Fooke五軸加工中心Endura 900 linear

刀具和模具制造方面的用戶為了保持競爭能力，希望機(jī)床具有超出平均水平的生產(chǎn)率和精度。Fooke公司把市場的愿望和現(xiàn)代技術(shù)實現(xiàn)的可能性結(jié)合起來，以便進(jìn)入機(jī)床制造的新時代：一切都為采用直線電動機(jī)而重新研制和設(shè)計。Endura 900 linear集功能與剛性于一身，達(dá)到了超出平均水平的生產(chǎn)率和精度。



新機(jī)床是在原先五軸加工中心系列的基礎(chǔ)上研制的，自1994年以來，該系列的加工中心主要用于航空和宇航、軌道交通技術(shù)、汽車技術(shù)、刃具和模具制造以及樣機(jī)制造等行業(yè)。為了研制出先進(jìn)的未來產(chǎn)品，F(xiàn)ooke公司開始做了一些基本調(diào)查。

這臺加工中心的三個直線運動軸全部配備直線驅(qū)動電動機(jī)，機(jī)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計成專門為采用線性技術(shù)而優(yōu)化過的Gantry結(jié)構(gòu)樣式

提高機(jī)床的生產(chǎn)率



最初收集到的信息是，用戶對未來希望什么，市場已經(jīng)能夠提供何種解決方案，才能找到普遍可行的進(jìn)軍方向。機(jī)床制造專家們發(fā)現(xiàn)，用戶認(rèn)為未來最重要的是明顯提高機(jī)床的生產(chǎn)率：“不管你們怎樣做，請你們首先考慮到，我們的工件要比目前更快地從機(jī)床里加工出來，而且至少要保持和目前同樣的質(zhì)量。”為了滿足這項要求，為了在動態(tài)性能和生產(chǎn)率方面真正實現(xiàn)飛躍，采用傳統(tǒng)的驅(qū)動技術(shù)是行不通的。只有采用創(chuàng)新型驅(qū)動方案，也就是線性技術(shù)才能有出路。初步考慮當(dāng)然是把直線電動機(jī)安裝在現(xiàn)有的機(jī)器結(jié)構(gòu)上。不過，F(xiàn)ooke公司很快就發(fā)現(xiàn)，這樣對設(shè)計幫助不會太大，因為舊式機(jī)床結(jié)構(gòu)對于高動態(tài)性能的新型電動機(jī)來說太軟了。



有了這些認(rèn)識之后，專家們清楚地知道，他們必須另走一條全新的路。Fooke公司為此找到了伙伴，這些伙伴可以對自己的經(jīng)驗加以補充。這些伙伴是Fooke公司在Gelsenkirchen大學(xué)Bocholt分校以及西門子公司找到的。在著手進(jìn)行設(shè)計工作之前，提出了許多原則上的考慮，從機(jī)床在物理上的基本任務(wù)到底是什么的問題開始。最后對這個問題給出了這樣的答案：機(jī)床是在空間里運動著的一個旋轉(zhuǎn)對稱體，比如鉆床或銑床。然后可以提出這樣的問題：我以何種質(zhì)量來在空間中運行這個旋轉(zhuǎn)對稱體？理論上可以用手來做（手持式鉆機(jī)），也可以用手動機(jī)器來做，可以用機(jī)器人或者用CNC銑床來做。假如現(xiàn)在把這種物理上的作用原理同客戶的要求結(jié)合起來，就形成了生產(chǎn)力極高的五軸CNC加工中心的基本方案。為了找到最佳的結(jié)構(gòu)和最佳的組件，就對結(jié)構(gòu)的剛性、驅(qū)動的剛性以及來自控制器的動作引導(dǎo)智能做了一些考慮。作為定性評價參數(shù)選用了調(diào)節(jié)質(zhì)量，也就是KV系數(shù)。在這個位置上，研制小組對三種影響因素之中的每一種因素分別進(jìn)行了觀察，最后又把它們?nèi)�部放在�?fù)雜的模擬中做了綜合觀察。他們借助有限元法（下圖）進(jìn)行工作，后來又利用這種方法取得的結(jié)果繼續(xù)在Mathlab工作。在此期間又納入了電氣性能，借助仿真對基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使因有頻率最終與目標(biāo)參數(shù)相符合。

