一个五轴流程，10个自动化要素

当观察 Phoenix Proto 带有六工位托盘池和托盘装载系统的新型五轴机器时，即使是未经训练的眼睛，自动化也是显而易见的（同样配备的一台三轴机器也是如此）。也就是说，还有其他可能更微妙的自动化元素构成了车间的五轴流程。事实上，正是这些元素使该工艺能够反复达到车间铝模具部件所需的公差和表面光洁度，同时在尽可能少的人为干预的情况下调整可能对加工精度和产量产生不利影响的固有变量。

关于吞吐量的这一点很重要，因为密歇根州森特维尔工厂的目标是在三周内向客户提供组装好的铝模具，因此快速周转高质量的机加工工具组件势在必行。

公司总裁 Bob Lammon 表示，铝仍然常用于制造原型和“桥梁”工具（暂时用于使公司能够在等待钢铁生产工具完成时开始为新产品注塑塑料部件的模具）。然而，他发现人们对替代传统钢制模具用于生产的铝制模具越来越感兴趣。

“根据注塑部件的几何形状和树脂，可以从未涂层的铝模具中获得 50,000 次注射，”Lammon 先生解释道。 “在某些情况下，这可能足以支持生产需求。然而，通过我们使用的 Nibore 硬镍涂层工艺等技术将铝模具硬化至 54 HRC，对于非研磨性树脂，可能获得 100 万次或更多次注射，对于研磨性玻璃填充树脂，可能获得 250,000 次。”

该车间生产的模具应用范围广泛，包括家电、汽车、消费品、医疗和枪支行业的零件。这导致模具尺寸、特征和几何形状的高度混合，加工区域必须在短时间内适应。 Lammon 先生说，自然的解决方案似乎是自动化高速、五轴加工过程，以便为最复杂的模具部件进行长时间的无人值守/熄灯生产。正如我在最近访问密歇根商店时了解到的那样，它正在意识到这一点。

自动化添加

Phoenix Proto 拥有三台高速机床和三台常规数控机床。车间添加的第一台自动化加工中心是 2012 年购买的 Roeders RXP500 三轴机床。这台转速为 42,000 rpm 的直线电机机床配备了带有六工位托盘池的 RCE 1 托盘更换系统。它现在主要用于加工模架和型腔等部件。

如今，几乎所有模腔和型芯的加工都在配备更大 RCE 2 托盘更换系统的新型五轴 Roeders RXP601DSH 上进行。这是该车间的第一台（至少目前是）唯一一台五轴机床，于 2016 年初安装。与高速三轴 Roeders 一样，它也有一个 42,000 rpm 的主轴和直线电机驱动器分辨率为 1 纳米。直线电机是快速运动的关键，可实现 2,362 ipm 的快速移动速度。与滚珠丝杠相比，它们的摩擦力更小，从而降低了功耗。

这款五轴机床具有 21.3 x 25 x 15.7 英寸的加工范围，最大工件重量为 440 磅，采用耳轴式设计，A 轴旋转范围为 ±115 度。另一个旋转运动由耳轴上的 C 轴转盘提供。根据美国罗德斯公司总裁马特拜尔斯的说法，主轴不提供旋转轴运动的耳轴设计往往比替代五轴机床平台更坚固，以实现重切削。此外，工件的低重心使惯性力保持在较低水平，以减轻高速运动过程中的任何倾翻或倾斜效应。

Byers 先生还认为，该机器的专有控制技术为 Phoenix Proto 执行的高速铣削类型提供了优势。促进有效高速铣削的两个重要参数是前瞻和块处理速度。该机器基于 PC 的 RMS6 CNC 提供 10,000 块前瞻和 0.1 毫秒的块处理速度。

使用高速加工技术的机器的快速循环时间使高产量成为可能，并由该过程中包含的所有自动化元素补充。以下是我在访问期间注意到的 10 个自动化元素：

1。装载系统和托盘池

五轴机床的 RCE 2 自动托盘更换系统有一个六工位托盘池，尽管车间有时会在一个托盘上固定多个零件。每个托盘的尺寸为 23.6 x 15.7 英寸。

根据 Phoenix Proto 的要求，装载系统的夹具进行了修改。最初，托盘边缘不可能有任何部分伸出。通过修改夹具使其从托盘底部拾取，系统现在可以装载更大的工件。现在，零件尺寸只受机器容量的限制，不受装载机的限制。

