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日本在泛用型CNC综合加工中心机的进化论
 

【作者: 盧傑瑞】2018年05月02日 星期三

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在传统数位控制机床的基础上,予以多样化加工能力,高阶数位控制机床就能完成一个自动化生产线的工作效率,而备受关注,应用於复杂的曲面和自动化加工,在航空航太、船舶、机械制造、高精密仪器、军工、医疗器械产业等多种领域的设备制造业有着非常紧密的关系。


以业者数量来看,全球投入开发生产CNC综合加工中心机的企业,仍旧是以日本最多,从上游到下游,大大小小的业者分布在各个领域,例如知名的FANUC、MAZAK、AMADA、大??、森精机、JTEKT、牧野、小松、会田、三菱、SODICK、西铁城、不二越 富士、东芝、津上、??泽、远州、冈本、宫野、中村留、三井精机、丰和、富士、松浦、高松、浜井、仓敷、太阳工机、和井田、住友重机、芬太克、池贝等上百家。就算一些只有几十人个人的小企业,例如松浦、浜井都有其独到的技术实力;那怕是世界一流的大厂的德国DMG也要和日本森精合资,而目前的DMG是由森精主导,共用日本技术。


从2014年开始,日本的加工中心机就开始出现系统开发的变革性,各工具机大厂纷纷朝向更多功能性化的CNC综合加工中心机发展,利用单一设备就可以提供各式各样的多样化加工能力也就广被各界所关注。


八大发展趋向

加工制造业的生产环境持续呈现巨大的变化,同时也带动了泛用型CNC综合加工中心机(machining center)开发目标的变革,例如包括了不断被要求的高精细度、单轴的移动速度与转速的高速化、整体加工时间的缩短要求获得高效率化等等。因此,高速化、高精度化、复合化、智慧化、开放化、并联驱动化、网路化、极端化、绿色化已成为数位控制工具母机发展的趋势和方向。


面对这样的演进,泛用型CNC综合加工中心机的开发技术,也被引领着朝向多功能复合化、多轴化以及智慧型化的三个潮流发展。例如,2015年FANUC推出的Series oi MODEL F数位控制系统(图1),可和高阶机型30i系列的产品直接导入,具备满足自动化需求的工件装卸控制新功能和最新的提高运转率技术,强化了??圈时间缩短功能,并支援最新的I/O网路I/OLink。



图1 : FANUC的Series oi MODEL F具备满足自动化需求的工件装卸控制新功能和最新的提高运转率技术(source:FANUC)
图1 : FANUC的Series oi MODEL F具备满足自动化需求的工件装卸控制新功能和最新的提高运转率技术(source:FANUC)

而Mazak也提出的全新制造理念Smooth Technology,以基於Smooth技术的第七代数位控制系统MAZATROL Smooth X为核心,提供高品质、高性能的智慧化产品和生产管理服务。Smooth X数位控制系统搭配先进软硬体,在高速度下可进行多面高精度加工;图形介面和触控萤幕操作使用户体验更隹,即使是复杂的五轴加工程式,通过简单的操作即可修改;内置的应用软体可以根据实际加工材料和加工要求快速地为操作者匹配设备叁数。


积层制造为最受注目的新一代加工技术

除了多轴化加工之外,目前积层制造(Additive Manufacturing)是最受日本工具母机业者所注目的新一代加工技术,而这里所指的积层制造也就是所谓的3D列印技术,但是制造实际上并不像一般报导的神奇,能够制造出各式各样的造型,事实上还是有诸多限制。