圖1 加工中心是借助于有限元法研制的。圖中表示機(jī)床結(jié)構(gòu)的固有振動形狀

Gantry結(jié)構(gòu)的龍門式銑床



于是，研制班子決定造一臺樣機(jī)（X = 2000 mm，Y = 2000 mm，Z = 1200 mm），利用樣機(jī)對數(shù)學(xué)模型的質(zhì)量進(jìn)行了檢驗，并利用樣機(jī)進(jìn)行了實際加工。試驗表明，計算出的數(shù)值以及測得的數(shù)值相互符合，僅差1～2 Hz。因此，模型無論當(dāng)時還是現(xiàn)在都非常接近實際。



從所有這些前期考慮和計算中設(shè)計出了一臺Gantry結(jié)構(gòu)的門式銑床：在這種結(jié)構(gòu)方式中，運動的質(zhì)量極小。機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)是焊接的，用特種混凝土澆筑的底座具有減震作用。側(cè)壁制成雙塔門式，也是用混凝土澆筑而成的。導(dǎo)軌基座就做在它上面，并用螺釘加以固定。對塔式門、Y軸和Z軸在重量、剛性和減震方面進(jìn)行了優(yōu)化。驅(qū)動X、Y和Z軸的線性驅(qū)動裝置進(jìn)行了智能安裝，結(jié)果使作用于機(jī)床結(jié)構(gòu)的負(fù)荷（重量和磁吸引力）達(dá)到了最小。所有導(dǎo)軌全部制成了預(yù)應(yīng)力滾柱導(dǎo)軌（INA）。



各個具體的機(jī)床型號如Endura 904、905和906 linear之間的區(qū)別首先在于銑頭和高頻主軸。Endura 904 linear目前采用輕型銑頭，轉(zhuǎn)數(shù)為22000r /min，扭矩為30 Nm。銑頭在軸上的旋轉(zhuǎn)速度達(dá)20 r /min。





此外，視客戶的要求不同，機(jī)床還可配備自動換刀器、工件裝卸系統(tǒng)、微量噴淋計量系統(tǒng)、濕式工作的冷卻劑系統(tǒng)、刀具和工件測量系統(tǒng)、灰塵和切屑清理裝置、夾緊系統(tǒng)以及噪聲保護(hù)裝置。用戶可以在標(biāo)準(zhǔn)程序中選擇不同運行路徑的機(jī)器，X軸方向可達(dá)20m，Z軸方向達(dá)4m，Y軸方向達(dá)2m。



Fooke公司在Endura 900 linear系列的電氣配置上與西門子公司進(jìn)行了極為密切的合作，把設(shè)計工作最終委托給西門子公司，包括開關(guān)柜的制造。驅(qū)動則采用了1FN3型直線電動機(jī)，旋轉(zhuǎn)軸裝配了1FT6系列伺服電機(jī)。二者均采用Simodrive-611D變頻器進(jìn)行驅(qū)動�？刂破鬟x用的是Sinumerik 840D加NCU 573.5，目前，這是硬件裝備的旗艦。外圍設(shè)備采用分散式結(jié)構(gòu)，通信則采用Profibus DB總線。整臺機(jī)床，包括操作人員全部采用西門子自備的安全技術(shù)Safety Integrated (Level II)加以保護(hù)。



線性軸快速行程達(dá)65 m/s



最后再看一看實際的功率。新技術(shù)為用戶帶來了什么？首先是可以確認(rèn)，所有3條線性軸都可以用高達(dá)65 m/s的快速行程進(jìn)行運行。其次，動態(tài)性能比常規(guī)驅(qū)動的機(jī)床高出3倍。生產(chǎn)率因此可以提高大約35%。單位時間/切屑量達(dá)到了可觀的5500 cm3（鋁）。以取樣件為例，用傳統(tǒng)的CNC銑床加工這樣一個工件需要11 min，而用Endura 900 linear則僅需6 min分鐘，這表明了技術(shù)數(shù)據(jù)在實踐中意味著什么。而這種生產(chǎn)率數(shù)值并不以損失精度為代價：調(diào)節(jié)回路的加強(qiáng)（Kv系數(shù)），在傳統(tǒng)機(jī)床上一般在1～3 m /（min.mm），而新研制的產(chǎn)品則提高到了5 m /（min.mm）。