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[硬件] 生产一台双台面五轴加工中心

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发表于 2017-11-13 03:30:58 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 东方不举 于 2017-11-13 08:06 编辑

        注册论坛两年多了,两年前回国,对家具一无所知,大学学的机械知识也差点还给学校。去年做过一年实木家具,到今年能够设计加工调试五轴加工中心,人生是很奇妙的,只要努力学习,能做到的事情是很多的。这里虽然是爱好者论坛,但我一直努力把在国外的见闻、最新的工艺等试图介绍给大家,我从最初什么都不懂看大家的帖子学习,到现在能够写点东西分享,深感交流分享的重要性。               我在去年刚开始接触实木家具生产的时候,发现国内家具生产用到的数控设备较少,很多程序还是靠手工完成,又累又不出活。我就一直在思考,有没有先进的设备既能做到手工的工艺,又能批量化生产降低手工的难度。带着这样的疑问,我开始网上找国外家具厂生产的工艺视频资料。丹麦和日本的家具尤其印象深刻,遂萌发了去这些著名家具产地一探究竟的欲望。之前发过我去国外家具展的帖子,去年陆陆续续去过日本、越南、丹麦、意大利的几个家具厂。在一些实木造型产品居多的工厂,看到了五轴加工中心这种利器!在日本看到的五轴加工中心,已经很陈旧了,但是还可以使用,感觉跟我岁数差不多,当时真是感觉网上说我国和国外差距十几年,真不是开玩笑。欧洲和日本十几年前这种设备在比较好点的家具厂已经普及了,国内这两年才刚刚听过,也只有大点的家具厂能买得起进口的五轴加工中心,价格十分昂贵。我觉得这个真是个好东西,当时就想在国内买一台!但是在询价的过程中,感受到了来自国内家具设备厂销售人员深深的伤害。我当时对设备一无所知,没头苍蝇一样四处打听,能做的不能做的,有厂的没厂的,都来忽悠。再者个别看起来像大厂的销售更加恶劣,我不懂想多问几个问题,就是一脸鄙视的样子,外加无限制的吹嘘。
       我本科就是工科专业,机械相关课程都学过,工程实习的时候还做过小锤子。听他们侃侃而谈的我当时就纳闷,机床都是有精度指标的,你只说好,说你的零件用的进口件,但是涉及到数据、精度等具体指标,就敷衍了事。有些销售根本没有工厂,就是做个网站骗人,等你要去厂里实地考察,就带你找一家他们串通好的工厂去,张冠李戴。去厂里参观,也不是专业做加工中心的,基本都是做木工下料机雕刻机的多,技术水平差很大。导轨安装就是随便拿螺栓拧上,平尺都不打,导轨面加工也不是数控龙门铣加工,极度不规范,这种设备怎么能够保证精度?我就不说设计前整体的力学仿真了,连应该用什么软件名字都不知道。总之随着接触的越来越多,了解的也越深入,真是感觉绝望。设计组装糊弄也就罢了,嘴里说的进口零件,很多也压根不是,都是国产的替换,成本连进口的三分之一不到,同样的3模齿条,台湾YYC的价格是国产的10倍。焊接的床身不做退火处理,赶工期草草了事。懂点机械的都知道,机床最优的选择是经过退火的铸造件,在成本和工期压制下选择焊接件的,要做到 1 优化结构设计,焊接钢板阻尼系数小,震动抑制能力差,要保证横梁等结构件强度和模态震动频率不共振,必须设计合理的加强筋,至于筋应该怎么布置,一来看经验,二来就需要借助软件仿真。我们使用的是UG里自带的分析模块,前后参考了国外二十几种横梁加强筋的布局方式,发现确实是有不同。 2  必须退火!!!焊接结构件不退火,连上龙门铣的必要都没有,铣刀前脚跑完,后脚就翘曲变形。木工设备厂能规规矩矩做到规范的,屈指可数。很多事真的不能深究,存在即合理吧。但我最不能忍的是,他不好好做,还欺负我不懂一样骗我,我就是好我就是贵的有道理,问题他们技术员自己都玩不转的设备,他也敢卖。很多厂自己是没有设备的,也没有技术,就复印国外的样本,当自己的机器,来了客户就信口开河胡说八道,连蒙带骗签单。
       我这个人是个不爱服输的人。你们这么喜欢胡说八道,我就做一台给你们看看,教教你们。
