蜗顽，如圖10( b ) 所示布卡。研究給出了超聲振動(dòng)的振幅、切削速度和進(jìn)給量的最佳取值范圍诫舅，它能保證得出一個(gè)相對(duì)于常規(guī)加工更好的加工結(jié)果羽利，并能使加工過(guò)程更加安全。

圖11 超聲波深孔鉆削裝置

　　加工過(guò)程仿真刊懈、過(guò)程監(jiān)控和診斷

　　1 加工過(guò)程仿真

　　在現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)中这弧，加工過(guò)程仿真越來(lái)越成為節(jié)約成本和時(shí)間的重要措施，因?yàn)榻柚抡婵梢詢?yōu)化加工過(guò)程虚汛，避免干涉匾浪，防止失誤。它以很少的代價(jià)在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)原始經(jīng)驗(yàn)平臺(tái)加工過(guò)程的知識(shí)珊辛。加工過(guò)程仿真是建立在各種各樣的切削模型基礎(chǔ)之上的蚜烹，總體來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的切削過(guò)程模型可分為以下四大類：
?經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?br>?分析模型障渡；
?數(shù)字模型报案；
?人工智能模型。

　「莅馈（1） 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪亲钤绫谎兄瞥鰜?lái)的切削過(guò)程模型抚揖，直至今日，仍然是最為廣泛使用的模型接骄。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且栽囼?yàn)為基礎(chǔ)的瓢宝，模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，花費(fèi)代價(jià)相對(duì)較低锈犯，可應(yīng)用于研究的最初階段和不同的加工工藝语验。試驗(yàn)切削模型的結(jié)構(gòu)通常是切削力和其它參數(shù)的組合，其它參數(shù)主要是指被切削層橫截面上的尺寸。這個(gè)組合計(jì)算的表達(dá)式可以是線性公式或指數(shù)公式澜驮，這些公式都包含了一個(gè)比例系數(shù)陷揪，這個(gè)比例系數(shù)描述了被加工的材料和加工條件。不言而喻的是杂穷，這樣一個(gè)簡(jiǎn)單系數(shù)是模型的重大缺陷鹅龄，它會(huì)造成適用范圍有限和重復(fù)精度較差，這就限制了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诩庸み^(guò)程仿真中的使用亭畜，尤其是機(jī)床和加工過(guò)程相互作用的模型化。

　∮薄（2）分析模型是個(gè)剪切面垂直切削力的模型拴鸵，它的主要思想是切削過(guò)程的整體模型化∥仙Γ基于這種模型的大部分成功案例都是參照最大切應(yīng)力和最低能源消耗原則建立的劲藐。分析模型可以確定剪切面和剪切角的作用位置以及相應(yīng)的切削力。現(xiàn)有的分析模型可以保證加工過(guò)程與機(jī)床同時(shí)仿真的成功應(yīng)用樟凄。

　∑肝摺（3）數(shù)字模型是在20 世紀(jì)90年代研發(fā)的數(shù)字計(jì)算和仿真方法以及相關(guān)的應(yīng)用軟件，借助計(jì)算機(jī)的數(shù)字計(jì)算方法缝龄，它對(duì)切削過(guò)程模型化有著深遠(yuǎn)的影響磁揽。一些商品化的軟件，DeformAdvantEdge林没、Abaqus等都提供了的有限元分析方法伺亭。

　　（4）在物理和化學(xué)領(lǐng)域婶苦，大約20年前呀埠，就已經(jīng)借助分子動(dòng)力法（離散元法，D E M）對(duì)諸如氣體吴位、流體颠请、分子，或者載流子等系統(tǒng)進(jìn)行研究嚣刺。這些系統(tǒng)由非常多的顆粒組成誉倦，它們之間產(chǎn)生的相互作用可以是吸引力或者排斥力。對(duì)于由許多顆粒組成的大系統(tǒng)字钓，像在分子運(yùn)動(dòng)中觀察到的一
樣携帘，系統(tǒng)動(dòng)力行為的研究成果也提出一些有效的分析方法。在過(guò)去的幾年中姊象，借助分子動(dòng)力學(xué)對(duì)切削過(guò)程仿真進(jìn)行了一些嘗試旨椒。這些方法現(xiàn)在可以成功地應(yīng)用于微切削過(guò)程的仿真或者顆粒組成材料的切削仿真。

　　2 過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)

