产品多样性的不断提升，生命周期的缩短以及批量大小的不稳定改变了新型机床的设计方案。可再配置的机床就是革新的开端，它使得产品可以达到必须的灵活性。而且该设计方策也被视为加工中心以及专用机床的经济性选择。 最近几年，大中批量生产的要求不断改变以产品为导向设计的匹配能力有局限性的机床，如专用机床和连续自动工作机床，已不能适应市场的活跃性。如果产品的生命周期和批量降低，并且机床的使用可能性由于于持续增加的变型多样性，新材料的使用或是由干式切削改为湿式切削而被消耗怠尽，设备的使用值常常降低到零——不论其购置费用是否已经分摊完。随着批量零件的产品生命周期持续不断缩短，尤其在汽车制造及配件供应行业，他们对于那些能灵活适应不断变化的产品要求的机床有很商的需求。目前建立在加工中心(BAZ)基础上的解决方案在很多情况下都没有表现出最好的效果：生产能力低，循环时间长以及采购成本高是其中的常见规律。 机床的可再配置性提供了一种解决方法。此类机床的特点就在于建立在模块化机械机床结构基础上的高度的灵活性。由于装配、时间以及成本耗费低，该结构可专用于产品以及/或技术转换中。在新的使用中所必须的生产功能及生产能力可以在短时间内准备好。 对产品多样性的最佳适应
目前，在研究项目Meteor(以多重工艺为目标的可重配置机床)中，有10位工业及研究所的合作者在Ex-Cell-O, Eislingen/Fils公司的领导下，致力于可重配置机床的研发。该研究计划由联邦教育及研究部(BMBF)在框架为案“未来产品研究”中的经费提供资助，由Karlsruhe研究中心(PTKA)负责。
图1 干式内孔磨削-试验用Tesch-CBN砂轮加工已淬火的钢构件-这是工艺上可解决的问题 |
该研究计划开发出的可重配置机床“Ex-Cell-O综合工艺中心XG-242”并未考虑日常的生产更换。在经过很多年使用之后的生产更换才是最重要的。这一解决方法使得对使用者而言，机床在现场具有了很高的改装和改造的灵活性。因此机床的灵活性不是建立在其本身的结构上，而是通过机床配置的可变性达到的。所有对于综合加工来说必须的用于各种加工方法的加工模块，如车削(软／硬)，铣削，钻孔，磨削，除飞边以及质保和搬运操作，都同湿式或干式加工一样，混合在了XG机身中，只有在对产品调整必须的情况下才需要，工艺模块的投资，现有的工艺模块适用于很多情况。由于有联结的可能性，所以XG可以作为加工系统的一部分。 在研究项目中针对过程成熟开发的一个革新加工方法就是干式磨削。开发该方法的动力除了迅速上升的冷却润滑材料和磨削油泥的垃圾清理费，最重要的是人类和环境的和平相处。根据路得维希堡Tesch钻石协会研究及开发负责人托马斯·马克博士的说法，正如试验表明的，干式内孔磨削在技术上没有不可逾越的障碍。使用陶瓷粘接的CBN砂轮加工已淬火的钢构件的内轮廓，单位时间切削量达到5mm3/s，而且不留一下磨削燃烧痕迹(图1) 。因此干式切削扩展了在可重配置XG机床中可供使用的工艺种类。比如干式磨削可用于硬车削的准备工作。垂直XG取料机床的再配置是通过工艺模块的置换和补充来完成的，比如电动机主轴，轮轴以及工具架。现有工艺模块的继续使用，降低了再配置的费用，也有助于限制投资成本(图2)。按照Ex-Cell-O特种机床的设计主管马尔库斯·施坦尼克博士的说法，XG-242n可再配置机床是一种专用机床，在其生命周期里，不仅在技术上，也在经济上能尽善尽美的适应各种不同的产品。
图2 Ex-Cell-O综合工艺中心XG-422可进行多样的再配置 |
由于切削间隔时间短，加工模块成为了省时机床
图3 Elha公司的加工模块Fm 4+X的每个刀具都有专门没计的固定的主轴
来自赫弗尔雀夫的Elha-机床制造Liemke公司提供了一个用于批量结构件综合加工的可再配置机床方案。他们销售两种标度的加工模块(FM)：FM 3+X以及体积更大，硬度更强的FM 4+X。Elha机床制造公司的加工模块销售主管保罗·彼特·波瑟特说，FM机床占到整个Elha公司产品的60%的份额。 FM机床的基本构造是建立在带穿孔阵列的U型基本框架上。它被用来接收用于切削作业的工件专用的加工模块以及用于工件运送的取料单元。对所有的材料(钢，铸铁和铝)和加工工艺(铣削，钻孔等)来说，FM基本机床的组装都是相同的。 在图3展示的FM 4+X机床方案中，每个刀具都拥有一个专门设计的固定的主轴。主轴的大小，扭矩或是转速总是同任务要求以及所使用的刀具相匹配。由此对于结构件的加工来说，不仅转速可以达到60,000r/min，扭矩也可以达到800Nm。所有的快速行程以及进给运动都是由一个高动态的四轴取料单元完成的。具有能组合其他轴系统(不仅是工件方面，还有刀具方面)的可能性使得加工复杂的部件几何成为可能。 按照“时间就是金钱”的格言，这个机床方案有一个很大的优点就在于每次切削间隔时间非常短。通过切换刀具的工件加工方祛，间隔时间通常在一秒以内，对省时机床而言，非生产性的辅助工时以及因为刀具替换造成的质量问题都被取消掉了。除了切削加工外，冲压，拉削以及装配加工也可以加人到部件综合加工中。将不同的加工模块组合在个生产系统中以及通过独立的自动化解决方法进行连接，比如两轴机器人和输送带，这些都是可以实现的。