         在设计这台设备的时候,我参考了众多国外五轴加工中心的案例,意大利的巴吉、百德、巴利维利、CMS,德国的MAKA 威力 和美国的一些厂商,基本这个地球上做这类轻加工机床的厂家产品手册都研究过。床身结构方面,相对来说问题不大,钢管焊接后回火,用于这种轻切削最合适,造价低工期短。难点就落到了五轴独有的双摆头上。用于金属切削的五轴铣床,有双摆头模式、摇篮式、转台式主要三种,这三种各有利弊。摆头式加工范围大,但是Z轴末端同时集成两个旋转轴,造成主轴刚性较差精度较低。摇篮式在原三轴基础上加两轴复合转台,精度高刚性好但是加工范围太受限,明显不能用于家具零部件加工。转台式原理同摇篮式,所以最优的方案就是双摆头结构。同时在选用了直径更大,刚性更好的减速机后,主轴刚性和进度有了充分保证,加工铝合金完全没有问题。XYZ三轴则通过合理布置丝杠或者齿条传动,精度也能控制在设计要求之内。这里我多说点丝杠齿条精度问题。一般木工机械,丝杠用轧制C7等级,精度300MM累积误差50微米左右,就是所说的5个丝(0.05mm)。现在台湾丝杠(上银 TBI PMI),有了轧制的C5等级精度,误差是C7一半左右,价格小幅提升。C3等级研磨丝杠,多用于金属切削机械,精度10微米之内,长度能做到四五米长,直径80或者100往上。齿条使用DIN8级别精铣,精度基本类似C8丝杠,齿条能做到最好的是研磨DIN5级别,等同于C5丝杠。最终的机床精度实现有赖于合理的选用传动部件精度,高了浪费,每一个等级价格都相差很大,越高差的越多,C3直径80的丝杠一米将近1万块,还订不到货。选用合适的传动原件,装配完后使用激光干涉仪补偿,都可以得到理想的精度。这里专业性太强,就不细说了,总之丝杠齿条导轨等精度等级的选择,是在整体机床精度控制下展开的,根据不同的加工需求,定不同的整体精度等级,然后选择加工母机,传动原件精度,是一个系统工程。说到加工母机,我就展开说吧。加工母机就是用于加工我们床身零件的机床,这种都是大型的金属切削机床。不同的零件使用不同的机床加工。小件轴承座,要成对的用镗床加工,保证轴承安装面的完全贴合。大一点的,用小铣床,小磨床干出来。再大一点的,复杂的,比如五轴头的减速机安装壳体,这个就很麻烦。C轴和B轴两个安装面必须保证互相垂直且圆心线相交于直角点。传统的方式很难通过一次装夹完成两个加工面,一旦换装夹,精度就会出现损失。本着严肃认真的原则,费劲九牛二虎之力和海量的银子,搞到了一台德玛吉的五轴加工中心,市场价大概300万左右吧。用一整块6061T6铝合金铣出来形状和安装面,这样能保证强度和精度的完美统一。可惜我们加工经验不够,自己编程加工的东西,表面刀痕很明显,没有平常见到的那种闪亮的感觉。不过我们是整块铝合金铣,比国外的铸造件还是好很多,不会产生铸造缺陷也不需要做退火稳定处理。(铝合金铸件严格来说也需要做热处理,详情参考发动机缸体铸造过程)大一点的底座、横梁、立柱,就要用到龙门铣了。龙门铣母机的精度直接决定了所加工件的精度,用A龙门铣加工的零件组装的B龙门铣,B的精度不可能高于A的精度。除非B经过了相当长时间的人工刮研调整等步骤,所以这就是为什么工业母机贵而且少的原因。能称得上母机的,都必须一年四季住在恒温车间,空调随时吹着控制温度,因为钢铁等材料是热膨胀的,即使相差1°,在我们看来可能甚至感受不到,但是金属的微弱变形已经足以影响到机床的精度了。要知道母机加工的精度是以微米计的。甚至装夹的微小形变最后都会反映到导轨面的平直度上,用激光准直仪都是可以直观的检测出来。这个我是真的没本事搞到母机加工,再者焊接的床身,用母机或者磨床加工本身就是暴殄天物。但是我也不想糊弄,刚好本地有朋友介绍做机加工,去了一看直接被镇住。这里有西班牙进口的尼古拉斯龙门铣,带自动五面分度铣头,这就一贵货,比德玛吉那个还贵,德玛吉那个小,这个加工范围2540,平时用来做冲压模具的。问了下五百多万吧,但是真的很好看,看着就很舒服。钣金做的是相当好,当然加工肯定是没问题了。我也就懒得跟他问精度什么的屁话了,显得我太业余。这种五面分度铣头,是以1°或者2.5°等不同的角度数划分,也就是一次旋转只能是分度的倍数,转到位置后液压抱死机械主轴主轴加工,不能做到联动,类似3+2,我们做的则是五轴联动铣头,两个减速机带动电主轴。机械主轴是主轴电机通过皮带或者联轴器带机械主轴,用于机械加工,吃刀量大转速低,有时候也会加减速箱用,可以用更大的盘刀提高切削效率。电主轴主要是轻切削用,德国凯斯勒也有用于机加工的电主轴,价格感人。我这次买的是意大利海铁克的电主轴,12KW专门用于木工轻金属切削的。
        写了好多,还是上图片吧,慢慢介绍。我还没最终调试完,随时更新吧。
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设计定型,做个这样的吧。


