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。该项技术通过了PCT(国际专利合作协议组织)的审定,并在所有PCT协议参与国家和地区(包括中国)申请并获得了发明专利。
哈量LINKS-EXE700是在结合哈量原有并联机床经验积累,加上引进使用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。
1. LINKS-EXE700并联机床特点
1.1 运动关节及机构自由度数量对机床性能的影响
并联运动结构从外观来看,像是很多“手臂”一端彼此相连,另一端与基座相连。这种设计要求各关节是多自由度的。并联运动机床(PKM)手臂的数目取决于动平台运动轴的设计数量,但是不论哪种设计,遵循的目标都应将灵活性与刚性结合在一起。因关节点结构复杂,既要刚性好、无间隙,又要成本低,是设计并联机床的突出问题。这个技术问题限制了市场上的并联机床数量,这也是为什么关节点少、自由度少的并联机床成为目前最成功的并联机床的原因。Tricept并联机床使用了相对少的关节和自由度数,正是Tricept当年在世界并联机床市场能占70%份额的原因。
1.2 Tricept并联机床的缺陷
Tricept并联机床的每一个关节点都有一个以上的自由度,像一个万向铰链。各伸缩杆只承担轴向载荷,故必需设置中心管来实现约束更多的自由度。中心管承受的荷载对中心管造成的挠曲和扭转,会严重影响机床的整体刚性。为解决这一问题,在设计上应使挠曲和扭转对中心管精度和动态性能的影响降低到最小。
这种优化设计是把中心管的直径加粗,管壁减薄,可是这样一来机床的工作范围大大地缩小了。唯一的解决办法是找出钢管壁厚与直径之间的均衡点。轻型Tricept的管壁薄且轻,适于快速动态加工;重型的管壁厚,适于慢速加工。然而管壁和刚性之间的关系不可能完全均衡,所以结果不是设计过轻,导致挠曲和扭转力过大,就是中心管自身重量过大而引起变形。尽管Tricept机床配有外部DMS测量系统,用于消除温度和切削力产生的误差。但是由于主轴和DMS之间距离远,加之切削力和中心管自重的影响,就造成了DMS读数和真实位置之间的偏差。DMS读数仅能补偿DMS系统中的值,而DMS系统下部由切削力和中心管自重造成的偏差依然得不到补偿。
1.3 新型Exechon并联机床的设计概念
新型Exechon并联机床技术解决了上述问题,突显了并联机床的所有目标,如高刚性与极好灵活性和动态性相结合。这个新概念的基本点是使用自由度不超过1的下部关节,以及在一个方向上具有直线和弯曲2种刚度的致动器。这种设计构成一个坚实的结构,可以完全解决作用在机床各方向上的挠曲和扭矩力的影响。
这里描述的Exechon设计实际上构成了一个金字塔形的运动三脚架。这个结构通过3根通过单自由度关节连接到腕关节的2种刚度的致动器,将力从腕关节传递到上平台,不会损失任何刚性。但是由于上平台关节角度的影响,只有在其中2个致动器的上关节为2自由度,并且第3个致动器的上关节为3自由度时,才可能实现这种在下端所有关节只有1个自由度,在所有致动器上具有两种刚度的设计。这样的设计使得整个并联结构的节点数减少至6个,自由度减至10个。
1.4 编程使用通用化
以往并联机床的编程和使用不同于常规机床,这也是并联机床推广应用的主要障碍之一。而Exechon新技术完全解决了这一问题。Siemens公司为Exechon并联机床专门开发了坐标变换系统软件。同样使用Siemens通用数控系统,哈量新一代并联机床在编程和操作上已经与常规五坐标数控机床无异。
1.5 主动测量补偿AMC
从事并联机床研究的人都很清楚并联机床的校准和标定是一个大问题。Exechon公司与OptikosQ公司合作开发了一项独特的校准系统。这种专门的校准系统使测量Exechon并联机床下平台主轴的真实位置成为可能。并且能够校准、验证上部三角架的所有参数,并把参数传送到运动模型中,使得并联机床首次实现了全方位的误差补偿。
这个系统称为AMC(主动测量补偿)。它是把机床编成空间中的不同位置,通过把三脚架腿(致动器)和下平台之间的角度重新换算成实际的笛卡尔坐标位置,再把这些数据放到数据库中,进行重新计算、完成补偿整个机床运动系统的误差。
1.6 虚拟工件的在线生产(ILP)检验
