一、采用高速加工中心的必要性

高速加工中心在機(jī)床領(lǐng)域中已經(jīng)確立了不可動(dòng)搖的地位，現(xiàn)在沒有人懷疑高速加工中心的發(fā)展前景。許多機(jī)床廠都把高速加工中心作為了自己的主導(dǎo)產(chǎn)品，說明高速加工中心的巿場(chǎng)之廣闊。高速加工中心的制造技術(shù)也已進(jìn)入成熟期。用于高速加工中心的新部件和新的機(jī)床配套件不斷推出，進(jìn)一步提高了高速加工中心的水平。

高速加工中心相比傳統(tǒng)加工中心的優(yōu)勢(shì)在哪里？或者說我們?yōu)槭裁匆l(fā)展高速加工中心？可以從下面表1、表2、表3中看出。由于加工中心的速度和加速度不同，移動(dòng)同樣的距離所耗用的時(shí)間是不同的。

現(xiàn)以下述4種具有不同速度和加速度的加工中心為例，將其在移動(dòng)25mm、50mm、100mm、200mm、500mm時(shí)所需時(shí)間列于表1，以說明其各自的加工效率。

表1 不同速度和加速度的加工中心之移動(dòng)距離與時(shí)間的關(guān)系

表2 電主軸啟動(dòng)及停止時(shí)間

圖1 以不同速度和加速度移動(dòng)的幾種加工中心所用時(shí)間與距離曲線

表3 以加工某種零件為例，速度和加速度不同的加工中心所需節(jié)拍時(shí)間對(duì)比
注：上表中切削時(shí)間不同是由于高速機(jī)床相應(yīng)使用較高切削速度等切削用量

第一種：V=75m/min，a=10m/s² (1g)；
第二種：V=60m/min，a=10m/s² (1g)；
第三種：V=36m/min，a=3m/s² (0.3g)；
第四種：V=15m/min，a=1m/s² (0.1g)。

高速加工中心一般采用電主軸，在使用過程中電主軸從啟動(dòng)達(dá)到某一轉(zhuǎn)速，或從某一轉(zhuǎn)速到停止所耗用的時(shí)間相對(duì)較少，也同樣節(jié)省了時(shí)間。表2是某兩種電主軸啟動(dòng)和停止所需時(shí)間。

從表2和圖1可以看出由于提高了速度和加速度節(jié)省了時(shí)間，至于選用高速加工中心可以提高多少效率，我們看表3中四種不同加工中心的對(duì)比。

從表3顯示的數(shù)據(jù)可以看出用一臺(tái)高速加工中心完成的工作量，用速度慢一些的加工中心完成同樣的工作分別需要1.5臺(tái)、2臺(tái)、2.5臺(tái)。可以看出用高速加工中心組成生產(chǎn)線可以有效地減少機(jī)床的臺(tái)數(shù)，可以減少投資，減少占地面積，節(jié)約能源，減少了使用成本。這就是高速加工中心的優(yōu)勢(shì)和采用高速加工中心的必要性。


二、高速加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

對(duì)高速加工中心機(jī)床性能的要求：
1.高的主軸轉(zhuǎn)速，一般在每分8000轉(zhuǎn)以上；（按機(jī)床規(guī)格的大小而不同）
2.高的進(jìn)給速度，一般在每分15米以上；
3.快的移動(dòng)速度，一般在每分55米以上（按機(jī)床規(guī)格的大小而不同）；
4.高的加（減）速度，一般在0.5g-1.5g以上（按機(jī)床規(guī)格的大小而不同）；
5.微米級(jí)的加工精度；
6.高的靜、動(dòng)態(tài)剛度和輕量化的移動(dòng)部件。

按照上述要求，臥式高速加工中心在結(jié)構(gòu)上有以下特點(diǎn)：

主軸一般采用電主軸，電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、精密、轉(zhuǎn)速高的特點(diǎn)。

#p#分頁標(biāo)題#e#三座標(biāo)的結(jié)構(gòu)有少數(shù)機(jī)床采用動(dòng)柱式結(jié)構(gòu)，其余大多數(shù)則采用“箱中箱”式結(jié)構(gòu)。“箱中箱”式結(jié)構(gòu)是幾種形式中速度和加速度水平最高的。

圖2 臥式高速加工中心的“箱中箱”式結(jié)構(gòu)
一般移動(dòng)速度在50m/min以下的加工中心大都采用新設(shè)計(jì)的立柱移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，配上外置Z軸或者外置X軸，則機(jī)床制造上非常簡(jiǎn)單，工藝性好，因而成本低，是一種比較經(jīng)濟(jì)的高速加工中心。