目前应用在泛用型CNC综合加工中心机上的积层制造技术,是以粉末溶融结合和直接能量沉积(Directed Energy Deposition, DED)为主。采用粉末溶融结合技术的综合加工中心机,是在机床上铺满金属粉末,在机床表面进行加热,透过部分位置加热的原理,将欲进行造型部分的粉末透过热度进行溶融,然後再被固化结合,而形成积层造型,然後再进行一层层的堆叠成型,当然,面对需要进行精度修饰的部分,则会进行铣床加工(milling),来获得期??的精度。而直接能量沉积的部分,则是在综合加工中心机的主轴上装有专用套件,而金属粉末从释放的遮蔽气体(Shield Gas)提供出来,再透过雷射的照射,在预计加工的地方提供热能,使金属粉末进行溶融,然後被固化结合,进而形成造型,再利用厚肉部分熔接,在底盘上来完成积层造型制造。


除了这两样技术之外,工作母机大厂Mazak也发表了一款透过摩擦搅拌接合原理的综合加工中心机(图2)。



图2 : Mazak发表一款透过摩擦搅拌接合原理的综合加工中心机(source:Mazak)
图2 : Mazak发表一款透过摩擦搅拌接合原理的综合加工中心机(source:Mazak)

如图3所示,在一般的专用设备中,追加了高速转动的专用针头。一方面将材料缓缓送入,透过针头的转动摩擦产生热度,并与平台压合,再沿着接合的部分移动进行加工成型。因此,移动後的部分,就会逐渐成形。这样作业方式的好处是,透过摩擦搅拌接合的方式,会比前两款熔接的方式,让加工环境不再粉层环绕,并且更利用不会产生歪斜变形的优点,来进行不同金属之间的接合。



图3 : 透过摩擦搅拌接合的方式,让加工环境不再粉层环绕,并且更利用不会产生歪斜变形的优点,来进行不同金属之间的接合。(source:Mazak)
图3 : 透过摩擦搅拌接合的方式,让加工环境不再粉层环绕,并且更利用不会产生歪斜变形的优点,来进行不同金属之间的接合。(source:Mazak)

和目前主流的切削加工技术相比较,积层制造生产出来的加工品仍旧无法满足所有的条件要求。在各项的比较中,积层制造只有能够补加材料、以及无需考虑进刀的方向角度和空间,这两项能胜过以材料研切为基础的切削加工技术,例如,切削工具就无法进入中空造型部分,或是无法进行比刀具更细小的形状加工,其他的部分包括,加工精度、加工速度等都是难以和切削加工技术所比较的。不过,积层制造技术才发表数年的时间,相信在未来,这些困难点将会一一的被克服。


除此之外,例如雷射加工、切削加工以及搪光(Honing)加工等,也逐渐被整合到泛用型CNC综合加工中心机上。未来面对多样化的加工需求,这类多功能性泛用型CNC复合加工机将会被更加期待。


5轴数位控制加工机朝多元方向发展

在1958年CNC加工中心机被开发之後,透过多轴化以及多功能化的演进,目前不仅导入5轴加工能力,更是将加工中心机朝向多功能的复合化。原本CNC综合加工中心机的内部是仅由直进3轴所构成,由於在设备的内部空间,全部都是提供给加工轴前後移动,因此对於加工物来说,根本无法进行各角度的倾斜加工。然而,现今在设备内部再增加了可以旋转的2个加工轴,使得加工中心机达到5轴的工作能力,对於加工物来说,就可以进行从任意方向进行复杂形状的加工,例如医学应用上形状相当复杂的IMPELLA加工。


这种CNC加工中心机是以3轴中心基础,相当於1台车削中心和1台加工中心的复合。因此可以在1台CNC加工中心机上,经过一次加工流程,就可以完成全部的车、铣、钻、镗、攻丝等加工,最先进的机械加工设备之一。在通常的加工过程中,1个零件的加工,少则一两道流程,多则上百道,并且要经过多台设备的加工来完成,要准备刀具、夹具。对复杂的零件来说,有的准备时间就需要三、五个月的,即使不考虑经济成本,三、五个月的时间很可能会错过许多市场机会。