该店使用 Roeders 的作业管理软件来安排和管理作业。它试图安排长时间的夜间和周末运行，目前每周运行 5 天 12 小时轮班。或者，它会尝试确保设置了足够的较短运行的作业，以使机器能够自行保持忙碌。

2。机器

五轴加工本身就是一种自动化形式。五轴加工有两种类型：轮廓加工和定位（也称为“3+2”）。 Phoenix Proto 75% 的时间在这台机器上执行 3+2 定位。为此，机器仅使用其两个额外的旋转轴来倾斜工件，然后将其锁定在该位置。之后，它在该方向执行相当于三轴操作的操作。一个优点是，这使工具可以在一个夹具中访问零件的五个侧面。这最大限度地减少了设置数量、零件可能必须运行的机器数量，从而减少了在生产过程中“接触”零件的次数（即，它是“自动化”）。

通过 3+2 实现的零件倾斜功能还使工具能够深入到零件中以创建棘手的模具特征，例如深肋。在某些情况下，这消除了二次沉降 EDM 操作和相关的电极加工需求。此外，所使用的热缩配合刀柄比夹头式设计的直径更小，以提供额外的间隙。

通过 3+2，车间还可以使用更短、更硬的刀具。可以使用较短的工具进行更快、更积极的切割，而不会出现在需要较长工具时可能发生的振动或颤振风险。振动和颤振会导致表面光洁度差，在 Phoenix Proto 的案例中，这需要更多的模具部件手动台架工作，甚至需要二次 EDM 工作才能实现高质量的光洁度，从而延长整体生产时间。该车间还能够提高球头立铣刀的刀具寿命，因为当零件以不同角度倾斜时，可以使用更多的刀具半径，而不仅仅是刀尖。在半径的其他区域而不是尖端（转速为零的点）上进行加工也可以获得更好的表面光洁度。

3。触发式探测

将新零件装入机器后，带有触发式测头的自动探测程序会识别零件或工件夹持装置上多个点的位置，以确定零件在机器上的准确位置。然后机器的 CNC 会自动调整本地工作坐标系以匹配它。这消除了手动匀场、零件轻推和其他耗时的工作，否则这些工作将需要使零件调平和对齐以完美匹配机器的坐标系。

4。自动校准周期

五轴机床在其底座、导轨、托架等处有各种冷却通道，因此这些部件不会因内部热源而膨胀。但是，为了适应商店内环境温度的波动（比如从一天的开始到一天的结束），可以使用触发式探头执行自动校准循环。

拜尔斯先生解释说，罗德斯校准周期的执行与大多数其他机床制造商的流程不同。他说，这些循环通常需要移除当前装载到机器中的托盘，并用另一个带有工具球的托盘替换。然后对该球进行探测，以确定由于环境车间温度的变化，其位置发生了多少变化。相反，Roeders 循环不需要移除现有的带有工件的托盘。该机器在其耳轴臂铸件和 C 轴电机铸件上具有精密研磨的棱镜，这些棱镜经过探测以确定任何位置变化，并在必要时自动补偿这些变化。 Phoenix Proto 每月执行一次此校准例程，除非发现问题，有时会在关键完成通过之前执行。

5。主轴增长补偿

Byers 先生说，一些机床制造商在运送给客户之前为每台机器创建算法，以估算其主轴在不同速度和运行时间下的膨胀量。然而，他指出，基本上不可能解释客户从一天到另一天使用机器的所有各种方式。 Phoenix Proto 的五轴机床具有可选的自动主轴补偿系统，以实时适应主轴扩展（或收缩）。该系统使用连接到靠近主轴面的 L 形臂上的非接触式传感器（参见上面幻灯片中的照片）。具有纳米分辨率的传感器检测主轴在操作过程中的膨胀或收缩程度，并将该信息反馈给 CNC，以向上或向下调整 Z 轴以进行补偿。这对于五轴操作尤其重要，因为当零件倾斜时，主轴增长可能会影响所有三个线性轴的刀尖位置，而不仅仅是 Z 轴。自动补偿有助于确保良好、一致的表面光洁度和混合。