由于動(dòng)柱式加工中心立柱本身是一種懸臂梁結(jié)構(gòu)，切削力產(chǎn)生的顛覆力矩將使立柱產(chǎn)生變形和位移，影響機(jī)床的精度，所以立柱一般設(shè)計(jì)得較重，當(dāng)驅(qū)動(dòng)立柱移動(dòng)時(shí)較高的立柱將因頭重腳輕而不適合較高的速度和加速度，因此高速移動(dòng)的立柱一般不宜太高因而影響上下移動(dòng)的行程。

為了減小切削力產(chǎn)生的顛覆力矩，機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)常把立柱后導(dǎo)軌加高，與前導(dǎo)軌不在一個(gè)平面上，但是后導(dǎo)軌因空間限制不能提得太高，太高將與主軸電機(jī)相干涉。當(dāng)把后導(dǎo)軌提到立柱上端問題得到解決，這樣就產(chǎn)生了框架式結(jié)構(gòu)，原來的立柱變成了有著上下導(dǎo)軌的滑架。加上前面支撐主軸滑枕的框架合在一起形成了今天流行的“箱中箱”結(jié)構(gòu)。所以它上下兩個(gè)導(dǎo)軌支撐的滑架就相當(dāng)于動(dòng)柱式機(jī)床的立柱，這樣這個(gè)立柱就由懸臂梁結(jié)構(gòu)變成具有兩端支撐的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)支梁的最大變形點(diǎn)在中間，同等條件下它的最大變形僅有懸臂梁的十六分之一。這樣這個(gè)滑架就可以在不影響剛性的情況下做得比較輕，為高速度和高加速度提供了條件，這就是“箱中箱”結(jié)構(gòu)得以流行的主要原因。

線性伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)采用直線電機(jī)已很普遍，但更多的還是采用旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)加滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)。伺服電機(jī)加滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)雖然在速度和加速度等方面不如直線電機(jī)，但經(jīng)濟(jì)節(jié)能，也非常可靠，因此被廣泛采用。


圖3 立柱移動(dòng)式結(jié)構(gòu)向箱中箱式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變示意一些公司也在采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，如SPECHT500L移動(dòng)速度達(dá)到100米和120米/分。直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)具有更好的動(dòng)態(tài)特性，結(jié)構(gòu)也更簡(jiǎn)單，具有高的直線速度、高加速度、行程長(zhǎng)度不受限制、機(jī)械零件少、無磨損、高剛度等優(yōu)點(diǎn)。

它的缺點(diǎn)是：

巨大的強(qiáng)磁吸力作用于導(dǎo)軌上，采用雙直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)雖然可以抵消作用力但將增加成本；

不可能放大拖動(dòng)力；

高功率損失及高發(fā)熱；

產(chǎn)生干擾磁場(chǎng)；

防鐵屑困難；

造價(jià)較高。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的這些缺點(diǎn)將被逐步克服，使用直線電機(jī)是將來高速移動(dòng)裝置的發(fā)展方向。


三、 敏捷制造系統(tǒng)

由高速加工中心組成柔性生產(chǎn)線，配上由桁架機(jī)械手組成的智能的工件輸送裝置（也可由導(dǎo)軌機(jī)器人作工件輸送），并且高速加工中心在工序布置上盡可能采用并聯(lián)的布局形式，這種柔性生產(chǎn)線我們稱之為敏捷制造系統(tǒng)。當(dāng)然有時(shí)為了節(jié)省投資也可由簡(jiǎn)單的物料系統(tǒng)即由人工或由助力機(jī)械手來上下料，構(gòu)成了簡(jiǎn)易型的敏捷制造系統(tǒng)。
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圖4 敏捷制造系統(tǒng)典型布局示意
敏捷制造系統(tǒng)的特點(diǎn)是：在布局上盡可能采用并聯(lián)形式的高速柔性制造單元加上智能的物流系統(tǒng)。

由桁架機(jī)械手與高速加工中心組成的敏捷制造系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

在項(xiàng)目初期，可以按資金和巿場(chǎng)情況分批投入、滾動(dòng)發(fā)展。所謂分批投入是指并聯(lián)布局形式的加工中心由于幾臺(tái)工序內(nèi)容相同，可以按資金和巿場(chǎng)情況先投入一臺(tái)或兩臺(tái)，其余的幾臺(tái)可以留出安裝位置，在條件具備的時(shí)候再投入；

