• 产品与技术:发展21世纪的柔性加工系统(2)
  • 发布时间:2018-07-23 17:07 | 作者:采集侠 | 来源:网络整理 | 浏览:
  • 智能夹具   一个只能夹持一个工件的专用夹具,在任何地方都值30000美元至60000美元,一个有40至100个夹具的系统,很容易就使一个加工系统的成本增加数百万美元,我们需要一个能夹持很多个不同工件的夹具(那是真正的柔性夹具)它的刚度足以抵抗今天的重切削作用在工件上的力。    1988年1月,在美国国家标准与技术研究所的先进技术项目(ATP)基金的帮助下,我们开始开发一个智能夹具系统,该系统包括柔性夹紧,工件定位器,一个微定位器以及软件。对系统的研究工作将进行到2000年12月,我们的合作者是伊利诺斯大学、密执安大学、乔治亚大学,还有Daimler Chrysler、Ford和GM汽车公司。    夹具的柔性取决于清除固定的机械定位器。在智能夹具系统中,工件定位系统确定工件并感知其位置。系统的核心是夹具的配置站,它包括一个机器人的机械手和一个夹具的接收器,机器人传送交换夹具,交换夹具带着工件进出加工站和夹具配置站。    进入站的工件将被夹紧,而压板被调整来夹持现在的工件。当夹紧时,工件的位置不需精确地知道,一旦工件被确定无疑后,工件的定位系统就精确地定位工件,位于柔性压板底下的工件微定位器便校正任何的不对中性,然后夹具才被送到机床上。    一个灵捷的夹具系统可以为一个汽车制造商的每一个加工系统节约基本投资达1800万美元,为每辆车节约加工费30~50美元。这个项目中的合作者——三大汽车制造厂和Cummins发动机厂将在他们自己的工厂获得该新系统的第一个试用。3~5年后,我们将为国外市场进行改装。    灵捷系列的镗削工作站   镗孔常常是比较难的,特别是镗凸轮和曲轴孔就更难,因为他们的长径比很大,尺寸精度和几何精度也很高。每个镗削工作站都要按在特定的缸体或缸盖上的特定镗孔工序的要求来进行工程化设计。工件或工艺过程的任何变动都要求额外的再工程化或甚至更换镗削工作站。    一个专用的镗削工作站穿过托架镗一个光滑的孔,该托架将凸轮轴装在汽车发动机的顶上,孔的深度达889mm,在400mm×400mm的工作空间内任何位置上,孔的直径由25.4mm至76.2mm。具有多个切削刀具的长工具(镗杆)同时加工这些孔,但是调整很复杂,需要专门的主轴,镗杆必须两端支承,机床将很重。    切削刀具将从距机床支承结构很远的地方去进行其工作。一般一个25mm的孔要求刀具的行程约762mm。整个工序中,22.5kg重的刀具必须保持与发动机完全平行,不管重力和惯性力有多大。一把很长的钻头,当其走完一个很长的孔时,将会抖动或偏离前进方向。    传统的解决办法是沿发动机缸体的长度上采用细心对中的支承以保持刀具对准目标,当然,这些支承要预先满足镗刀杆的快速更换的要求。当振动问题使精度降低至低于可接受的水平时,用替换整体硬质合金提高柔性或用合金钢的复合镗杆以提高刚性,或采用不同的拉紧系统的努力都告失败。    柔性系列的镗削工作站可以精密加工至少6种不同的发动机型号,代替至少6台专用镗床。它可以削减每辆车的生产成本约50~85美元,每年为美国汽车制造商节省7亿至12亿美元。    为将灵捷性引入镗削加工中,防止引起误差的振动和变形的支承套必须取消。我们需要有一种具有能快速消除镗杆振动影响的被偿机构和保持孔具有足够尺寸精度和几何特性的刀具。智能工具及其控制被视为是一种好的替代。    我们在1995年便与密执安大学工程学院的一个研究小组一起开始研究此项目,并从国家标准和技术研究所的先进技术项目那里得到200万美元的资助,加上我们自己的70万美元基金。福特汽车公司、通用汽车公司和Chrysler汽车公司都参与了这个计划。    垂直度、波浪型(pitch)、摇滚型(Roll)、蛇行(Yaw)误差要最小化和位移精度是最优先要考虑的。我们的研究小组曾用一系列的机床零件有限元模型,特别是整台机床结构的有限元模型进行分析,以便优化其固有频率和响应频率,分析了热传导,耐用度和疲劳强度,以保证机床的稳定性和可靠性。    一台“灵巧”机床要求有一个灵巧的控制。我们的合作伙伴Granfield Precision公司在它的开放式结构的控制器cu6400上增添了一个专门的几何补偿功能,它可以改变孔的直径从25mm至75mm,并能在250mm×250mm的工作区内改变孔的位置。现在具有不同孔径和孔位的零件加工就用不着更改工装或重新制造工装了。    现在我们需要有一台和CNC加工中心一样灵活的但又要精密和刚性好的机床,不过任务才完成了一半在镗削、工装设计中的挑战和机床设计一样大。机床进行几何补偿的能力使它变得“灵巧”,所以我们决定把刀具也做得灵巧。    灵巧的刀具   在高速切削金属时,主动控制要求有刀具传感器和控制器,以便不断地监测和提供反馈。在传统的机床上,控制器板和刀具之间即使是3m~6m的距离也要引起不可接受的信号滞后。为此Lamb公司的工程师制造了一个含计算机的刀具,一个激光导引的系统和压电传感器放在刀具体?的刀具可以在5000r/min下旋转。切削刀具的调整是在主轴内计算好并发出信号,从而比传统的控制器能产生出更快和更精确的切削刀具的响应。    由于灵巧刀具必需包含有操作器和传感器以便实时控制镗杆,所以它是空心的。在刀具外径上的应变计提供更多的负载和位移的数据。刀具的里面是超精密的激光系统用于测量振动位移和操作器的位移,后者是较正切削刀片位置的。    刀具上有两个刀片,一个用于孔的精加工,一个用于粗加工。精加工刀片安在空心刀具里面的一个挠性物件上,并与具有高频响应的压电操作器相连接。刀具控制器输出进给量到压电操作器中,压电操作器将进给量转移成线性脉冲并通过杠杆传给挠性物件,杠杆推动精加工刀片作径向移动刚好抵消掉镗杆、工件或机床的振动影响。    我们把灵捷系列的镗削系统称为BOA,即具有最佳精度的镗削,三大汽车制造厂将第一个获得使用,这就使他们比外国汽车制造商占有优势,2000年9月在美国芝加哥国际制造技术展览会(IMTS)的Lamb展台上将展出该系统。    下一步干什么   2000年代将是系统供应商、刀具供应商和用户合作的时代。先进的产品开发集团必须与顾客一起工作以便确定和描述下一代的材料和加工。    我们必须鼓励刀具供应商开发低价位、高质量的涂层刀具。为了跳上一个台阶,提高可靠性和降低寿命周期成本的主轴和刀具技术必须发展。环境的趋势必须严格监视,干式加工的应用将增长,因为铝的应用变得较普及。先进的刀具材料可能被用于干加工含铁工作,而且干加工可能成为某些复合材料加工的选择。有一点是肯定的:当传统技术的固定目标遇到用户要求的不可抗拒的力量时,传统的知识将给人们一种打破框框的思维。(来源:机经网)

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