从DIXI精密机床看“瑞士制造”--高精度的秘密（上）

       机床是将金属毛坯加工成机器零件的机器，它是制造机器的机器，所以又称为”工作母机”或”工具机”，习惯上简称机床。现代机械制造中加工机械零件的方法很多，除切削加工外，还有铸造、锻造、焊接、冲压、挤压等，但凡属精度要求较高和表面粗糙度要求较细的零件，一般都需在机床上用切削的方法进行最终加工。在一般的机器制造中，机床所担负的加工工作量占机器总制造工作量的40%-60%，机床在国民经济现代化的建设中起着重大作用。
       随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，以数控机床为典型代表。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有巨大的经济与社会效应。然而，机床又是一种高精密的机器，本身的设计制造就体现了一个企业的实力，今天我们就去看看，享誉世界的“瑞士制造”和“日本制造”的秘密。

       瑞士DIXI公司，是世界上生产高精度坐标镗床的企业之一，1904年成立于被誉为精密钟表制造商的摇篮——瑞士，自1904年开发了精密机床以来,设计出了很多机型，DIXI机床就一直忠于它的"信条"：高精密型。
       DIXI的卓越技术和革新精神使很多机型得以改进。这是在许多行业中通过多年实践取得的结果，这些行业包括：航空、航天、汽车制造、医疗或机床刀具。开发DHP加工中心（DIXI高端产品）和JIG镗床的目的是为了提高机床的性能的同时提高生产效率,以便让客户进行最佳投资。DIXI 公司的应用工程师对加工时间、技术方案有着深刻的研究。由这些经验丰富的工程师通过NC编程、模拟、为客户提供加工解决方案。机床是在温差为±0.2 度、面积为14,900 平方米的恒温装配车间完成的。DIXI加工中心的设计?制造?装配都是为了达到同一个目标：尽善尽美。DIXI机床的产品95％用于出口。

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1904年公司成立、生产用于加工钟表零部件的机器。

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1948年在巴赛尔贸易展上，DIXI展示了第一款卧式JIG镗床。

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开发出第一台带数控系统的JIG镗床。

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开发出第一台带自动换刀装置的JIG镗床。

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引入了JIG镗削精度的高性能卧式镗床DHP面世。

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在2007年1月被日本著名的森精机（Mori Seiki）收购，成为森精机大家庭的一员

公司是一个典型的瑞士企业，规模不大，属于家族性企业，产品相当专一，就是两种：JIG坐标镗床和DHP卧式加工中心。

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所谓坐标镗床，是一种具有精密坐标定位装置、用于加工高精度孔或孔系的镗床。在坐标镗床上可进行钻孔、扩孔（钻削）、铰孔（铰削）、铣削、精密刻线和精密划线等工作，也可作孔距和轮廓尺寸的精密测量。坐标镗床适于在工具车间加工钻模、镗模和量具等，也用在生产车间加工精密工件，是一种用途较广泛的高精度机床。所以，坐标镗床被称为机床中的“工作母机”。

那么，DIXI的坐标镗床有什么特点？

一、高刚性

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DIXI在其机床设计中提出了“Box in Box”加工理念，利用可支持鞍座两端的Box in Box结构，可以很好地在保持移动物体重心平衡的情况下导向和驱动。用球墨铸铁制造的超大重型肋板静态框架，X和Y轴的2×2封闭O形结构补偿主轴的Z轴轴向推力，使得重心保持在导轨内。这种设计的优点是：粗加工过程中的高刚度；进行精加工时的极高精度；高动态时移动质量小而轻；不需要特殊的地基；不受外围设备重量影响的结构；  通过将ATC、APC、电气柜等与主体分开, 将振动和热传递都降到最小

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DIXI的机床是一种高刚度3点支撑机身，采用了便于安装并且具有卓越稳定性的3点支撑结构，这在移动机床时（如改变厂房布局时），减少机床安装所需要的时间。

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DIXI机床的直线导轨使用高刚性的滚柱导轨，因此能维持长时间的高精度，此外使用海德汉分辨率为0.05 μm的光栅尺可达到高精度，最小输入单位为0.0001 mm。同时导轨和机床使用了相同膨胀系数的材料，并使用强制润滑给滚柱导轨供油，实现高精度

