發展可重構的機床值得重視

沈福金 編譯

發展可重構的機床值得重視

The im portance to develope reconfigurative machine tool

沈福金 編譯

隨著產品的個性化要求越來越強烈，產品品種發展加快，產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。出于這些實際原因，機床用戶向機床制造商提出了這樣的愿望，即現在購買的機床如能靈活地適應將來所有的加工要求該多好啊！機床用戶企業這樣的愿望和設想引起了機床業界的高度關注和重視。美國學者首先在這方面進行了研究，并在美國密歇根大學進行了比較系統的研究，提出了機床和生產系統重構的概念。本刊曾在2006年第2期以 “生產系統的新發展－－可重構的生產系統”為題，介紹了美國的研究情況和取得的研究成果。近來德國卡斯魯爾研究中心又在這方面進行了實用性研究，開展了題為 “面向多工藝的可重構機床”的研究，開發并試驗了機床重構的各種不同的方法和輔助手段。其基本思想是可購買沒有柔性的機床，然后在需要時，再改造成適合新的加工要求的機床。這樣的機床總是能準確而最佳地適合所加工的產品，幾年后產品有了變化，再進行機床重構。這個方案的好處是不考慮柔性成本，也沒有冗余功能，有利于降低機床價格。

為了實現機床重構，機床必須配備相應的接口，能使整套加工模塊或坐標軸實現互換。這樣，在現實的機床方案上就能實現工藝轉換，如從銑削換成磨削，或者更換一個帶附加擺動軸和直線軸的加工模塊。可是，這種更換或改裝，一般要停機好幾個星期。而將來，可重構的機床模塊考慮了統一接口后，這樣的工藝轉換可以直接在用戶車間里進行，最好情況下，一天即可完成。相應的工藝模塊和坐標軸模塊必須在制造廠安裝、調試好，然后通過機床上已有的準確的機械接口換入需要的工藝模塊。

可見，要實現機床可重構，統一的機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，盡量使模塊可長期交換使用和標準化。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，模塊之間建立了機械連接。這是一種可靠的廉價的連接方案。但在交換模塊時總要反復測量和調整，因此，不可能實現快速交換模塊。基于HSK刀夾原理，新開發的一種結構緊湊、剛性好的所謂 “靜態接口，具有很大的拉緊力，既可以液壓夾緊，也可手動夾緊 （圖1）。如果一個加工模塊要裝入機床很緊湊的加工空間，接口夾套的定心錐只需移入4mm，用手動夾緊時，螺絲鉗只要轉很少幾轉，然后緊接著在嚙合斜面上平行向外壓緊，并完成插入過程，夾緊模塊以規定的夾緊方式自鎖地夾緊，并按形狀補充定心，保持平面壓緊。

Schuster Praezision公司在其F40型機床的基礎上開發的演示項目是作為多工藝集成機床設計的，在一臺機床上能同時集成很多不同的加工工藝，為機床配置提供3種機械接口的夾緊方式，圖2表示可能的配置。

為了能加工復雜部件，常常必須綜合應用很多不同工藝，這就要通過許多設備的鏈接來實現。工件既可以直接從一臺機床送到另一臺機床，也可以人工通過緩沖裝置與機床相互連接。圖3表示完整加工一個載重卡車的法蘭半軸的配置情況。在第一臺機床上依次裝卡加工法蘭半軸的兩端，此處要確保于第二臺機床上加工的夾緊套定心移動距離相互精確一致。然后在頂尖間加工外形輪廓和軸承座。為了避免加工細長零件的形狀偏差和抑制影響刀具壽命及表面加工質量的零件振動，在Z3軸上加裝了一個液壓雙中心架支撐著法蘭半軸。

這個例子表明，用相同的機床平臺進行不同的配置，能夠完成完全不同的加工任務。因為所有使用的工藝模塊都規定了相同的靜態接口尺寸，模塊可以靈活地進行連接。各個模塊的電功率大致相同。這就是說，因為功率模塊、控制模塊和電纜組對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。

在縮短輔助時間和盡可能應用多種工藝方面，快速換刀是重要因素。正因為一個工件要用多次換刀加工，才表明優化換刀的巨大潛力。現在用標準的HSK系統的換刀技術主要受到刀具的重量、刀具的尺寸以及機械控制軸能達到的速度和加速度的限制。在研究項目中走了另一條減少換刀時間的途徑，即交換的不是整個刀具，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HFS（Head Fitting System），可以通過規定的錐度，只交換刀具的切削元件，而HFS仍留在刀具主軸里。所以，換刀時運動的質量能從千克減少到克數量級以內。為了節約時間，除了減輕重量外，各個交換步驟必須平行進行。能平行進行的運動和操作越多，刀頭的更換就越快。發展的目標是，借助于這種新的交換器方案，使切屑至切屑的換刀時間達到1秒以內。

特別要開發小型的刀頭抓取和夾持裝置 （圖5），它引用了HSK卡爪槽結構，并且HFS頭的下部必須與Ott－Jakob公司開發的自動夾緊系統相匹配，通過這些，使頭部自動夾緊和松開。還有一點也很重要，雖然夾持過程是安全可靠的，但在抓取區域內應盡可能沒有多余的介質。此外，取消多余的傳感器信號也能加快交換過程。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。因為在這個方案中，如果交換器位于切削區內，它必須用昂貴的防護罩防護，以保持沒有切屑，這種防護罩還必須以很高的速度打開和關閉。這個問題的解決是通過在加工位置的上面安置交換裝置實現的。在加工期間，卡爪分選刀具并預先定位，這對節省交換時間有利。在換刀過程開始時，卡爪正好與防護罩打開前定好位。這樣，換刀路徑盡可能短，換刀時間就降下來了。圖6表示換刀器在機床上的定位，在機床上的位置情況如圖7所示。

機床的重構改善了機床的經濟性，延長了使用壽命，是非常值得關注的發展趨勢。此外，機床重構能響應最新的工藝技術的發展，因為新成果同樣可以通過接口技術集成到機床上。下面舉一個機床經濟性的例子，用MAG Powertrain公司的XG242型機床作為參照機床來研究，傳統機床與最佳化重構的機床進行比較。使用了15年，并重構了3次 （工藝由銑削換成磨削到報廢，并加上不同的坐標軸），表明新機床方案除了購置成本低外，使用壽命提高20%，機床重構的優越性在此表現得很突出，機床總是運行在與工藝相配的最佳狀態，機床上沒有不必要的功能，所以更經濟。

德國聯邦教育科研部已經在 “研究明天的生產”的項目規劃內，推動機床重構的研究。這個動態也應引起我國機床業界的高度關注，有條件的企業也應在原來模塊化設計的基礎上開展機床重構的研究，包括接合部 （接口）的統一。機床重構提高了資源利用率，既經濟又環保，好處很明顯。這里提供的一些信息供業界參考。