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新理念催生新结构
作者:管理员    发布于:2021-03-25 08:58:19    文字:【】【】【】浏览 (159)
摘要:自上世纪90年代以来,机床出现了许多新结构,其中绝大多数没有知识产权问题,也即没有专利的约束。

       自上世纪90年代以来,机床出现了许多新结构,其中绝大多数没有知识产权问题,也即没有专利的约束。在需要时,任何人均可采用。每一种结构均来自新的理念,只有了解这些新理念,才好正确地采用这些新结构。本文就IMTS2006所见,对一些新结构及其新理念作些介绍。

1.      框中框(Box in Box)结构

                  (图 1  框中框结构 )

框2(滑座)在框1(固定的立柱)中作水平方向运动,主轴部件在框2中作垂直方向运动,故称框中框结构。它是上世纪90年代中期,日本一家不太知名的企业发明的。其背后的理念是:

(1)    在大批量生产中,组合机床虽有高生产率,但柔性极差,不能适应产品多样化和更新换代加快的要求,而加工中心柔性极好,但生产率低。为此,新的理念是:以单(主)轴加工中心的快速坐标定位顺序加工挑战组合机床的多(主)轴同时加工。于是1993年诞生了世界上第一台用于大批量生产的快速定位(空行程)达90m/min的高速加工中心。

(2)    由于机床上定位行程一般较短,高速定位的加速度必须很大,至少要在1g (g是重力加速度,1g=9.8m/sec2)以上。要达到这么大的加速度,要么大幅度增加驱动力(增加伺服电机扭矩或直线电机推力),要么减少移动部件的质量,以后者较为经济。

(3)    在大批量生产中,为了便于自动上下料或自动传送的安排,希望X.Y,Z轴运动尽可能集中在刀具(主轴)侧,工件位置不动或少动(即只有1个轴的运动)。

 框中框结构是以质量较小的滑座移动替代极为笨重的立柱移动(见图2)符合上述(2),(3)的要求。

                    (图2   笨重的立柱移动)

当前,原本用于高速的框中框结构也应用于较低快速的机床和小型机床。这是利用其较易得到高加,减速度的优势。一方面使得在较短的行程时也可得到较高的快速(如50m/min),另一方面可获得较高的插补精度。如日本森精机已应用于车铣中心(见图3)和紧凑型可重构生产线中的模块(见图 12  )。

                     (图3  车铣中心的框中框结构)

此外,框中框还可以应用于水平面,如图4所示,除X.Y轴易于达到50m/mim快速外,还可使Z轴部件不悬伸,即加工时不承受弯矩造成的变形。

                  (图4  森精机NMV系列机床水平平面的框中框)

2.      重心驱动(Driven at the Center of Gravity, 简称DCG)结构

这是日本森精机公司推出,命名的结构,称之为近15年来高速,高精加工的重大突破。

                   (图5   重心驱动结构)

图5所示机床的Z轴和Y轴运动就是重心驱动的。双丝杠中心线的连线平面通过被驱动构件的重心,这样,双丝杠驱动力的合力就通过重心,成为通过重心的驱动,即重心驱动。它必须是

(1)双丝杠驱动;

    (2)双丝杠中心相对重心是对称的;

    (3)丝杠中心连线平面一般高于导轨平面(指图5中的Y轴驱动)。

因为驱动合力通过重心,就消除了不通过重心时产生的颠复力矩(大小等于驱动力乘以驱动合力作用点与重心间在垂直平面内的距离)或/和扭摆力矩(大小等于驱动力乘以驱动合力作用点与重心在水平面内距离)。结果是大幅度地减少了振动(见图6,表示两种驱动振幅相差从5。2倍到139倍),实现平稳运动。

                (图6  重心驱动的减振效果)

振动不仅影响加工表面质量和刀具寿命,在数控条件下,在位置检测时,还会被误解为位置指令的误差来加以纠正而加剧了振动或产生震荡;为了避免震荡,不得不调低系统敏感度(减少增益)。这样会忽略微小误差,而影响精度,特别是插补精度。此外,为了避免振动大和保证精度,不得不降低进给速度,这样又增加了加工时间。总之,重心驱动可提高加工精度,插补精度,改善加工表面质量,提高刀具寿命和减少加工时间。

在这里,笔者想说明以下几点:

