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，希望機床具有超出平均水平的生產率和精度。Fooke公司把市場的愿望和現代技術實現的可能性結合起來，以便進入機床制造的新時代：一切都為采用直線電動機而重新研制和設計。Endura 900 linear集功能與剛性于一身，達到了超出平均水平的生產率和精度。



新機床是在原先五軸加工中心系列的基礎上研制的，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、汽車技術、刃具和模具制造以及樣機制造等行業(yè)。為了研制出先進的未來產品，Fooke公司開始做了一些基本調查。

這臺加工中心的三個直線運動軸全部配備直線驅動電動機，機器的結構設計成專門為采用線性技術而優(yōu)化過的Gantry結構樣式

提高機床的生產率



最初收集到的信息是，用戶對未來希望什么，市場已經能夠提供何種解決方案，才能找到普遍可行的進軍方向。機床制造專家們發(fā)現，用戶認為未來最重要的是明顯提高機床的生產率：“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床里加工出來，而且至少要保持和目前同樣的質量。”為了滿足這項要求，為了在動態(tài)性能和生產率方面真正實現飛躍，采用傳統(tǒng)的驅動技術是行不通的。只有采用創(chuàng)新型驅動方案，也就是線性技術才能有出路。初步考慮當然是把直線電動機安裝在現有的機器結構上。不過，Fooke公司很快就發(fā)現，這樣對設計幫助不會太大，因為舊式機床結構對于高動態(tài)性能的新型電動機來說太軟了。



有了這些認識之后，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驗加以補充。這些伙伴是Fooke公司在Gelsenkirchen大學Bocholt分校以及西門子公司找到的。在著手進行設計工作之前，提出了許多原則上的考慮，從機床在物理上的基本任務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：機床是在空間里運動著的一個旋轉對稱體，比如鉆床或銑床。然后可以提出這樣的問題：我以何種質量來在空間中運行這個旋轉對稱體？理論上可以用手來做（手持式鉆機），也可以用手動機器來做，可以用機器人或者用CNC銑床來做。假如現在把這種物理上的作用原理同客戶的要求結合起來，就形成了生產力極高的五軸CNC加工中心的基本方案。為了找到最佳的結構和最佳的組件，就對結構的剛性、驅動的剛性以及來自控制器的動作引導智能做了一些考慮。作為定性評價參數選用了調節(jié)質量，也就是KV系數。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行了觀察，最后又把它們全部放在復雜的模擬中做了綜合觀察。他們借助有限元法（下圖）進行工作，后來又利用這種方法取得的結果繼續(xù)在Mathlab工作。在此期間又納入了電氣性能，借助仿真對基本結構進行了優(yōu)化，使因有頻率最終與目標參數相符合。

圖1 加工中心是借助于有限元法研制的。圖中表示機床結構的固有振動形狀

Gantry結構的龍門式銑床



于是，研制班子決定造一臺樣機（X = 2000 mm，Y = 2000 mm，Z = 1200 mm），利用樣機對數學模型的質量進行了檢驗，并利用樣機進行了實際加工。試驗表明，計算出的數值以及測得的數值相互符合，僅差1～2 Hz。因此，模型無論當時還是現在都非常接近實際。



從所有這些前期考慮和計算中設計出了一臺Gantry結構的門式銑床：在這種結構方式中，運動的質量極小。機床的基本結構是焊接的，用特種混凝土澆筑的底座具有減震作用。側壁制成雙塔門式，也是用混凝土澆筑而成的。導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、剛性和減震方面進行了優(yōu)化。驅動X、Y和Z軸的線性驅動裝置進行了智能安裝，結果使作用于機床結構的負荷（重量和磁吸引力）達到了最小。所有導軌全部制成了預應力滾柱導軌（INA）。



各個具體的機床型號如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，轉數為22000r /min，扭矩為30 Nm。銑頭在軸上的旋轉速度達20 r /min。





此外，視客戶的要求不同，機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)以及噪聲保護裝置。用戶可以在標準程序中選擇不同運行路徑的機器，X軸方向可達20m，Z軸方向達4m，Y軸方向達2m。



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



線性軸快速行程達65 m/s



最后再看一看實際的功率。新技術為用戶帶來了什么？首先是可以確認，所有3條線性軸都可以用高達65 m/s的快速行程進行運行。其次，動態(tài)性能比常規(guī)驅動的機床高出3倍。生產率因此可以提高大約35%。單位時間/切屑量達到了可觀的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，這表明了技術數據在實踐中意味著什么。而這種生產率數值并不以損失精度為代價：調節(jié)回路的加強（Kv系數），在傳統(tǒng)機床上一般在1～3 m /（min.mm），而新研制的產品則提高到了5 m /（min.mm）。