具有很強(qiáng)的柔性，產(chǎn)品改型非常方便；

設(shè)備的故障不會(huì)造成全線停產(chǎn)；

機(jī)床品種單一，維修和備件都方便；

設(shè)備臺(tái)數(shù)少，占地面積小；

在產(chǎn)品批量不是特別大時(shí)，采用敏捷制造系統(tǒng)可以節(jié)省投資；

由于采用標(biāo)準(zhǔn)的高速加工中心和可以采購(gòu)到的桁架機(jī)械手，交貨期因此縮短。

由于采用了桁架機(jī)械手進(jìn)行工件輸送，可以大大簡(jiǎn)化作為柔性線的基本單元——高速加工中心的結(jié)構(gòu)，這樣每臺(tái)高速加工中心單元的制造成本會(huì)下降，而且可以形成批量生產(chǎn)，縮短了機(jī)床的制造周期，使敏捷制造系統(tǒng)的供貨周期要比剛性自動(dòng)線更短。在國(guó)外由于專機(jī)的價(jià)格較高，組成自動(dòng)線的機(jī)床臺(tái)數(shù)也較多，所以剛性自動(dòng)線的價(jià)格往往高于敏捷制造系統(tǒng)的價(jià)格。國(guó)內(nèi)的專機(jī)價(jià)格比國(guó)外低得多，而國(guó)內(nèi)高速加工中心由于大量采用國(guó)外進(jìn)口的配套件因此價(jià)格與國(guó)外差距較小。這樣在國(guó)內(nèi)敏捷制造系統(tǒng)的價(jià)格與剛性自動(dòng)線的價(jià)格是各有優(yōu)勢(shì)的，一般批量較小時(shí)敏捷制造系統(tǒng)的價(jià)格較低，批量大時(shí)剛性自動(dòng)線的價(jià)格較低，交叉點(diǎn)一般在年產(chǎn)3-8萬件之間。在國(guó)外這個(gè)交叉點(diǎn)要在年產(chǎn)20萬件的批量上。當(dāng)然這與剛性自動(dòng)線的配置水平有直接的關(guān)系。

表4 敏捷制造系統(tǒng)與柔性制造系統(tǒng)的比較
柔性制造系統(tǒng)同樣是采用高速加工中心和桁架機(jī)械手，而在布局和工序安排上采用串聯(lián)的布局方法，這樣就組成了柔性制造系統(tǒng)。兩者相比有以下不同。

串聯(lián)布局的柔性制造系統(tǒng)由于每一加工單元負(fù)擔(dān)的加工內(nèi)容少因而減少了刀具的總體數(shù)量而減少前期投入（但不減少使用成本），由于負(fù)擔(dān)的加工內(nèi)容少因而減少了回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的使用，但是增加了機(jī)床和夾具的種類，工件加工過程中裝夾次數(shù)增多。兩種系統(tǒng)總體投資基本相當(dāng)，但是由于柔性制造系統(tǒng)所有機(jī)床加工內(nèi)容不同，只有全線全部完成才可以生產(chǎn)出合格的零件。因此柔性制造系統(tǒng)不可能分批投入資金，前期投入較大。

從表4可以看出采用敏捷制造系統(tǒng)可以分期投入資金，生產(chǎn)線可以對(duì)各種變化快速適應(yīng)，反應(yīng)敏捷，是一種很好的生產(chǎn)線方案。


圖5 加工四、六缸體的敏捷制造系統(tǒng)在敏捷制造系統(tǒng)方案的機(jī)床選擇上，也可以采用高速加工中心、數(shù)控機(jī)床、專機(jī)相結(jié)合的方案，像汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體、缸蓋特別適合采用敏捷制造系統(tǒng)，它們?cè)谏a(chǎn)線的前部分工序主要是面的銑削加工，像頂?shù)酌妗⒆笥颐妗⑶昂竺妗⑼邫n面，由于工序單一，單工序時(shí)間較長(zhǎng)，采用數(shù)控的專用銑床或自動(dòng)線往往可以進(jìn)一步減少投資，也能適應(yīng)產(chǎn)品的變型，具有一定的柔性。主油道孔、缸孔的粗鏜也同樣可以采用槍鉆和專機(jī)解決。生產(chǎn)線后部分的精加工工序，象缸體加工的曲軸孔、凸輪軸孔的精加工、缸孔及止口的精加工、缸蓋導(dǎo)管孔的精加工可以根據(jù)被加工零件的具體情況采用高速加工中心或者采用精密專機(jī)來完成。 #p#分頁標(biāo)題#e#

右面的圖5就是一條采用數(shù)控專機(jī)、高速加工中心、精密專機(jī)組成的敏捷制造系統(tǒng)。年產(chǎn)四、六缸缸體五萬五千件，17臺(tái)專機(jī)，23臺(tái)高速加工中心，5條桁架機(jī)械手，2臺(tái)液壓助力機(jī)械手，12臺(tái)輔機(jī)以及機(jī)動(dòng)滾道和工件回轉(zhuǎn)裝置。