(1)    与框中框结构的区别。

    框中框的框1 虽是双丝杠驱动,但不一定通过框2 的重心(见图1 ),框2 可以不是双丝杠驱动,请见图7,即两者不是一码事。

                     (图7  框2 为单丝杠驱动 )

(2)    双丝杠驱动早于重心驱动。

重心驱动的最大特点是双丝杠驱动,而在上世纪90年代中期,双丝杠驱动就有了。当时出现的框中框结构,水平方向(X轴)驱动必须是双丝杠驱动,因为主轴部件要在框2 内作垂直运动。这样,就不可能采用传统的单丝杠居中的驱动。

    其次,在1993年直线电机第一次应用于机床之后,滚珠丝杠也要进入高速领域挑战直线电机。于是很块研制成功了高速滚珠丝杠,但是速度上去了,加速度上不去,这是因为滚珠丝杠的传动刚度极差。为此,当时日本好几家公司采用了双丝杠驱动来增加传动刚度。由此研制出多台可与直线电机驱动较量的高速加工中心。不过当时的双丝杠是对称地置于工作台的下方。差不多经历了十余年,到2003年,森精机将双丝杠外置和高出导轨平面,推出了重心驱动。

    从框中框到双丝杠下置到双丝杠平置即重心驱动,从继承到创新,森精机作出了一个典型范例。

    森精机认为重心驱动的优势是减少振动。似乎还可补充一点,就是重心驱动提高了传动刚度。传动刚度对得到高加,减速度极为重要。而高加,减速度对获得较高的定位精度和插补精度又至关重要。图8为直线电机与单丝杠驱动插补精度的对比。直线电机的传动刚度远大于单丝杠,因而能达到前所未有的插补精度。

                      (图8  传动刚度对插补精度的影响)

(3)    直线电机前途何在?

          (图9  重心驱动与直线电机,非重心驱动产生的振幅的对比)

从图9 中可以看出重心驱动产生的振幅远远小于(相差5。2--129倍)直线电机驱动,而且直线电机与非重心驱动在产生振动方面处于基本同一个水平。鉴于振动对精度,表面质量等的影响,森精机对1993年以来高速(指高快速)加工的评价是:高速带来加工时间的减少,却牺牲了高精度和高表面质量。而当前总的趋势是既要高精又要高速,这样,不可兼得的直线电机前途自然堪忧。

此外,直线电机有交流感应和直流永磁两种可选,而直流永磁在动态特性方面优于交流感应。但直流永磁的永久磁钢在装配时很不方便(周围到处是钢铁类磁性材料),此外,电机推力大小取决于磁场强度和电流密度。据一家日本公司的计算,满足足够推力时的磁场强度,在直线电机动子和定子平置时,导轨受到的磁场吸力之大有时足以将滚珠导轨的滚珠压碎。若将电机动子和定子改为竖置,即将动子—永久磁钢置于中间,将定子—线圈分置于两侧,此时压碎滚珠的问题没有了,但由于竖置,在床身中部要占有较大的空间,降低了床身构件的刚度。再加上价格昂贵等因素,使得直线电机相对于重心驱动似乎不再是最佳的选择。

除非图9的数据不典型或不正确,或者使用直线电机时也能实现重心驱动(事实上难以做到),则直线电机在要求高精,高表面质量的高速加工中心应用才可能有较好前景。

当然在传动刚度方面,重心驱动远不及直线电机。在插补精度要求更高和对加速度要求更大时,似乎仍得选择直线电机。

目前缺乏重心驱动与直线电机在插补精度方面,类似图8那样的对比数据。

(4)    在有些条件下很难严格做到重心驱动。

例如滑座的驱动,它上面有互成垂直方向运动的工作台,工作台上还装夹有质量大小变化的工件。这样,重心位置升高且是变化的,驱动合力难以通过重心。不过,对减振和提高传动刚度仍有效果。

(5)    双丝杠驱动必须严格同步,必须消除滚珠丝杠反向间隙且能长久保持。由于双丝杠的误差难以完全一致,可能还要进行软件校正。

(6)    森精机在同一台机床上,对宽度较窄的驱动件有时仍是单丝杠中央或是偏置驱动。

(7)    美国,德国,瑞士等一些公司及日本其他公司机床也已采用了重心驱动。

(8)    美国Fadal公司新的VMC系列加工中心,采用了德国Steinmeyer公司ETA+型滚珠丝杠,据称该新型滚珠丝杠在外形尺寸不变的情况下,刚度提高了50%,摩擦力矩减少67%,不知其奥妙何在,可能在滚珠丝杠支承方面加了措施。但在提高传动刚度方面仍不及重心驱动。