6。在机激光对刀

每次换刀后，新刀具的长度和直径都会使用机器上的 Blum 激光对刀探头自动测量。 （激光测头和测头的校准工具球位于换刀装置的加工区域之外，因此可以防止切屑和冷却液。）车间为每个工具的直径指定了一个公差带。如果探头检测到刀具直径超出公差范围，则不允许使用该刀具进行加工。例如，如果 0.250 英寸的球头立铣刀测量出 ±0.0002 太大或太小，则不会使用。这也适用于刀具的长度。

在此之前，激光会确定要更换的工具是否损坏。如果工具损坏，但计划用于托盘池中排队的后续作业，则不会停止这些作业的生产。 “例如，如果发现 ATC 位置 5 的工具损坏，机器将移除该工具损坏的部分，加载下一个计划作业并运行该作业，直到它到达第五站工具的阶段将被使用，” Lammon 先生的儿子 Scott 解释说，他是公司的运营总监，也是对五轴机器进行编程和设置的两个人之一。 “然后，机器将移除该部分并继续执行队列中的下一个作业。对于每个加载的作业，这个过程都会继续。”

7。冷却液喷嘴调整

与仅使用必须手动定位的传统柔性冷却剂喷嘴不同，五轴机床具有冷却剂输送系统，无论刀具有多长，该系统都会自动将冷却剂流的方向调整到切割点。喷嘴的方向是通过 M 代码根据安装在主轴上的下一把刀具的已知长度来调整的。

8。自动倾斜编程功能

Chris Claar 是 Phoenix Proto 的工程经理，他还对五轴机器进行编程和设置。他说，在 2010 年，该商店进行了一项时间研究，将其以前的 CAD/CAM 软件与 Cimatron 软件进行了比较。 “在我们的研究表明与其他软件相比，编程时间节省了 30% 之后，我们转而使用 Cimatron，”Claar 先生解释道。 “我们欣赏的一个省时功能是五轴自动倾斜功能。因为我们在软件中对所有机器部件以及工件、夹具和工具进行了 3D 建模，所以自动倾斜功能能够确定刀具或刀架撞击零件的深度，然后自动倾斜零件以防​​止崩溃并使操作能够继续。”该软件还使用这些 3D 模型使程序员能够对加工操作进行离线模拟，以检测潜在的崩溃。

9。语法检查

除了程序员在 Cimatron 中为每个程序运行离线模拟之外，他们还使用 Roeders 控件中的语法检查功能，自动校对程序和后处理器，以便在安排作业之前识别任何错误。

10.程序重启

如果需要在程序中途停机，程序员无需手动进入贴出的程序，搜索停机的行号，然后擦除上面的所有代码所以它会在它停止的正确位置重新启动。使用 Roeders 控件，操作员只需在命令文件中输入行号，它就会自动读取程序并从那里重新启动。

自动化安心

尽管 Phoenix Proto 的无人值守加工策略经过深思熟虑，但它意识到可能会发生意外。这就是为什么三轴和五轴 Roeders 机器都设置为发送带有错误消息的文本或电子邮件警报。还可以通过在线“Team Viewer”软件远程登录机器控制，就像 Roeders 的服务技术人员可以执行远程机器诊断以了解是否需要更换组件、是否需要更换驱动器被调整等等。 （事实上​​，可以使用此软件远程执行驱动调整，拜尔斯先生说。）

也就是说，这家商店还有另一种选择。它在两台 Roeders 机器之间的天花板上悬挂了一个摄像头，程序员可以通过手机访问它以查看正在发生的事情（参见本页顶部幻灯片中的照片）。他们可以平移相机并放大机器或其 CNC 屏幕，以查看（和听到）当前正在运行的作业的状态。 “我们现在很忙，我会在晚上的某些时候用手机检查一下，因为羽绒机确实会影响我们的日程安排，”克拉尔先生说。 “这就像我站在机器前一样。”