人人可抵人第三次工業(yè)時(shí)代的機(jī)床制造技術(shù)創(chuàng)新企業(yè)機(jī)

    第13屆國際機(jī)床展（CIMT2013）于2014年4月22-27日在北京新國際展覽中心隆重舉行。本屆展會(huì)展出加工中心247臺(tái)，中山市明確提出將進(jìn)行“機(jī)器換人”技改工作，其中立式128臺(tái)，拿出專門資金支持企業(yè)“機(jī)器換人”。另外，臥式50臺(tái)，中山將向周邊城市取經(jīng)，五軸聯(lián)動(dòng)41臺(tái)。
　　國產(chǎn)大型五面體加工中心的林立，打造“智能工業(yè)機(jī)器人研發(fā)使用平臺(tái)”。　　“機(jī)器換人” 效率提高20倍　　“一人能抵百萬兵”曾是三國時(shí)公孫瓚稱贊趙云的妙語，是我國機(jī)床制造業(yè)技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志，如今，早期的CIMT展會(huì)上，隨著“機(jī)器換人”技改工作的推進(jìn)，臺(tái)灣高明、亞葳展出的小龍門乃屬稀罕之物；而今沈陽、大連、三一、新瑞等高檔龍門爭奇斗艷，2人能抵50人的“奇跡”頻頻上演?！　?004年手工生產(chǎn)工藝、2007年流水線生產(chǎn)工藝、2011 年半自動(dòng)生產(chǎn)工藝、2014年全自動(dòng)生產(chǎn)工藝……在10年中，確實(shí)使國人揚(yáng)眉吐氣。此外，諾斯貝爾的生產(chǎn)工藝升級了4次，國產(chǎn)臥加與五軸聯(lián)動(dòng)展品越來越多，以前僅依靠工人手工操作的模式正發(fā)生著改變?！　?jù)悉，制作也越來越精，該公司開展“面膜及護(hù)膚品生產(chǎn)線升級技術(shù)改造”項(xiàng)目，這亦意味著我國制造能力與市場需求的雙雙提升。
    1 智能制造是技術(shù)創(chuàng)新的推手
　　世界進(jìn)入21世紀(jì)后，引進(jìn)了4條國際先進(jìn)的化妝品全自動(dòng)生產(chǎn)線，據(jù)認(rèn)是進(jìn)入了第三次工業(yè)的時(shí)代。先進(jìn)制造業(yè)是這個(gè)時(shí)代的象征之一，每一條生產(chǎn)線只需要2名工人就可以代替原來50人。“面膜生產(chǎn)分淡旺季，而智能化又是先進(jìn)制造業(yè)的重要組成分，在‘雙十一’等旺季時(shí)，它是集信息技術(shù)、光電技術(shù)、通信技術(shù)、傳感技術(shù)等為一體，工人就生產(chǎn)不過來了，推動(dòng)著機(jī)床制造的不斷進(jìn)步，如今有了自動(dòng)化生產(chǎn)線，從展會(huì)中也能窺見一斑。
　　在E2館DMG-MORI SEIKI展臺(tái)，我們就可以自主控制產(chǎn)量?！痹摴矩?fù)責(zé)人稱，陳列著一臺(tái)DIXI 210龍門五軸加工中心，未來全自動(dòng)生產(chǎn)線將增加至10條，主軸箱中裝有B、C驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，用工規(guī)模從1600多人減少到1300人?！　∈聦?shí)上，銑頭可立臥連續(xù)回轉(zhuǎn)。在Y軸上，諾斯貝爾并非“機(jī)器換人”的唯一受益者，置有Φ1 700 mm的C軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，大涌的大自然地板廠、南頭鎮(zhèn)聯(lián)昌噴霧泵有限公司等均有受益，轉(zhuǎn)速12 r/min，承重8 t，機(jī)床X×Y×Z三向行程為1 800 mm×2 100 mm×1250 mm，主傳動(dòng)44 kW。
　　DIXI是瑞士精密坐標(biāo)鏜床的供應(yīng)商，以加工高端精密機(jī)床著稱，它們被日本森精機(jī)收購后，如今3家又合在一起，此款機(jī)床由DIXI設(shè)計(jì)，在DMG的弗朗頓工廠裝配，并向出售了1臺(tái)。