3.      传统蜗轮蜗杆的替代结构

传统蜗轮蜗杆结构起着大幅度减速和改变传动轴方向(不同轴平面正交)的作用。在数控机床上,它的最大问题不是传动效率低,而是反向间隙问题。尽管有多种消隙的结构,但均无法保证长期可靠的消除。新出现两类替代结构:

(1)    电气的,即力矩电机驱动。

 优点:

A.   实现直接驱动,具有较大的传动刚度,绝对没有反向间隙,结构简化,紧凑。

B.    既可低速(如插补运动),又可高速(如分度以及在复合加工时兼作车削主轴)

缺点:

A.  价格特别高昂。这是因为电机的低速且匀速和大扭矩带来位置和速度检测传感器(码盘)和控制驱动电路设计制造成本大幅上升。森精机采取自制力矩电机的方法来降低成本。

B 堵转扭矩,即静态刚度在较小尺寸时不够大,有时需增加瞬时夹紧,松开机构。

C. 兼作车削主轴时转速难以升高,一般为每分钟几百转。

(2)    机械的,即在日本出现的滚柱齿轮传动(Roller Gear Drive)。它是“精密间歇机械

 凸轮驱动分度器)机构(图10)的延伸。

           (图10   精密间歇机械凸轮驱动分度器)

           (图11   零间隙滚柱齿轮传动)

           (图 12   分度用滚柱齿轮传动)

A. 零间隙滚柱齿轮传动(图 11 )

应用于数控的插补运动。当作车削用主轴时,可用离合器脱开,从另一条途径高速传动。

a.       实质是负间隙传动或过盈传动;只有滚动摩擦时才能做到,如同用双螺母消除间隙的滚珠丝杠传动;实施预紧的成对滚珠轴承运转等。只要过盈量选择合适,可以做到“终身“或很长时间正反转时无任何间隙。此时啮合系数应大于1,还可使用包络蜗杆。

b.      缺点是发热和驱动力矩增加,不过增加有限,大多数情况下可以承受。

c.       蜗杆的齿形,只需用与其啮合的滚柱直径相同的立铣刀,按照传动速比的展成运动(可用数控或伺服电机电子齿轮方法)直接从淬硬的圆柱体上铣出,不再需要磨削。传统的蜗轮的齿形,就是采用与之啮合的蜗杆形状完全一致的滚刀按传统速比展成切削出来的。上述蜗杆齿形加工只是传统蜗轮加工原理的反向运用。当然,也可运用现代CAD 的三维模型展成运动得到蜗杆的齿形,似乎这一步可省去。

B.分度滚柱齿轮传动(图 11 )

应用于如数控车床刀盘的回转分度类的分度运动。此时重要的是分度定位的重复一致性,而不是分度的绝对精度。重复一致性是靠带导向锥度的定位销与定位孔的配合保证的。正反向有否间隙已不重要。因此希望传动带有一定间隙,如果零间隙会妨碍定位销的精确定位,若间隙过大,超出导向锥度作用范围,将使精确定位运动失效。滚柱齿轮传动的滚动摩擦可实现高速分度运动,且使用寿命远大于传统的蜗轮蜗杆传动。

此时,可用直径大于滚子直径的立铣刀,按传动速比展成加工蜗杆。催生滚柱齿轮传动的理念是以滚动摩擦替代滑动摩擦,采用无内,外环的滚针轴承的滚针来实现滚柱的滚动摩擦。如同用滚珠丝杠替代滑动丝杠一样,是机械传动领域里一项重大突破。一般只适宜于插补和分度运动。制造滚柱齿轮含有大量精密手工装配工作量,比传统蜗轮制造困难得多,因而成本大幅上升。

4.      紧凑型可重构生产线及其构成模块

这是日本多家公司推出的用于解决汽车等大批量生产行业加工小型复杂件的新的解决方案。

                  (图 12   紧凑型可重构生产线的三种模块)

