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加工中心/FMS |
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Fooke五轴加工中心Endura 900 linear |
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作者：Dirk Rabeneck |
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刀具和模具制造方面的用户为了保持竞争能力，希望机床具有超出平均水平的生产率和精度。Fooke公司把市场的愿望和现代技术实现的可能性结合起来，以便进入机床制造的新时代：一切都为采用直线电动机而重新研制和设计。Endura 900 linear集功能与刚性于一身，达到了超出平均水平的生产率和精度。
新机床是在原先五轴加工中心系列的基础上研制的，自1994年以来，该系列的加工中心主要用于航空和宇航、轨道交通技术、汽车技术、刃具和模具制造以及样机制造等行业。为了研制出先进的未来产品，Fooke公司开始做了一些基本调查。
这台加工中心的三个直线运动轴全部配备直线驱动电动机，机器的结构设计成专门为采用线性技术而优化过的Gantry结构样式
提高机床的生产率
最初收集到的信息是，用户对未来希望什么，市场已经能够提供何种解决方案，才能找到普遍可行的进军方向。机床制造专家们发现，用户认为未来最重要的是明显提高机床的生产率：“不管你们怎样做，请你们首先考虑到，我们的工件要比目前更快地从机床里加工出来，而且至少要保持和目前同样的质量。”为了满足这项要求，为了在动态性能和生产率方面真正实现飞跃，采用传统的驱动技术是行不通的。只有采用创新型驱动方案，也就是线性技术才能有出路。初步考虑当然是把直线电动机安装在现有的机器结构上。不过，Fooke公司很快就发现，这样对设计帮助不会太大，因为旧式机床结构对于高动态性能的新型电动机来说太软了。
有了这些认识之后，专家们清楚地知道，他们必须另走一条全新的路。Fooke公司为此找到了伙伴，这些伙伴可以对自己的经验加以补充。这些伙伴是Fooke公司在Gelsenkirchen大学Bocholt分校以及西门子公司找到的。在着手进行设计工作之前，提出了许多原则上的考虑，从机床在物理上的基本任务到底是什么的问题开始。最后对这个问题给出了这样的答案：机床是在空间里运动着的一个旋转对称体，比如钻床或铣床。然后可以提出这样的问题：我以何种质量来在空间中运行这个旋转对称体？理论上可以用手来做（手持式钻机），也可以用手动机器来做，可以用机器人或者用CNC铣床来做。假如现在把这种物理上的作用原理同客户的要求结合起来，就形成了生产力极高的五轴CNC加工中心的基本方案。为了找到最佳的结构和最佳的组件，就对结构的刚性、驱动的刚性以及来自控制器的动作引导智能做了一些考虑。作为定性评价参数选用了调节质量，也就是KV系数。在这个位置上，研制小组对三种影响因素之中的每一种因素分别进行了观察，最后又把它们全部放在复杂的模拟中做了综合观察。他们借助有限元法（下图）进行工作，后来又利用这种方法取得的结果继续在Mathlab工作。在此期间又纳入了电气性能，借助仿真对基本结构进行了优化，使因有频率最终与目标参数相符合。
图1 加工中心是借助于有限元法研制的。图中表示机床结构的固有振动形状
Gantry结构的龙门式铣床
于是，研制班子决定造一台样机（X = 2000 mm，Y = 2000 mm，Z = 1200 mm），利用样机对数学模型的质量进行了检验，并利用样机进行了实际加工。试验表明，计算出的数值以及测得的数值相互符合，仅差1～2 Hz。因此，模型无论当时还是现在都非常接近实际。
从所有这些前期考虑和计算中设计出了一台Gantry结构的门式铣床：在这种结构方式中，运动的质量极小。机床的基本结构是焊接的，用特种混凝土浇筑的底座具有减震作用。侧壁制成双塔门式，也是用混凝土浇筑而成的。导轨基座就做在它上面，并用螺钉加以固定。对塔式门、Y轴和Z轴在重量、刚性和减震方面进行了优化。驱动X、Y和Z轴的线性驱动装置进行了智能安装，结果使作用于机床结构的负荷（重量和磁吸引力）达到了最小。所有导轨全部制成了预应力滚柱导轨（INA）。
各个具体的机床型号如Endura 904、905和906 linear之间的区别首先在于铣头和高频主轴。Endura 904 linear目前采用轻型铣头，转数为22000r /min，扭矩为30 Nm。铣头在轴上的旋转速度达20 r /min。
此外，视客户的要求不同，机床还可配备自动换刀器、工件装卸系统、微量喷淋计量系统、湿式工作的冷却剂系统、刀具和工件测量系统、灰尘和切屑清理装置、夹紧系统以及噪声保护装置。用户可以在标准程序中选择不同运行路径的机器，X轴方向可达20m，Z轴方向达4m，Y轴方向达2m。
Fooke公司在Endura 900 linear系列的电气配置上与西门子公司进行了极为密切的合作，把设计工作最终委托给西门子公司，包括开关柜的制造。驱动则采用了1FN3型直线电动机，旋转轴装配了1FT6系列伺服电机。二者均采用Simodrive-611D变频器进行驱动。控制器选用的是Sinumerik 840D加NCU 573.5，目前，这是硬件装备的旗舰。外围设备采用分散式结构，通信则采用Profibus DB总线。整台机床，包括操作人员全部采用西门子自备的安全技术Safety Integrated (Level II)加以保护。
线性轴快速行程达65 m/s
最后再看一看实际的功率。新技术为用户带来了什么？首先是可以确认，所有3条线性轴都可以用高达65 m/s的快速行程进行运行。其次，动态性能比常规驱动的机床高出3倍。生产率因此可以提高大约35%。单位时间/切屑量达到了可观的5500 cm3（铝）。以取样件为例，用传统的CNC铣床加工这样一个工件需要11 min，而用Endura 900 linear则仅需6 min分钟，这表明了技术数据在实践中意味着什么。而这种生产率数值并不以损失精度为代价：调节回路的加强（Kv系数），在传统机床上一般在1～3 m /（min.mm），而新研制的产品则提高到了5 m /（min.mm）。
原载MM《现代制造》杂志(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(3/9/2006) |
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