革新的意义不仅仅在于引进先进的设备，还包括将新兴的技术和工艺整合于整个生产流程之中，对自身的生产领域进行最优化的配置才是真正意义上的革新。

图1 兹默曼FZ 100龙门铣床凭借最新的3轴铣头M3 ABC实现了六轴加工理念。 新型铣头在进行五轴联动、大切削量加工铝合金、合成材料、模型材料以及HSC 高速加工钢件、铸铁材料方面显示了传统两轴叉形铣头无可比拟的优势

德国兹默曼公司的最新型FZ 100六轴龙门铣床(图1)令德国Kegelmann Technik公司总裁Stephan Kegelmann先生非常振奋，这台铣床于2008年法兰克 福国际模具展览会Euromold上首次亮相，于2009年3月底在Kegelmann Technik 公司交付使用。辅以Sescoi 公司的 CAD/CAM系统WorkNC G3以及西门子公司极 高精度的数控技术和尖端的立体补偿技术VCS——这一系列的革新使Kegelmann Technik公司满怀信心地向成功的未来大踏步进军。

未来只属于勇于进行全面革新的企业

图2 Kegelmann Technik公司总裁Stephan Kegelmann先生:“FZ 100对我们来说是最合适的——创新、高效。”

位于德国Rodgau-Juegesheim市的Kegelmann Technik公司于1989年成立，创始人及公司总裁为Stephan Kegelmann先生，以生产快速原型机而壮大，现今为原型机和小批量铝合金、合成材料组件的一线供应商。Kegelmann公司在生产原型机和小批量铝合金、合成材料组件的同时，越来越多的客户提出了更多的要求，例如加工由合成材料构成的大体积模型，飞机制造领域所需的大型铝合金框架组件等等。在这些生产领域，总裁Kegelmann先生也在寻找革新的潜力。兹默曼公司与Kegelmann Technik公司一直保持良好的合作关系，有的设备甚至已经使用了10年的时间，因此Kegelmann先生正在考虑更换一台新型的设备。在一次兹默曼公司新型铣床FZ 100展示会上，他敏锐的嗅到，这台配备三轴铣头M3 ABC的全新机型将是他革新成功的关键。

为了使FZ 100能够发挥最大的功效，Kegelmann Technik公司为其配置了专门的空调厂房。Stephan Kegelmann先生说道:“这台设备对我们来说是最合适的——创新、高效。为了让它能将功效发挥到极致，我们必须为其创造合适的环境。一方面我们配置了空调厂房，另一方面得到了合作伙伴Sescoi和西门子公司的技术支持，使编程最简化，精度最高化。所有的这些可以说都是极具创造性的。”(图2)
图4 最显著的标志是其独一无二的第三条轴——B轴±15的联动范围

全球首台六轴加工铣床，消除极点问题

FZ 100龙门铣床配备的三轴铣头M3 ABC是整台设备的核心，兹默曼公司籍此实现了六轴加工理念。新型铣头在进行五轴联动、大切削量加工铝合金、合成材料、模型材料以及HSC高速加工钢件、铸铁材料方面显示了传统两轴叉形铣头无可比拟的优势，而极点问题对于加工的限制则得到了彻底的解决(图3、4)。

配备A、C轴的传统叉形铣头所固有的缺点是，在A轴处于零点时将产生极点，此时C轴处于无效状态，主轴在垂直时无法被摆动。在极点附近即使是最微小的角度调整都会导致C轴大幅度的旋转，这对生产效率和加工质量将产生极大的影响。同时配备传统铣头的机器也无法进行几何精度补偿。

图3 M3 ABC具有三个自由度和大幅度的摆角，可以灵活地运用于各类生产nextpage

新型三轴铣头M3 ABC的优点在于，兹默曼公司负责研发铣头的子公司Gimbal公司总裁Rüdiger Schrott先生介绍道:“在加工典型的锥形盒状工件，例如飞机的框架组件时，B轴的引入将大大地减少加工时间。同样在加工任何其他外形的工件时，使用M3 ABC铣头进行联动加工都会使生产效率大幅度提高。因为3轴铣头完全避免了传统AC铣头在A = 0时产生的极点问题。因此在模具生产中可以实现最理想的联动加工并达到极高的加工品质。同样飞机制造领域也可享受到这一成果，一般来说AC轴足以加工框架组件，但是引进B轴可以很大程度地提高设备的灵活性，这样使用者就再不需要更换铣头或者将工件固定到其他设备上进行后续加工。”

新型铣头的优点在现场的试切中得到了充分的显示:在FZ100工作台上固定了飞机制造领域最常见的铝合金框架工件(长2.50m，宽1m，厚100mm)，在加工3～5工件侧壁的时候，切削速度得到了明显的提高(图5)。M3 ABC铣头在加工盒件的拐角处时仍能保持恒定的进给，与此相对应，AC铣头在这一位置则几乎处于停止状态，这样刀具的磨损也减少到了最小。通过3轴之间的协调，M3 ABC的轴向摆动实现最小化，节省了大量的时间，每一轮加工C轴类似芭蕾舞的回转将完全消失。
图5 典型的飞机框架组件通常有3～5的锥形内壁，Kegelmann Technik公司通过使用M3 ABC铣头以理想的进给速度加工这些组件