它是用多台三种模块来组成生产线。这三种模块实质是微型的立式加工中心,卧式加工中心和立式车削中心,如图12 所示。以森精机的产品为例(下同),机床宽度只有680mm(含刀库为800mm),所以说它是“微型”或“紧凑型”,目的是为了节省生产线的面积。而且这三种模块的宽度是严格一致的,长度基本一致为2130mm左右,即所需占地面积是一样的,也即位置上可以互换,置换时不会改变生产线的长度。这样,生产线易于重构,故称为“可重构”。三种模块工作台(车削中心为卡盘主轴中心线)均是固定的(即三轴运动均在主轴侧,如同以前的三轴单元{3-axis unit}),且离地面的高度严格一致,顶面,前面,侧面的空间开放,这些都是为了便于安排工件的自动传送。

                (图13  紧凑型可重构生产线加工的典型工件)

这种生产线的加工对象是如图13所示的汽车行业等大批量生产的小型复杂件。当前这些零件一般是用专用机床加工,据称,创新这种生产线的目的是用工序分散的生产线替代那些工序高度集中的专用机床。新的理念是:

A.     在生产率和占地面积上,这种生产线很有可能不及专用机床。但今日已是技术飞速进步,用户需求多样化的时代,因而零件的设计更改频繁。一旦设计更改,专用机床需停产调整,甚至需要推倒重来。而这种生产线柔性很大且可重构,可以快速适应工件设计的频繁更改。

B.     专用机床设计制造难度大,周期长,因而造价高,价格昂贵。而这种生产线三种模块间通用化程度大,设计制造难度小,周期短,价格低廉。

此外,这三种模块还有一个特点,就是刀库容量很小,一般为8-10把刀。意味着它存心只用于工序分散的生产线。也许读者会提出这样的问题:加工中心本身是工序高度集中的机床,为什么在大批量生产中,有时也作工序分散的应用?本系列文章的“IMTS观后感之二”(请见文中有关“并联”和“串联”的叙述),已对此作了分析,这里就不重复了。

森精机在这类模块中也使用了框中框和重心驱动(图 14 ),因而快速可高达50m/min,各种加速均在1g以上,最高的达3.5g.据称,机床虽单薄,但震动极小。

             (图14   模块的框中框和重心驱动)

本文最后请读者注意,在进行新结构设计时,千万不要忽略采用有限元方法对结构的静刚度,动刚度和热变形作分析计算,做到在图纸阶段就可以心中有数,并尽可能改进到最佳。有限元的软件,很多高校,研究所均拥有,可向他们寻求支援。

 

周总:您好!

电邮来的文章和照片都收到,谢谢!

初步拜读,收获不小。还需要仔细地研究,推敲,文中讨论的几个新的有关机床设计的理念,非常重要,需要引起关注和重视,否则,千亿体育网址wx17 com的机床工业又被远远地落后了一大段距离,还不知道是怎么回事情。

初步有一点建议,就是由于滚珠丝杠本身的误差,双段驱动时调整比较困难,如果仅仅依靠数控系统来补偿,实际也就是降低控制精度或者速度。如果在两根导轨端加上光栅尺闭环(现在已经有这样的商品),这个问题就比较容易处理了,因为两根光栅尺之间的误差应该属于微米级别,而两根滚珠丝杠之间的误差怎么也在丝的级别,两者相差大约一个数量级。

最近,千亿体育网址wx17 com与沈阳机床集团的合作有了较大进展。千亿体育网址wx17 com约定,花大约三个月的时间,由千亿体育网址wx17 com提供数控系统和性能指标以及加工案例、加工程序,沈阳机床集团提供五轴联动的机床和电机等,来验证千亿体育网址wx17 com的系统。打算作两个计较,首先与国内愿意提供五轴联动系统的厂家比较,包括华中数控、大连大森数控、大连光洋数控、沈阳蓝天数控等,然后在与国际上的品牌数控系统作比较,首先是西门子数控(840D),法那克(16i和30i)、海德海因(530i)等最新的系统。千亿体育网址wx17 com已经将千亿体育网址wx17 com收集到的西门子840D的有关五轴联动系统的全部技术要求提供给了沈阳机床集团。

再叙                            祝

身体健康!

                                  陆启建 07.05.10 南京

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