由于加工模块的标准化产生了巨大的成本优势。“在迄今为止售出的170件加工模块中，已有20%由制造商进行了重新配置”，波瑟持说。 专用的加工模块配置中涉及工件的成本份额平均占到总投资的50%～60%。由于加工模块还可用于新的生产任务，所以重新配置的成本也很低。每次转换到新产品任务所需的成本占原投资成本的20%～50%。 针对立方体形部件的加工，Emag集团下属的座落于瓦尔德默辛根的SW施瓦本机床企业，开发了一种可重配置的加工系统BM1250 。该公司的生产及工艺销售主管施特凡·韦贝尔和负责工艺开发的乌尔里希·娜恩强调说，该加工系统的使用领域已经超越了使用相似工艺进行的相似部件的加工。对于BM1250 机床方案的要求如下： - 切削技术的匹配能力，
- 刀具自动化，
- 加工过程的灵活组合，比如车削，铣削，钻孔，磨削，滚削等，
- 工艺参数的匹配能力。
采用可重配置机床进行的加工是高效灵活的特殊加工
图4 对Emag公司的BM1250进行完整的再配置可在一天内完成
BM1250由基本模块和可交换的加工模块组成。上述要求己经考虑在其系统结构中。基本模块是由一个带加工模块标准接口的整块机架和一个三轴单元(X，Y，Z)组成，该三轴单元附带有位于Z向刀架上的夹具或圆形轴模块的标准支架。在Z向刀架的接口上不仅可以安装用纯粹的三轴加工的夹具，也可以安装用于四轴加工的圆形轴模块。加工模块的接口是一个精确的穿孔阵列(图4) ，通过这个穿孔阵列，加工模块可以直接固定在机架上。如图4所示，可能的加工模块包括了组合铣刀杆、端部铣刀以及侧角器头铣刀或是多轴钻削头。娜恩介绍说，对机床进行完整的重新配置，包括所有标准化的切削和加工模块，可以在一个工作日内完成。 韦贝尔强调，如同中批量对于起步阶段尤为典型一样，相对于加工中心或是圆转台多工位机床，BM1250运用于中等批量的生产更其有经济性。韦贝尔还总结的将采用可改配置机床进行的加工描述为高效灵活的特殊加工。
图5 立式车削-磨削中心Index V160C的配置是通过系统模块构件有效的组合起来的 |
在生命周期内获益于模块
来自于埃斯林根的Hahn&Tessky Index机械公司提供了一系列专为工件配置的立式机床Index-VerticalLine V160(图5)。Index机械公司的市场主管米夏埃尔·切达吉介绍说，客户在批量加工中为了达到经济性的车削和磨削加工所需的全部的机床配置，可以由系统模块部件来实现，这样做确保了机床在整个生命周期中的经济性。机床不仅可以配置成双轴的结构形式应用于两个部件的平行加工，也可以配置成反轴用于两面加工。VerticalLine V160的结构设计使得这类机床经过改装也可用来完成将来的磨削任务。因此投资实现了价值。对于磨削加工可以使用不同的加工模块： - 使用最大直径为400mm，宽度为400mm的砂轮加工前轴承直径为85mm的发动机外圆磨削轴；
- 用于动态平衡的电子平衡单元；
- 用于识别切槽的固体声波检测；
- 转速从45000r/min到1000000r/min，功率在2kW到15kW之间的不同的内磨主轴；
- 金刚石砂及轮立方氮化硼砂轮的调整系统；
- 用于加工中测量或后置过程测量的测量系统。
已淬火的HSK毛坯的批量加工就是Index车削-磨削-中心的运用实例。对这类部件来说，硬车削和磨削(内/外)的组合明显的改善了加工质量。由于机床稳定性高，所以相对于传统的磨削机床可以使用更高的切削参数，这样明显降低了了磨削时间。
图6 奥持-雅格布公司的SST-6O接口可以在非常困难的条件下定位精确的切削机床模块和元件 |
机械接口是关键
机床的可再配置程度取决于工艺模块和机床元件能多快多精确的组合进机床结构中。机械接口也由此成为了模块性和可再配置性的关键要素。螺旋连接常常是不实用的，因为它的模块调整费用太高，而且安装位置的可接触性总是不好。 在Meteor(以多重工艺为目标的可重配置机床)方面，来自于伦根旺的阿尔高切削材料制造商奥特·雅格布开发出了可通用的静态接口SST-60(图6)。按照奥特-雅格布公司的销售及市场主管胡贝特·叙科拉的说法，这款接口是以经过验证的HSK机床切削技术为基础的，因此不仅仅确保了可再配置机床元件的可替换性，也保证了机床在整个生命周期中的模块性。 接口的平面构造使得能够定位精确地切削机床模块和元件，例如位置和装配情况非常不利的托盘。SST-60接口以其可达到25kN的夹紧力，较高的几何刚性以及可精确到微米的定位能力而出名。该系统提供了液压驱动或电机驭动以供选择。对于安装比较大的机床模块可以并联多个SST-60接口。为此还有不同的结构形式可供使用，比如零位对中结构或是可校准的结构。 借助于可校准结构，在工厂里就已经将接口在模块上的位置调整到精确到微米，这样可再配置的工艺模块在使用者这里就可以直接安装在机床上而无须另外的调节费用。在奥特-稚格布的开发及设计主管约瑟夫·格赖夫的领导下，该接口产品的功能安全性和它的品质为使用者提供了很高的可靠性。按照胡贝特·叙科拉的说法，这样种普遍的“即插即生产”方式，对于将模块组合在可再配置机床上是可行的。