　　（1）高精度的氣動(dòng)位置監(jiān)控综慎。在高度自動(dòng)化的大量生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行工件自動(dòng)安裝涣仿、定位和加工時(shí)，加工質(zhì)量在很大程度上取決于被加工零件的可靠和精確定位示惊。因此好港，工件安裝位置監(jiān)控是非常必要的。德國(guó)Rexroth Bosch 公司推出了氣動(dòng)位置監(jiān)控系統(tǒng)MS01米罚。該系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)钧汹，根據(jù)用戶要求和被加工工件形狀及尺寸配置測(cè)量點(diǎn)數(shù)，用于監(jiān)控待加工位置是否有工件录择、工件的形狀和大小以及安裝是否正確拔莱，然后才發(fā)出可以加工的信號(hào)，系統(tǒng)外觀（如圖12 所示）隘竭。

圖12 MS01位置監(jiān)控系統(tǒng)

　　系統(tǒng)借助傳感器噴嘴的空氣流塘秦，通過(guò)對(duì)測(cè)試對(duì)象的非接觸式采樣，然后對(duì)形成的回流壓力進(jìn)行評(píng)價(jià)劲吐，確定被測(cè)對(duì)象的出現(xiàn)與否钩厕、位置、形狀或者大小拣九。氣壓轉(zhuǎn)換為模擬量和開(kāi)關(guān)量電信號(hào)輸入到機(jī)床或自動(dòng)線的控制系統(tǒng)舌恒，錯(cuò)誤的工件或者定位不當(dāng)就會(huì)報(bào)警并加以更換或重新安裝。

　　（2）刀具夾緊監(jiān)控

　　Micro Epsilon公司推出了一種名為夾緊控制的監(jiān)控裝置（如圖13 所示）耐叽，它用于在機(jī)床上監(jiān)控自動(dòng)換刀的刀柄位置蟀蛆，借助非接觸式感應(yīng)傳感器可檢測(cè)刀具是否插入、位置是否正確录抖，直至刀柄中是否有鐵屑存在男沛。

圖13 用于拉緊行程監(jiān)控的傳感器

　　到目前為止，用于刀具夾緊位置的監(jiān)控措施主要是機(jī)械微動(dòng)開(kāi)關(guān)两候，它僅提供了一個(gè)二進(jìn)制的開(kāi)關(guān)信號(hào)滞泣，且需要昂貴的校準(zhǔn)和調(diào)整費(fèi)用。這個(gè)新的傳感器直接與拉緊連桿的行程相關(guān)媳阴，提供一個(gè)與行程成比例的模擬信號(hào)奋屠，使連續(xù)的在線監(jiān)
控功能得以實(shí)現(xiàn)。

　　（3）根據(jù)溫度狀態(tài)進(jìn)行維護(hù)

　　現(xiàn)代機(jī)床是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)窃爷，由許多機(jī)械零部件邑蒋、電子器件以及氣動(dòng)或液壓輔助裝置組成，任何組件的失靈都會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓按厘，因此医吊，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障前兆并進(jìn)行必要的維護(hù)顯得越來(lái)越重要钱慢。

　　機(jī)床系統(tǒng)中眾多的電子、液壓和機(jī)械部件在運(yùn)行中都會(huì)產(chǎn)生熱量卿堂。將散發(fā)熱量的現(xiàn)象加以充分利用束莫，就可以監(jiān)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)，提示是否需要進(jìn)行維護(hù)草描。除了機(jī)械零件的發(fā)熱可加以監(jiān)控外览绿，電氣組件也同樣可被監(jiān)控，特別是在難以接觸到的位置超載穗慕，例如軸承饿敲、滾珠絲杠和導(dǎo)軌，都可以借助這種方法來(lái)監(jiān)控逛绵。錯(cuò)誤的電纜電路诀蓉、松脫的電纜連接或者在隱蔽處的接觸電阻，借助熱監(jiān)控也都可能被檢測(cè)出來(lái)竖枚。

　　將傳統(tǒng)溫度攝像記錄儀進(jìn)行擴(kuò)展，增加一些附屬組件（如可旋轉(zhuǎn)的鏡頭眠荒、圖像處理軟件）路棍，就成為新型溫度記錄和監(jiān)控系統(tǒng)。斯圖加特大學(xué)機(jī)床研究所正在與其它研究所合作薄称，承擔(dān)了“基于自動(dòng)化狀態(tài)觀測(cè)的預(yù)防性維護(hù)”項(xiàng)目攀叼，借助熱像儀以試驗(yàn)方式對(duì)在機(jī)床中產(chǎn)生的熱現(xiàn)象進(jìn)行了研究。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　機(jī)床是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)丐忠。機(jī)床的創(chuàng)新離不開(kāi)新結(jié)構(gòu)要嘿、新材料、新的功能部件坦推、新刀具和新的外圍設(shè)備或腔。加工工藝的發(fā)展以及加工過(guò)程的仿真和監(jiān)控也日益受到重視。

（U.Heisel）

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