高速加工中心结构设计的发展和敏捷制造系统

高速加工中心结构设计的发展和敏捷制造系统

一、采用高速加工中心的必要性

高速加工中心在机床领域中已经确立了不可动摇的地位，现在没有人怀疑高速加工中心的发展前景。许多机床厂都把高速加工中心作为了自己的主导产品，说明高速加工中心的巿场之广阔。高速加工中心的制造技术也已进入成熟期。用于高速加工中心的新部件和新的机床配套件不断推出，进一步提高了高速加工中心的水平。

高速加工中心相比传统加工中心的优势在哪里？或者说我

们为什么要发展高速加工中心？可以从下面表1、表2、表3中看出。由于加工中心的速度和加速度不同，移动同样的距离所耗用的时间是不同的。机器润滑

现以下述4种具有不同速度和加速度的加工中心为例，将其在移动25mm、50mm、100mm、200mm、500mm时所需时间列于表1，以说明其各自的加工效率。

表1 不同速度和加速度的加工中心之移动距离与时间的关系

表2 电主轴启动及停止时间

图1 以不同速度和加速度移动的几种加工中心所用时间与距离曲线

表3 以加工某种零件为例，速度和加速度不同的加工中心所需节拍时间对比

注：上表中切削时间不同是由于高速机床相应使用较高切削速度等切削用量

第一种：V=75m/min，a=10m/s2 (1g)；

第二种：V=60m/min，a=10m/s2 (1g)；

第三种：V=36m/min，a=3m/s2 (0.3g)；

第四种：V=15m/min，a=1m/s2 (0.1g)。

高速加工中心一般采用电主轴，在使用过程中电主轴从启动达到某一转速，或从某一转速到停止所耗用的时间相对较少，也同样节省了时间。表2是某两种电主轴启动和停止所需时间。机器润滑

从表2和图1可以看出由于提高了速度和加速度节省了时间，至于选用高速加工中心可以提高多少效率，我们看表3中四种不同加工中心的对比。机器润滑

从表3显示的数据可以看出用一台高速加工中心完成的工作量，用速度慢一些的加工中心完成同样的工作分别需要1.5

台、2台、2.5台。可以看出用高速加工中心组成生产线可以有效地减少机床的台数，可以减少投资，减少占地面积，节约能源，减少了使用成本。这就是高速加工中心的优势和采用高速加工中心的必要性。

二、高速加工中心的结构特点

对高速加工中心机床性能的要求：

1.高的主轴转速，一般在每分8000转以上；（按机床规格的大小而不同）

2.高的进给速度，一般在每分15米以上；

3.快的移动速度，一般在每分55米以上（按机床规格的大小而不同）；

4.高的加（减）速度，一般在0.5g-1.5g以上（按机床规格的大小而不同）；

5.微米级的加工精度；

6.高的静、动态刚度和轻量化的移动部件。

按照上述要求，卧式高速加工中心在结构上有以下特点：

主轴一般采用电主轴，电主轴具有结构紧凑、精密、转速高的特点。

三座标的结构有少数机床采用动柱式结构，其余大多数则采用“箱中箱”式结构。“箱中箱”式结构是几种形式中速度和加速度水平最高的。机器润滑

图2 卧式高速加工中心的“箱中箱”式结构

一般移动速度在50m/min以下的加工中心大都采用新设计的立柱移动式结构，配上外置Z轴或者外置X轴，则机床制造上非常简单，工艺性好，因而成本低，是一种比较经济的高速加工中心。

由于动柱式加工中心立柱本身是一种悬臂梁结构，切削力产生的颠覆力矩将使立柱产生变形和位移，影响机床的精度，所以立柱一般设计得较重，当驱动立柱移动时较高的立柱将因头重脚轻而不适合较高的速度和加速度，因此高速移动的立柱一般不宜太高因而影响上下移动的行程。机器润滑

为了减小切削力产生的颠覆力矩，机床设计时常把立柱后导轨加高，与前导轨不在一个平面上，但是后导轨因空间限制不能

提得太高，太高将与主轴电机相干涉。当把后导轨提到立柱上端问题得到解决，这样就产生了框架式结构，原来的立柱变成了有着上下导轨的滑架。加上前面支撑主轴滑枕的框架合在一起形成了今天流行的“箱中箱”结构。所以它上下两个导轨支撑的滑架就相当于动柱式机床的立柱，这样这个立柱就由悬臂梁结构变成具有两端支撑的简支梁结构。简支梁的最大变形点在中间，同等条件下它的最大变形仅有悬臂梁的十六分之一。这样这个滑架就可以在不影响刚性的情况下做得比较轻，为高速度和高加速度提供了条件，这就是“箱中箱”结构得以流行的主要原因。

线性伺服进给驱动采用直线电机已很普遍，但更多的还是采用旋转伺服电机加滚珠丝杠驱动。伺服电机加滚珠丝杠驱动虽然在速度和加速度等方面不如直线电机，但经济节能，也非常可靠，因此被广泛采用。

图3 立柱移动式结构向箱中箱式结构转变示意

一些公司也在采用直线电动机驱动，如SPECHT500L移动速度达到100米和120米/分。直线电动机驱动具有更好的动态特性，

结构也更简单，具有高的直线速度、高加速度、行程长度不受限制、机械零件少、无磨损、高刚度等优点。

它的缺点是：

巨大的强磁吸力作用于导轨上，采用双直线电动机驱动虽然可以抵消作用力但将增加成本；

不可能放大拖动力；

高功率损失及高发热；

产生干扰磁场；

防铁屑困难；

造价较高。

随着技术的不断进步，直线电动机驱动的这些缺点将被逐步克服，使用直线电机是将来高速移动装置的发展方向。机器润滑

三、敏捷制造系统

由高速加工中心组成柔性生产线，配上由桁架机械手组成的智能的工件输送装置（也可由导轨机器人作工件输送），并且高速加工中心在工序布置上尽可能采用并联的布局形式，这种柔性生产线我们称之为敏捷制造系统。当然有时为了节省投资也可由

简单的物料系统即由人工或由助力机械手来上下料，构成了简易型的敏捷制造系统。

图4 敏捷制造系统典型布局示意

敏捷制造系统的特点是：在布局上尽可能采用并联形式的高速柔性制造单元加上智能的物流系统。

由桁架机械手与高速加工中心组成的敏捷制造系统具有以下优势：

在项目初期，可以按资金和巿场情况分批投入、滚动发展。所谓分批投入是指并联布局形式的加工中心由于几台工序内容相同，可以按资金和巿场情况先投入一台或两台，其余的几台可以留出安装位置，在条件具备的时候再投入；

具有很强的柔性，产品改型非常方便；

设备的故障不会造成全线停产；

机床品种单一，维修和备件都方便；