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机床设计之家

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日志

 
 

高效、精确、灵活的并联机床  

2016-03-23 21:17:35|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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20世纪70年代初世界上出现了第一批电气机器人,在一些极其单调和危险的工作领域,被用来替代人体劳动。该技术的特点是工作范围大、灵活性高,适应某些精度和刚性要求不高的应用领域,如点焊、电弧焊、装卸工件及简单装配等工作。这种机器人应用的就是串联技术,其技术优势是工作终端能够向各方向运动,具有足够的动态性能和灵活性,可到达要求的工作区域,但其精度和刚性较差。 

工业领域中传统的数控机床应用的就是类似机器人的这种串联技术,同样,也存在着精度和刚性方面的缺陷。为了补偿这种技术“不足”,机床生产商不得不把机床设计成宽床面的整体结构来确保串联结构,即使在末端连接处也能保持很好的精度和刚性。但是,这种整体结构和宽大的床面抵消了动态性能和灵活性。 

新一代并联机床 

一直以来,机床制造业的开发者们梦想着将机器人的灵活性好、工作区域大与传统机床精度、刚性高的优点结合在一起。在过去的20年里,人们一直着眼于运动并联机床(PKM)的开发。并联机器人技术是指通过3个或3个以上伸缩机构联接定平台和动平台,实现动平台的运动。必要时,在动平台的末端再串联两个旋转轴,即可实现大的运动空间及运动姿态范围。这种结构的刚性、精度十分显著,而且还能保证结构的灵活性和工作区域。

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自1994年至今,世界上出现了一大批并联机床。其中,最具代表性的是由卡尔-纽曼先生开发的名为Tricept的并联机床。 

2004年,Tricept并联机床发明创始人纽曼先生组建了Exechon公司,发明了新一代Exechon并联机床技术。新一代并联机床技术突破了阻碍并联机床发展与广泛应用的诸多瓶颈和障碍,性能指标与易用性均大幅优于Tricept技术。 

CIMT 2007期间,哈尔滨量具刃具集团有限公司(简称哈量)展出了LINKS-EXE700并联机床。该机床是在结合哈量原有并联机床的经验积累,加上引进Exechon并联机床最新专利技术的基础上设计制造的新一代并联机床,在机床动态性能、刚性、精度以及用户编程操作简易性方面都达到了很高水平。

LINKS-EXE700并联机床的设计概念突显了并联机床的所有目标,如高刚性与极好的灵活性和动态性相结合。其突破点是最大限度地减少运动关节,将其并联机构运动关节减少到6个,自由度为10个。这种设计形成的实体结构可以完全消除机床各方的挠曲和扭矩力的影响。该机床具有以下特点: 

□ 仅有6个关节,10个自由度。其刚性、动态性能及高速性能大幅提高,取消了Tricepts上存在的中心管,消除了由中心管的挠曲和扭转引起的整体刚性和精度下降因素。 

□ 应用了最新的并联机床校准和标定技术,能够校准并联机床的所有参数,是世界上第一台在误差补偿方面与传统CNC机床相同的并联机床。该机床可差补加工H7级精度的孔,表面粗糙度达到Ra0.8。 

□ 机床下平台主轴无论处于加工范围的任何位置,其动态特性都保持高度一致,为高速加工最佳切削参数的选择提供了保证。 

□ 加工范围大,其范围形状近似一球冠,直径达3m,球冠高度为0.6m,突破了传统并联机构工作空间小的局限性。 

□ 在有效工作空间内可实现5~6面及全部复合角度的位置加工,适合用于敏捷加工,仅需一次装夹即可完成5~6面的复杂异型件及复合角度孔和曲面的加工等。 

□ 实现了虚拟工件的在线生产(ILP)检验。首次实现了数控机床在真实的控制器中,以实际驱动传递的轴数据进行实时的仿真。该技术的另一个重要应用是可以对机床的加工节拍进行仿真,对于实际生产意义重大。 