给并联机床安全编程、检验,开发一个系统,让它能够检查相对于实际工件和实际NC程序的工件程序是非常重要的。这个系统不是那种只“检查”相对于虚拟机床和工件程序的仿真检查,而是能够与在实际的运动状态下和CNC控制器里真实驱动下运行的一台仿真机床进行比较。
这是世界上第一次在NC机床真实的控制器中,以实际驱动传递的轴数据,实时地在屏幕上运行自己的程序。此系统由OptikosQ公司开发并得到了芬兰Visual Components公司和德国西门子自动化与驱动集团的支持。AMC与ILP相结合的成果将会开启CNC行业中的新天地。
1.7 机床动态性能
传统机床的固有频率随着机床主轴在座标系中位置不同而变化,这将给在高速加工时的最佳切削参数选择带来一定的麻烦。如在某特定转速下,主轴处于不同位置,其最佳切削用量将不同,为确保正常切削,只能减少切深或走刀量、牺牲效率来减小振动,保证加工质量。而Exechon并联机床下平台主轴无论处于加工范围的任何位置,其振动特性都保持高度一致,图示为山特维克公司对EXE700机床的检测的条件和测量位置,用专用检测装置可分别测出刀具前端所受的力、加速度与振动频率之间的关系,经专用软件分析,得出处理结果,即切深与转速之间的关系。从试验结果可以看出,其重合度非常好。这就为最佳切削参数的选择提供了保证。
1.8 主要技术指标:
执行机构行程:700mm;
主轴功率:13kW;
主轴转速:20000r/min;
X、Y、Z轴最大快移速度:125m/min、125m/min、45m/min;
X、Y、Z轴最大加速度:3g、3g、1g;
X、Y、Z轴重复精度:10μm;
4th、5th轴重复精度:2μm、5μm。
2. 哈量LINKS-EXE700并联机床的应用优势
哈量新一代并联机床同时兼有5轴联动、高速切削、快速定位、灵活移动、五面(六面)加工等一系列常规数控机床无法同时具有的多种功能,在数控加工领域具有常规数控机床系统无法比拟的优势和高性价比。
2.1 敏捷加工
传统加工时常遇到工件找正的问题,这是一项耗时又耗钱的工作。传统机床对此的解决方案是使用非常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。
并联机床则可以轻松地使用测头测量,并结合五轴机床的高速运动性能,在加工前几秒钟内即可测完工件,建立新的工件坐标系。这时工件可以以任何姿态放在机床工作台上的任何位置,只要保证在机床的加工范围内就可以了。对于大型的和超大型的构件加工,这一点尤为重要。目前,这种技术已经得到验证,并应用于波音飞机的生产中。
2.2 一次装夹加工
传统数控机床加工工件所有6个面,例如加工气缸盖,通常需要用多个夹具。如果用传统的数控机床组成生产线,则需多次装夹工件,带来的问题之一是,由于多次装夹导致重复定位误差累积,引起Cp值下降,而且设计制造几个不同夹具的成本不菲。
并联机床灵活的运动姿态可实现主轴轴线处于笛卡尔坐标系空间的任何方向,并可以向空间任何方向运动。这使得并联机床从理论上讲,能够在一次装夹内便可完成所有面(5面甚至6面)的加工。加上可快捷地建立工件坐标系,无需使用高精度的工装,可大幅降低夹具制造成本,并消除了重复性定位误差,工件的Cp值高且稳定。此项技术也已在众多国外用户的生产中得到了验证。
2.3 复合角度加工
随着汽车构架、发动机及其他部件的设计愈先进,对复杂加工与复合角度加工的需求也越来越多。用传统数控机床加工这类工件,需要增加附加设备,或采用3轴转台、角度头或脱机使用的特殊装置。但是所有这些附加设备都很昂贵,且难于校准维护,尤其是当工件仅有一个复合角度孔或多个复合角度孔,但各自轴线方向不同的情况时,很不经济。
并联机床实现这类加工非常容易,因此它十分适于未来汽车制造期望的所有复杂加工。飞机、火车或建筑机械上的部件同样需要更先进的、现今传统机床无法做到的、而并联机床却很容易实现的加工技术。此项技术同样在众多国外用户的生产中得到了验证。
2.4 多重路径混合及消除拖刀纹楞
传统数控机床加工纯平表面是一个棘手的问题。如果采用多重路径加工,这要求机床的刚性和精度非常好。尽管如此,实际上几乎也不可能避免出现路径之间的纹楞。用传统机床主要有两种途径来解决这个问题,一是使用运动轨迹可覆盖整个表面的刀具,但要求机床功率更大、稳定性更好;二是给主轴调整出一个前倾角,让所有的路径按同一方向切削,耗时多。