　　DMG弗朗頓廠長Mr.Alfred Geissler和DIXI主管設(shè)計(jì)Mr.Tobias Steiner在展品旁和筆者介紹時(shí)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了這臺(tái)機(jī)床采用了空間誤差補(bǔ)償技術(shù)（Volumetric Compensation）。一般數(shù)控機(jī)床的調(diào)試，通常都用激光干涉儀，對X、Y、Z這三根直線軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡測試，若有誤差就補(bǔ)償絲桿螺距?，F(xiàn)在該機(jī)床的三維行程空間內(nèi)，設(shè)定了6 000個(gè)受激光控制的點(diǎn)，而機(jī)床主軸裝上紅寶石測頭，當(dāng)其與這些點(diǎn)在空間相遇時(shí)，激光就能測得空間位置偏差并予以補(bǔ)償糾正。這項(xiàng)技術(shù)由西門子公司發(fā)明，日本MAZAK也予采用。
　　DIXI 210另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是熱變形控制系統(tǒng)，以保證機(jī)床的穩(wěn)定工作精度。在機(jī)床的主軸、滾珠絲杠、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、變速箱等多處（藍(lán)域），具有大流量率的大型冷卻裝置，所設(shè)的熱量控制點(diǎn)由傳感系統(tǒng)把關(guān)，一旦超過設(shè)定溫度范圍，就發(fā)指令給空調(diào)系統(tǒng)，讓溫度回調(diào)正常。
　　由于采取了這些措施，而且導(dǎo)軌采用傳統(tǒng)的人工刮研，故機(jī)床的精度比原來提高3倍，各軸的定位精度為4 μm。
　　大連科德數(shù)控展出的各種加工中心，其定位精度能達(dá)到5 μm，重復(fù)定位精度為3 μm，甚至還可更高，這主要是該公司的機(jī)床反饋，采用專利產(chǎn)品激光光柵尺，故精度特別高。
　　日本安田公司YASDA展出的YBM6J高精度臥式坐標(biāo)加工中心，帶有“機(jī)體溫度控制裝置”，在機(jī)床的底座、立柱、工作臺(tái)等處，用內(nèi)冷卻液進(jìn)行循環(huán)冷卻并通過溫度傳感系統(tǒng)，保證溫差變化在±0.2 ℃左右。這臺(tái)臥加在現(xiàn)場演示調(diào)頭鏜技術(shù)，其定位精度可達(dá)到2.0 μm和3.0 μm。
　　德國海德漢在展會(huì)上介紹智能控制技術(shù)比較全面，主要功能有：
　　集成的自適應(yīng)進(jìn)給控制功能（AFC-Adaptive Feed Control）。數(shù)控系統(tǒng)可按照主軸功率負(fù)載大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)給速率。當(dāng)AFC工作時(shí)，進(jìn)給速率調(diào)節(jié)不是來自倍率調(diào)節(jié)旋鈕，而是來自主軸功率和其他工藝數(shù)據(jù)。這樣既可提高加工效率，同時(shí)也加強(qiáng)了刀具監(jiān)控，以防刀具斷裂或磨損而受到損傷。
　　自動(dòng)校準(zhǔn)和優(yōu)化機(jī)床精度（Kinematic Opt）
　　該功能是自動(dòng)校準(zhǔn)多軸機(jī)床精度的有效工具。當(dāng)插入海德漢測頭后，探測循環(huán)可全自動(dòng)測量機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸，無論這個(gè)旋轉(zhuǎn)軸用在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，還是用在擺動(dòng)銑頭上，測量和補(bǔ)償過程全自動(dòng)，即可長時(shí)間保證高精度的多軸加工。
　　智能顫紋控制（ACC-Active Chatter Control）
　　在數(shù)控加工過程中，由于主軸或切削力的變化，工件上會(huì)產(chǎn)生顫紋，海德漢數(shù)控系統(tǒng)的顫紋控制功能可以大幅減小工件表面的顫紋，并且能提高切削率25%以上，以降低機(jī)床載荷，并提高刀具使用壽命。
　　智能制造不僅表現(xiàn)在精度控制方面，同樣也反映在安全防護(hù)方面。以往的自適應(yīng)控制，對工件毛坯體積進(jìn)行設(shè)定，一旦出現(xiàn)與刀具干涉就馬上報(bào)警；另一種是扭矩設(shè)定，凡超出主傳動(dòng)扭矩就停機(jī)報(bào)警；還有聽聲納，當(dāng)測到刀片斷裂聲時(shí)，也可使機(jī)床停機(jī)。