并联机床的突出特征 

□ 敏捷加工 

传统3轴加工时,将工件与机床坐标系对齐是一项消耗大量辅助时间的工作。一般情况下是使用价格昂贵且不灵活的伺服控制夹具,或通过使用高级的脱机测量设备手工调整每个工件。

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并联机床可以轻松地使用激光或传统测头,并结合5轴机床极高的加速度和快速运动的性能,能够在加工前的几秒钟内测完工件,相应地调整相关程序数据,建立起新的工件坐标系。举一实例来说,发动机组上的气缸套是不连续的。开始加工前,需对每个气缸套进行测量、计算、再放回机床坐标系,而所有这些步骤在并联机床上只在几秒内就可完成。 

□ 一次装夹加工 

传统的3轴数控机床加工工件的所有6个面时,如气缸盖,通常需要用上2~3个夹具,并在生产线上进行多次装夹。这会带来很多问题,如:一台机器停工,整条生产线就会停顿;由于不断给工件换夹具致使的公差累加,导致Cpk出现问题;夹具的设计和制造增加了生产成本。 

独特的灵活性使得并联机床从理论上能够在一次装夹内便可加工气缸盖或保险杠工件的所有面。如果此技术再附以上述测头的话,使用无需考虑重复性定位精度的低成本夹具即可。因而,公差累加的所有问题也随之消失,工件的Cpk值也会增加。由同样多的并联机床构成的生产线是并行的,每一台机床都能独立地完成一个工件的全部加工,即使有一台机床出现故障,生产也不会受到太大影响。 

□ 复合角度加工 

当前,人们对复杂加工与复合角度加工的需求与日俱增。许多现今传统机床无法做到的,并联机床却可以实现。通常,传统的3轴机床进行此类加工时,需增加很多附加设备,如完整2轴转台等。但是,这些附加设备不仅价格昂贵,且难于校准维护。如当工件仅要加工一个复合角度孔时,就很不划算。而对于并联机床来说,加工垂直的孔或面与加工复合角度的孔或面之间是不存在差别的。

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□ 多重路径混合及消除拖刀 

3轴传统加工中一个老问题就是加工完美的纯平表面。采用多重路径加工,要求机床的刚性和精度非常好。实际上,即使条件满足,也不可能避免出现路径之间的纹楞。解决这个问题,传统机床主要有两种途径:一是使用运动轨迹可覆盖整个表面的刀具,但需要机床功率更大,且稳定性更好;二是从机械方面将主轴倾斜很小的角度,但由于做起来很麻烦,在实际中几乎无法实现。 

并联机床的主轴与工件表面是否垂直是没有关系的,所以用一个确定的倾角很容易给机床编程来实现大平面加工。这种加工方式的另一个优点是在加工时刀具背面不接触工件,可以提高刀具的使用寿命。尤其是加工带余沙的铸件时,沙子会溅到刀具的背面并且积留在刀背面和工件之间,会迅速地磨损刀具。

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在汽车制造领域的成功应用 

通用公司是首家将并联机床应用于部件生产中的汽车用户。Hydro公司则是第一家将并联机床应用于铝制框架生产中的通用公司供应商。在新型Corvette(雪弗兰)轿车中,Hydro公司、Dana公司和通用公司利用5台带转台的并联机床为其生产风挡框、主体架和侧梁。 

宝马公司是至今为止最大的并联机床威信用户,他们将并联机床应用于其新5系和6系的轿车生产中。作为传统机床的另一种替代,宝马公司对并联机床进行了深入细致的分析,并得出结论:对于新5系和6系轿车前后桥的加工,并联机床创造了卓越的业绩。该公司的统计数据表明,所有期望值都已实现并且很多情况下比预期的更好。 

目前,PSA集团在生产中至少应用了25台并联机床。其中一条由13台带转台的并联机床组成的生产线,用于大批量生产新型Peugeot(标志)407轿车的前后车轴。这套系统也已满足,甚至很多情况下超出了PSA集团的预期。同时,PSA集团还成功地使用了多台并联机床来加工发动机的缸体和缸盖。至今,这些机床在满负荷状态下已运转5年之久。(end)
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