刚拉回来的钢管  有8MM厚和12MM厚两种规格
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在平台上焊接,第一次做,很多不合理的地方,下次都需要改图纸。
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横梁焊接,用50X50方管,切掉一面,内部填充加强筋,就TM这根最贵又浪费了很大一部分。

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退火之后的Z轴,可以发现表面均匀变红,实际上是出炉后表面的铁高温下氧化成四氧化三铁。
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粉红色
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重头戏,这个龙门铣做普通铣床的加工母机是完全够了的。三轴都带光栅尺,精度无可挑剔。价格600万人民币
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安装导轨
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塞尺检验是不是靠近加工面
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由于我们没有设计在机加工机床常用的压块,遇到靠不紧的,砸!
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用平尺调完一根导轨后,用这根做基准,调另一根。直线度和平行度误差在3丝之内。
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安装齿条,同样根据导轨调整齿条相对位置。
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螺栓调整完毕后,打销子固定,齿条就装好了。这次我们把XY轴分别用丝杠和齿条两种方式传动,我想最后用激光干涉仪可以分别测定两个轴的定位精度和重复定位精度,这样知道两种方案的实际效果。就这次看来,这种行程工作范围不大的机床,还是丝杠合适,齿条+齿轮+减速机的价格,几乎是同样丝杠的两倍了。我买的X轴丝杠是C7 40MM直径TBI品牌,Y轴齿条是3模DIN7研磨等级,台湾YYC,减速机台湾APEX,都是几乎最好的品牌,最后看效果怎么样吧。加工和装配是没多大问题的。
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平尺调整X轴导轨位置
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安装Z轴丝杠,选用TBI C7等级 50MM粗,我的Z轴设计没有加平衡气缸。用了安川2.9W伺服电机+5020丝杠,当时刚设计的时候头脑发热,正常来说电机功率1.3KW足够的,我给翻倍不止,在别的厂家也没见过用50丝杠的...
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这丝杠比我手腕是要粗的...
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起吊横梁
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横梁OK,我哥们很激动,留念下。
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装好Z轴以及五轴头和台面
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台湾新代五轴系统。这个相对便宜,当然是和机加工五轴系统比。实际也不便宜
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伺服驱动
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接线端子