并联机床的主轴与工件表面是否垂直是没有直接关系的,所以用一个确定的前倾角给并联机床进行编程即可。这种加工方法的另一个优点是,在加工时刀具背面不接触工件,可增加了刀具的使用寿命,尤其是加工带余沙的铸件时,沙子不会溅到并且积留在刀背面和工件之间,减少了刀具的磨损。这种技术仍属新技术,目前已在一些国外用户处测试,已取得非常好的效果。
3. 并联机床应用成功范例
3.1 GM
第一个使用并联机床的汽车制造企业是GM公司,Hydro公司是GM分供商中第一家使用并联机床加工GM公司汽车铝制框架的企业。目前他们用5台带转台的Tricept并联机床来完成该项工作。
3.2 BMW
BMW是至今最大的并联机床用户。他们使用并联机床生产其新5系和6系的轿车。BMW公司对并联机床进行了深入细致的分析,并得出了并联机床在所有方面表现卓越。现今BMW公司用了10台Tricept并联机床来完成前后车轴从原料到精加工件的全部加工。根据该公司的统计数据,各项指标达到期望值且很多情况下比期望的更好。
3.3 PSA
另一个非常成功的用户实例就是PSA集团(标致和雪铁龙)。他有一条由13台带转台的Tricept并联机床组成的生产线,大批量生产新型Peugeot(标致)407轿车的前后车轴。这条生产线的生产质量和正常生产时间是相当高的。PSA目前在生产中已有25台以上的并联机床。
3.4 波音
波音公司是第一个把并联机床用于实际加工的用户,并且自1996年起这台Tricept机床就全天24小时工作,现在它仍然在为波音727和737生产优质的地楞横梁。1999年波音公司还购买了更大型的Tricept并联机床来生产波音767和747的地楞横梁。这台机床从安装之日起,也是实行了3班生产,多年来优秀的工件质量及稳定可靠的性能为它赢得了赞誉。
3.5 空客
空客公司几年来一直在使用Tricept并联机床,主要用于钻孔和清理焊缝。并联机床被安装在与巨大的飞机部件平行的导轨上,沿着部件移动到某区域上作业。在加工前,通过敏捷加工,建立起机床与工件坐标系的对应关系。实际应用表明,常规方法要花8周时间钻几千个孔,而一台并联机床在8小时便可做到,而且质量非常稳定。
3.6 JSF
另一个使用并联机床成功的领域是给JSF战斗机用的63种不同复合部件清理焊缝和钻孔。这些工作是在普通机床,即使是五坐标机床也无法做到的。
3.7 Ahlstom
并联机床应用相对较新的加工领域是火车制造。西班牙Ahlstom公司首家使用并联机床用来加工火车车厢车窗及车门部分。把并联机床安装到行程60m的龙门架上,一次装夹便可加工火车的两个侧面。这种设计投入生产至今已有一段时间,验证了这种技术现已成熟,可以在这个领域内深入推广。
3.8 Caterpillar
美国Caterpillar公司对并联机床已经做了长时间的深入了解,准备用并联机床加工厚钢骨架,在做测试的过程中用并联机床成功做了一个特殊的测试件,圆插补达到H7级精度。测试结果给Caterpillar公司留下了深刻印象,他们表示这种并联机床将是Caterpillar公司在未来几年里更新大批5轴机床计划的首选。
4. 立足中国制造,加强国际合作,面向全球市场,打造世界顶级产品
2006年末,哈量集团与Exechon公司、Siemens公司、Sandvik公司和Ascentech公司举行了高层工作会谈。围绕哈量新一代并联机床的推出,合作各方就向用户提供高速敏捷加工装备完整方案的战略合作达成了共识。
哈量集团将与中国西门子公司、山特维克公司合作,为用户提供完整最佳解决方案(设备、刀具、工艺、服务),而不仅是各自提供相关产品,共同促使哈量成为中国高速加工领域带头人。各方还将从应用设计阶段开始,同时与用户进行沟通,发挥各自优势,使资源整合达到最佳优化。
Exechon公司与Ascentech公司将在技术与市场推广方面全面支持哈量集团。
哈量集团将在原来并联机床开发经验的基础上,充分发挥自身精密制造和测量技术的优势,应用Siemens数控系统与应用软件资源和Sandvik高速数控刀具及高速加工专家分析软件,立足中国制造、面向全球市场、打造世界顶级产品。同时,围绕哈量具有世界水平的新一代并联机床,为用户提供完整最佳解决方案的服务。