六轴编程

那么，怎样进行六轴编程?因为这一定比五轴编程复杂得多。对于这样的问题兹默曼公司负责研发铣头的子公司Gimbal公司总裁Rüdiger Schrott先生介绍了合作伙伴Sescoi公司，“WorkNC的研发者Sescoi公司接手了这一问题并设计出便捷得另人惊讶的解决方案。Kegelmann Technik 的操作人员已经通过WorkNC的新功能设计出了六轴加工程序。”

为了充分发挥新机型的优势，将C轴的补偿运动减至最低，可以进行预见性编程，位于德国Neu-Isenburg的Sescoi 公司销售主管Werner Müller先生解释说:“我们的CAM/CAD系统WorkNC以其便捷的操作著名。与三轴五轴加工一样，我们专门研发出一套新的算法，使用者只需要通过少量的按键就可以生成无碰撞的六轴联动程序。”

这套软件中编入了智能程序，可以避免C轴产生的极点问题。同时它可以自行演算，在何处加工需要对A、B轴进行摆动，何处需要对C轴进行转动。此外它还可以自动预测铣头的位置，这样可以避免产生碰撞。Werner Moeller特别提到:“和五轴加工的Auto5功能相应，我们研发出了Auto6功能。通过这个功能，操作者仅需按一个键就可以实现三轴程序和六轴联动程序之间的转换。唯一的前提就是，使用正确的设备，即FZ 100。”

图6 Etalon公司提供的Laser-Tracer测量工具。在半天之内就测出了误差曲线并自动转换成可为Sinumerik读取的VCS数据存储于数控系统内

VCS立体补偿

为了使六轴加工更为有效，西门子公司也为此研发了立体补偿系统VCS。西门子Value Added Services部门的Jochen Bretschneider博士对于配备三轴铣头的FZ100非常振奋:“通过引进新的旋转轴我们第一次可以实现一种新的补偿，这不仅是对刀尖空间误差的补偿，还是对于刀具取向的补偿。而这是叉形铣头在碰到极点问题时不可能解决的。”

专为数控系统Sinumerik 840D sl选配的VCS的可以进一步提高设备的精准性。每一台机器在进给轴的导向系统上均会产生一定量的系统几何误差，其在每条直线轴上的表现为线性定位误差、水平和垂直方向的直线度误差，而在旋转轴方向则表现为翻转、侧倾和摆头。此外各方向之间关联的直角度也会产生误差。仅三轴机器就有21个几何误差，这些误差最终将叠加到刀具的顶端。而传统的五轴设备则因为增加了旋转轴而产生更大的几何误差。

通过整合于数控系统的VCS可以对设备整个工作空间的误差进行补偿，因此上述误差无论是在三轴、五轴还是现在的六轴设备中都可以显著地降低。此外必须首先对设备进行空间立体测量，这方面西门子公司可以提供协助，正如Jochen Bretschneider博士所说:“如果客户需要，我们可以推荐Sinumerik方案合作伙伴，他们可以提供激光测量服务。当然设备测量也可以通过我们的方案合作伙伴以外的机构提供。Kegelmann Technik公司则选择了Etalon公司提供的测量服务，他们为此还设计出了Laser-Tracer测量工具(图6)。在半天之内就测出了误差曲线并自动转换成可为Sinumerik读取的VCS数据存储于数控系统内。”

通过以下数据可以做一个比较:FZ100在没有进行补偿的情况下立体精度可以达到150µm，而在进行了VCS补偿后则可达到50µm。“在6.5m×3m×1.5m这样巨大的工作空间能达到如此的精度，这绝对是一创举”，Bretschneider博士说。他预言，VCS补偿系统将来一定能在飞机制造领域得到广泛的应用，“大行程的设备肯定会有很强的杠杆作用，这一定会导致旋转方向上的误差呈几何倍数的增加。精度补偿在这方面有绝对重要的意义”。

Stephan Kegelmann先生对于这一整套的设备和技术非常满意，他赞扬了各合作厂商“前瞻式的思维”，“通过设备制造商、数控制造商、CAD/CAM软件公司以及使用者之间紧密的合作，我们可以实现其他竞争厂商可能还在梦想的成就。敢于创新的勇气是引领我们走向成功的关键”。

什么是极点?

极点的定义是当铣头的一条旋转轴处于无效状态时的位置。传统AC轴铣头的极点处于A=0这一位置。当主轴垂直时(A=0)，C轴无法摆动主轴，主轴仅仅围绕自身旋转 – 此时无法进行小角度调整。在这一位置只有A轴可以调整角度，其结果是:即使是最微小的角度调整也会导致C轴大幅度的旋转。对于生产加工造成的影响:

• 联动加工的生产效率和加工精度受到限制：
• 在极点附近进行几何精度补偿受到限制，因为仅仅是最微小的补偿都会导致大幅度的平衡运动，因此数控系统一般在极点附近都会取消进行补偿。