目前5轴数位控制CNC综合加工中心机发展非常迅速,不仅规格齐全,在硬体功能上十分完善,且软体功能也很强大。如德国WFL的M系列和日本MAZAK的E-H系列等。目前,最先进的5轴数位控制CNC综合加工中心机除了可以进行车、铣、钻、镗、攻等加工外,还可以镗型腔、钻深孔、滚齿、铣叶片以及进行磨削加工和加工件的线上测量,实现各种误差补偿、刀具在线监控和适应控制等。(图4)



图4 : 5轴数位控制加工机朝多元方向发展,不仅规格齐全,在硬体功能上十分完善,且软体功能也很强大。(source:Service 2000 UK)
图4 : 5轴数位控制加工机朝多元方向发展,不仅规格齐全,在硬体功能上十分完善,且软体功能也很强大。(source:Service 2000 UK)

日本设备业者在提高CNC综合加工中心机的车铣效率时,思考的逻辑和德国业者并不太一样,日本的CNC综合加工中心机是以高速、小切深、大进给为基础来确定工具机的叁数,利用了刀具的上限切削速度,适合於模具圆角和材料较软的被加工零件切削,这样考量的好处是以高速为基础的方式实现高效率,但是却会造成刀具寿命低,使得零件制造成本相对提高。


德国业者则是以重切削为条件,即大切深、大进给、高线速度来确定工具母机叁数,虽然速度不若日系设备,但是由於刚性好,刀具使用的寿命可以延长,设备经济效率可以有不错的优势,此外机械式动力主轴转速已达 9000r/min,也有效地解决了小圆角切削线速度低的问题。


降低生产线上负担的人工智慧化技术

以目前的数位控制CNC综合加工中心机所内建的技术或能力来说,最欠缺的关键字莫过於人工智慧。当然,以目前的角度来看,让CNC综合加工中心机具有人工智慧能补强现有的诸多不足,例如可以修正由於机械设备,在高速工作时所产生的热变形。5轴同时工作下,最高效率化时工作轴的互撞预防、探索和调整出最隹的切割条件、5轴数位控制的几何误差修正、运动轴的伺服叁数的调整…等,面对这样的需求,日本大??发表了新一代可对运动轴伺服叁数进行调整的数位控制CNC综合加工中心机。这部新一代的CNC综合加工中心机具备了人工智慧化技术,可以自动的探得在工作台上加工物品的质量,然後自动推算出工作轴的最隹加速度、直进轴、回转轴的最适切运作叁数。这样的智慧化技术,在减轻生产线上工作量负担的同时,并不会对於设备的加工品质与速度带来任何的影响。



图5 : 日本大??新一代数位控制CNC综合加工中心机可对运动轴伺服叁数进行调整。(source:本堂精工)
图5 : 日本大??新一代数位控制CNC综合加工中心机可对运动轴伺服叁数进行调整。(source:本堂精工)

CNC综合加工中心机的线上量测进化

除了以复合化、多轴化、智能化为中心的技术,不断的推动CNC综合加工中心机变得更优异之外,日本业界也开始计画在CNC综合加工中心机中增加线上量测能力,这一部分,日本工作机械工业会的机械规格?门委员会MC分科会,已经针对CNC综合加工中心机精度检测用的ISO规格进行相关提案,并且计画做成JIS的量测标准之一。


和CNC综合加工中心机有相关的ISO规格,是对於在2012年时所提出的ISO230-1工作机械试验方法通则进行修改。主要修改的一点是,将加上5轴CNC综合加工中心机检查方法。包括工作盘的旋转状态、主轴头旋转状态、主轴头-工作盘的旋转状态的5轴CNC综合加工中心机对应规范。例如,对於智慧化方面的「5轴CNC综合加工中心机的几何误差」下,检查规格的型态等。


另外,还有对於多轴运作试验的特殊部分、综合加工中心机内部作业空间的位置精度决定、全部空间的精度等,测量方法的定义。这一部分,将利用球的排列作为基准度,再透过雷射干涉仪来进行多边测量。