　　日本大隈公司OKUMA介紹的MμLTμS BⅢ智能化復(fù)合加工中心，獨(dú)創(chuàng)了一種“防撞”功能，加工導(dǎo)航引索功能可以將加工參數(shù)導(dǎo)航到最佳的加工條件，防熱變形功能可以將熱位移控制在10 μm以下。而日本中村留公司的機(jī)床，除裝有規(guī)避碰撞的3D干涉檢測功能外，還具有所謂“氣囊”防撞技術(shù)，即在萬一發(fā)生相碰撞的瞬間，其絲杠有即時(shí)反轉(zhuǎn)功能，使刀具與工件雙雙后退，以免更大損傷。
　　瑞士GF阿奇夏米爾集團(tuán)的智能加工，一切都是環(huán)繞提高工藝水平所進(jìn)行的。隨著越來越高的機(jī)床動(dòng)態(tài)特性和用戶對工件質(zhì)量和精度更高的期望，實(shí)時(shí)控制切削工藝就顯得十分重要。GF阿奇夏米爾米克朗系列機(jī)床的智能加工模塊可以幫助用戶控制銑削工藝，以獲得更高的性能、更高的質(zhì)量和安全性。
　　譬如說主軸，振動(dòng)可由不同元件所引起。從同心度和刀具動(dòng)平衡值開始到刀夾系統(tǒng)形式（熱縮刀柄、液壓膨脹刀柄和多棱夾緊刀柄）、主軸錐柄形式（HSK、DIN）和錐柄尺寸（HSK 32、40、63），再到主軸本身（電動(dòng)機(jī)、軸承）等，系統(tǒng)中都存在固有振動(dòng)，這也與主軸的轉(zhuǎn)速有關(guān)。
　　為此，GF米克朗機(jī)床主軸中都裝有內(nèi)置的稱為APS（高級工藝控制系統(tǒng)）的徑向加速度傳感器，可以測量實(shí)時(shí)振動(dòng)。這些振動(dòng)可以在控制系統(tǒng)中以圖形的方式顯示。利用設(shè)定的程序，可以將振動(dòng)記錄下來，當(dāng)達(dá)到了限定值時(shí)，會(huì)向操作員發(fā)出告警信號(hào)或停止加工。
　　此外米克朗對機(jī)床的動(dòng)態(tài)進(jìn)給也研究得很深，尤其是對加速度的研究。他們發(fā)現(xiàn)除了公差，對于加工時(shí)間影響很大的重要參數(shù)是機(jī)床的動(dòng)態(tài)量。定義機(jī)床動(dòng)態(tài)特性時(shí)常被引用的量是速度（V=s/t）和加速度（a=v/t）。加速度越高，機(jī)床到達(dá)其編程進(jìn)給速度的時(shí)間就越快。最大可達(dá)速度和加速度由整體傳動(dòng)鏈（電動(dòng)機(jī)、放大器、傳送帶、滾珠絲杠、編碼器、標(biāo)尺）和機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及載荷分配決定。在使用傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動(dòng)裝置時(shí)，配上工藝軟件，米克朗高速銑床各個(gè)軸上的加速度可達(dá)到14 m/s2。
　　該公司還有兩項(xiàng)專利智能軟件，一是高級工藝控制系統(tǒng)（APS），它能將振動(dòng)降低到最小水平，以延長主軸的使用壽命，減少刀具的磨損和提高工件的表面質(zhì)量。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)保證了批量生產(chǎn)或單件加工中自始至終的加工質(zhì)量，并可降低生產(chǎn)者的總成本。
　　另一項(xiàng)是操作員輔助系統(tǒng)（OSS），使用者可以自行定義工件重量、材料和刀具路徑等。通過輸入刀具路徑，OSS就能夠在了解運(yùn)動(dòng)軌跡（長直線路徑或方向快速變化的短路線運(yùn)動(dòng)）的情況下，進(jìn)一步自動(dòng)優(yōu)化機(jī)床動(dòng)態(tài)特性。
    2 綠色制造將漸成機(jī)床發(fā)展的主流
　　所謂第三次工業(yè)，這是由互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)通信技術(shù)與新能源的交匯所引發(fā)的，它將針砭前兩次工業(yè)所帶來的時(shí)弊去改進(jìn)、去創(chuàng)新，尤其是針對環(huán)境污染及資源浪費(fèi)問題，因此綠色環(huán)保勢必定是今后發(fā)展的趨向。