下面是一些有关五轴头的图片。五轴头我最开始去意大利HSD和海铁克都考察过。HSD大公司,二三百人,产品线有石材、木工、铝合金、玻璃、金属等不同类别,很多种主轴和摆头。海铁克小公司,主要做木工轻金属的电主轴以及摆头。
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HSD公司内部,国外公司很开放,你是客户,去参观考察,都会带你到车间转一圈。你能看到的都不是秘密,技巧光看你也学不到,不怕你看。和国内行程鲜明对比,国内越是烂的越捂着也越烂,我怀疑是怕别人知道自己有多烂。比如某些喜欢吹牛X还不敢让客户验厂的企业。
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海铁克的五轴头,B轴是50°布局,这种力学结构最好,但是和系统匹配难,新代调不好。

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虽然我转了他们两家一圈,但是最后还是选择了我们自己设计的五轴头。设计这个的时候我参考了机械臂的结构。也是突然灵感闪现,BC轴,不就是类似机械臂那种摆动轴吗,机械臂用伺服电机+减速机结构,那我这不也是可以吗,继续找资料,果然国外也是这种结构。虽然没有双摆头资料,但是机械臂资料还是很多的。机械结构设计不复杂,但是需要考虑到的东西很多。我这次是深有体会,仅仅实现功能,很简单。但要实现功能的前提下,保证可靠性,比如电机不漏水不漏气,冷却水道布置的不能和气体通道串了,接头和管子必须能耐受弯折,每一项都是一个节点,都必须实际测试。我这次的设计也不敢说100%没问题,只能后期使用过程中出现问题改正问题,希望越做越好吧。
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这就是成品了,虽然外观差了些...功能是没问题的。12KW海铁克电主轴
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加工五轴壳体的德玛吉五轴加工中心。300万左右吧
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整块铝合金,铣吧,干了一个周
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安装面镗刀铣好,打上安装孔,一次装夹完成两面加工,精度全靠这台德国进口机床了。
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加工调整中
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开始加工
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出形状了,铣掉没用的表面,比铸造浪费了太多的时间。

总之先这样吧,后续的调试、加工试样,我补上来,有什么问题欢迎交流。我既是个家具从业者,也是个机械从业者,这个论坛都是爱好者居多,我也不是为了做生意来发帖的,纯粹是知识和经验的交流。

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发表于 2017-11-13 07:54:46 | 显示全部楼层
打酱油路过
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发表于 2017-11-13 08:03:18 | 显示全部楼层
仰慕。。。
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发表于 2017-11-13 16:22:19 | 显示全部楼层
太牛了中国就需要你这样精益求精的人,不过话说回来也不能怪个人,只能怪中国贪图发现忽略了许多!!我看中国老祖宗的木工活被外国人玩的66的,中国还有多少这样的?恐怕只有那些从业者了吧!!
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发表于 2017-11-13 16:28:41 | 显示全部楼层
大牛      
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发表于 2017-11-13 16:37:57 | 显示全部楼层
人才
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发表于 2017-11-13 16:55:03 | 显示全部楼层
你这是准备正儿八经商业化么。研发投入得几十万吧
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发表于 2017-11-13 17:12:11 | 显示全部楼层
几百万的设备,搞个木工雕刻机,有现成资源就是爽
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发表于 2017-11-13 17:16:06 | 显示全部楼层
这设计真不敢恭维!
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发表于 2017-11-13 17:21:32 | 显示全部楼层
好文。最需要的就是您这种一丝不苟的钻研、敬业精神。
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发表于 2017-11-13 17:28:32 | 显示全部楼层
有米人,设计一般,精神可嘉,感觉不如大型天车结构
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发表于 2017-11-13 18:11:04 | 显示全部楼层
一丝不苟的钻研、敬业精神
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发表于 2017-11-13 18:12:06 | 显示全部楼层
怎么没看见楼主的机床力学仿真?另外还有个小小的建议!床身方钢里有没有填充东西!我记得上去去北京机床展   无意中看到国外的一家机床在床身里面有填充材料!我当时问他们这是什么材料  起什么作用  当时他们没有回答!回来想拍照也没有允许!回来后我反复的想  床身里面的材料  可能是某种吸振材料!填充到床身里面!结合你设计的机床  本人觉得刚性欠佳!另外就是抗振性!
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