透过雷射干涉仪来进行多边测量的想法是,透过在工作台上设置的追尾式雷射干涉仪,测量到安装在主轴上反射镜的距离。如果能在工作台上设置3个以上追尾式雷射干涉仪时,即使主轴的位置出现移动,而导致测量点变更的话,这3个追尾式雷射干涉仪也能够各自进行量测。并且透过各量测点所测量到X、Y、Z方向的偏差值来计算出结果。不过,如果期??能够一并计算出运动轴间的几何误差、间距、偏移以及偏转等等动作角度误差的话,除了必须透过这个测量的方法之外,还必须使用相当而贵的测量系统设备不可(图6)。



图6 : 透过在工作台上设置的追尾式雷射干涉仪,进行多边测量(source:日本工作机械工业会的机械规格?门委员会MC分科会)
图6 : 透过在工作台上设置的追尾式雷射干涉仪,进行多边测量(source:日本工作机械工业会的机械规格?门委员会MC分科会)

另一股新技术势力後起直追-中国

不只日本在CNC综合加工中心机上,追求复合化、多轴化、智能化。中国工具母机业者也在技术上後起直追。根据一份日本对於工具母机在专利申请的分析报告发现,中国工具母机业者对於技术专利的申请这几年间,专利数量都有大幅度的增加。


自从2009年开始,中国在工作母机设备的总生产值位居世界首位以来,迄今都还是一直保有这个市场地位,不只如此,连产值第一的企业也是来自中国。面对这麽庞大的市场,以及对於工作母机设备旺盛的需求,来自全球各业者无不卯足全力地投入中国市场。不过由於技术能力的差异性,中国的工作母机设备业者大多是供应较廉价且技术层次较低的产品,而高阶精密、多功能性的工作母机设备仍旧大多都是来自日本和德国。


从统计资料可以发现,在过去这几年间,立式和卧式搪铣加工中心机的全球市场产值,总金额已经超过500亿美元,而形成了一个不可忽视的巨大市场(图1),虽然随着景气波动,总金额也有所起伏,但是以生产总金额来说中国始终位居第一,可以称得上是制造大国。


从中国市场的专利申请的趋势与数量来看,近几年来,中国工作母机设备业者也开始朝向高阶精密、多功能性开发新一代产品,不仅仅专利申请数量急遽增加,在创新性技术方面也急起直追。


在立式和卧式搪铣加工中心机相关专利部分,如果以美国、日本、中国、韩国、台湾、欧洲这几个设备主要生产国来看,美国、日本和欧洲分别每个市场都位居主要的专利申请者,但是有一点比较有趣的是,在中国市场部分,美国、日本、韩国、台湾、欧洲等国家业者加总起来,也仅仅占有23.3%,而中国企业则高达76.7%,但是中国企业在中国以外的市场申请专利数量却是寥寥无几,可以说数量都占不到1%(图7)。



图7 : 近几年来,中国工作母机设备业者也开始朝向高阶精密、多功能性开发新一代产品,不仅仅量产能力急遽增加,在专利申请数量也急起直追。(source:日本工作机械工业会)
图7 : 近几年来,中国工作母机设备业者也开始朝向高阶精密、多功能性开发新一代产品,不仅仅量产能力急遽增加,在专利申请数量也急起直追。(source:日本工作机械工业会)

在中国市场申请专利应用的领域上,最大比例是以汽车加工为主,占了47.2%将近一半,此外航空飞行器也占了相当大的比例。


虽然中国业者在立式和卧式搪铣加工中心机(Vertical Boring and Turning Mill与Horizontal Machining Center)的技术开发投入与市场,都呈现了大幅度的成长,同时也开始朝向人工智慧方面发展,尤其对於卧式搪铣加工中心机的基础研究更是不遗馀力。但由於关键仍旧是在於加工设备的自动控制与融合技术(combine technology)上,因此在这部分,日本还是掌握了加工知识与软体实力,而持续保有其市场上的优势性。


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