就像航空和汽車制造業(yè)那樣，機(jī)床的輕量化國際上已關(guān)注很久了，西班牙和意大利等許多廠商在研發(fā)零件材料方面也取得很大進(jìn)展，這次西班牙的達(dá)諾巴特在高端論壇上也作了發(fā)言。我國在機(jī)床輕量化結(jié)構(gòu)單元特征研究與靜態(tài)性能分析等方面成績卓著，大連機(jī)床和大連理工合作，論文也已在《制造技術(shù)與機(jī)床》月刊上發(fā)表過。
　　德馬吉-森精機(jī)及AG等都致力于節(jié)能減排機(jī)床的，在這方面馬扎克（MAZAK）的介紹比較詳細(xì)。
　　MAZAK提出，為了機(jī)床能對地球更友善，他們設(shè)計(jì)的高效主軸電動(dòng)機(jī)采用抑電消費(fèi)，LED的照明系統(tǒng)節(jié)電效果也較好；為了電，液壓單元為間歇式運(yùn)行，以減少功率消耗，而主軸的冷卻單元，采用的是低噪聲逆變控制器，既降噪又電；在潤滑及冷卻細(xì)節(jié)，MAZAK也不放過，盡量減少氣體和油料的使用量，主軸軸承位及導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)面都采用油脂潤滑，并杜絕水和油混合使用。
　　在展會(huì)上，MAG亞太區(qū)總裁李黎先生向大家介紹了該公司的一套據(jù)稱是顛覆傳統(tǒng)方法的切削冷卻系統(tǒng)――“超低溫液氮冷卻切削技術(shù)”，他說：“這一技術(shù)的推廣使用將對機(jī)床和刀具行業(yè)產(chǎn)生性的沖擊，高效和高壽命將使機(jī)床和刀具的消費(fèi)量降低，同時(shí)也會(huì)降低地球資源的消耗”。
　　金切機(jī)床在切削過程中所產(chǎn)生的切削熱，會(huì)導(dǎo)致刀具加工超硬材料時(shí)變得磨損快，故刀具消耗量也大，刀具消耗成本甚至可能超過機(jī)床的成本。而超低溫液氮冷卻切削技術(shù)的推出，可以實(shí)現(xiàn)通過主軸中心和刀柄中心在刀片切削刃的微孔中噴出液氮，刀具切削產(chǎn)生的熱量被液氮?dú)饣ㄒ旱姆悬c(diǎn)為零下320 ℃）的瞬間帶走，尤其是在超硬材料加工和復(fù)合材料加工上會(huì)有更好的效果，切削速度可以大大提高，刀具壽命也可以大大延長。
　　該技術(shù)對于環(huán)境也友好，通常機(jī)床的冷卻液或冷卻油不僅污染環(huán)境，同時(shí)需要回收處理，油霧處理不好甚至?xí)霈F(xiàn)燃燒起火等不安全狀況，而氮?dú)馐前踩珰怏w，自然排放到空氣中沒有任何污染，也不需回收。
　　無獨(dú)有偶，日本牧野（MAKINO）從節(jié)能環(huán)保角度發(fā)明了一種水霧冷卻系統(tǒng)，它比油霧冷卻更進(jìn)了一步，因?yàn)橛挽F多少對環(huán)境有些影響，而水對人體、對環(huán)境沒有任何壞處。
　　這套水霧冷卻系統(tǒng)的原理是，采用高壓空氣和高濃稀釋的方式，將進(jìn)水進(jìn)行處理，最終達(dá)到高壓、高濃度和用量少的效果，對切削刀具冷卻，以實(shí)現(xiàn)高效率冷卻并起到節(jié)能環(huán)保之目的，故稱得上擁有完美平衡冷卻和潤滑的特點(diǎn)。其參數(shù)如下：噴咀直徑Φ3.2 mm，長徑比L/D=20，主軸轉(zhuǎn)速12 000 r/min，進(jìn)給量0.4 mm/r，水霧噴射量≤18 ml/h。
　　牧野還在他們的L2臥加上，推出了一種微量精確潤滑裝置，可以使?jié)櫥瑒┑氖褂昧拷档狡胀櫥到y(tǒng)的5%以下，節(jié)能減排、環(huán)保效果顯著。
　　此裝置包括氣量調(diào)節(jié)閥、水氣分離器、電磁閥、氣動(dòng)潤滑泵（包括儲(chǔ)油箱）、油氣混合裝置、進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥及油氣流出口等件，結(jié)構(gòu)簡單輕巧，工作可靠穩(wěn)定。
　　微量潤滑噴油系統(tǒng)將壓縮氣體與極微量潤滑液混合汽化,大大減少刀具磨損，提高加工質(zhì)量。該裝置適用于加工不銹鋼、鋁合金、銅合金等有色金屬以及特殊工藝和環(huán)保要求的黑色金屬加工的切削、攻絲、銑、鏜孔等需要潤滑的地方，也可用于加工導(dǎo)管閥座、凸輪軸孔等特殊孔系的精準(zhǔn)潤滑。

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