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二、出色的热控制

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DIXI机床计算每个热源产生的最大热量， 总体上，以恒定流量率和温度持续循环超过热量的冷却液，从而控制机床热位移。所有发热部件的温度由冷却装置和大流量循环泵、液压油冷却、电气柜的液体冷却、切削油温度控制等来控制。

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1 、球形螺母； 2 、滚珠丝杠支承轴承 ；3 、主轴轴承, 主轴电机；4 、B轴和C轴上的直接驱动式马达电机；5 、控制盘 ；6 、液压装置；7 、冷却液
      通过提供一个低于环境温度2 ℃（可以随环境温度而调整）的冷却液适量的恒定供应（例如，40 L/min 至主轴），发热部件的温度可保持恒定，热影响完全得到控制。具体措施包括：主动冷却所有热源；从数控装置监控各种冷却回路；将电机工作时产生的热量与机床部件隔离；配备有随着主轴伸长自动进行Z轴热膨补偿的装置；传感器监控机床床身的热度。

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三、先进高效的机床部件

1、主轴

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DIXI的机床配备了具有多个传感器的主轴，包括用传感器测量主轴膨胀，控制主轴鼻端的位置，监控主轴轴承的冷却油温度，为贯穿主轴切削油配备传感器，配备平衡传感器，使得机器自动补偿轴向轴膨胀，达到极高的精度。主轴振动传感器允许在加工过程中监控振动，并可以为所使用的每个刀具设置振动限制，从而优化加工过程，提高产量并降低刀具磨损，如果刀具超过振动限制，则使用下一个刀具或执行下一道工步，刀具寿命更长，主轴寿命更长。

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DIXI设计的主轴使用2套陶瓷轴承，集成同步电机，可以根据主轴转速调整主轴轴承的预载，使用油气润滑系统。这样的好处是由于主轴前端部分较短而具有高刚性，允许高速刚性攻丝，转子不会变热（磁体），同时还有简单的主轴现场保养。
       DIXI的机床可以根据主轴转速调整主轴轴承预载，通过油压可对陶瓷球状轴承上的予压进行简单调整，并允许根据主轴转速自动调节。这样在高主轴转速时低压力减少主轴磨损，高压力在低主轴转速时提高主轴刚度，而且低主轴转速时刀具磨损降低，使轴承产生的热量减少，并使主轴寿命增加，工件的表面质量更高。

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    二、倾斜5轴  

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       DIXI的机床采用了具有旋转直接驱动式马达的倾斜旋转工作台，包括两个轴上的编码器，两个轴上的液压制动器。托盘配备倾斜轴，由于直接测量而带来的高定位精度，工件最大直径为650 mm，最大高度为500 mm（JIG 700， DHP 50）或者工件最大直径为900/1,030 mm，最大高度为850 mm（JIG 1200, DHP 80），倾斜度从45°到 -135°。

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1次装夹可加工5个面，5轴连动，粗加工到精加工，HSC刀具技术，自动化。其优点是通过高切削力来达到高品质的加工，可以在倾斜位置也可更换刀具，由于倾斜范围很大，所以工件的背面也可加工。而适合5轴加工的工件包括严格的许容公差，严格的几何形状，最佳的表面质量，难加工合金等。
 三、控制系统

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DHP 50 CPC是为同时进行5轴或6轴高精度加工而设计的。它将自动控制系统的功能性与安装时间短以及尺寸紧凑相结合，这主要归功于集成的工件和刀具更换器。包括快速刀具交换（转换工步）、高容量的刀具、工件库可确保高效的无人操作；主轴转速最高可达24,000 min-1；从粗加工到精加工归功于主轴电机的高扭矩；60 m/min 轴进给速度；电气和气动系统维护简单；机床的人间工学设计将停机时间缩到最短。
其特点有：
1、热控制下的机械优越性确保了性能的绝对稳定；
2、具有高扭矩的强大电机主轴，从重载粗加工到精细的精加工只需一步设置；
3、强大的B轴和C轴具有直接驱动式马达，可以达到更高的进给速度和最佳的表面光洁度；
4、可移动的液压尾座和稳固的中心架可以轻松达到加工要求；
5、模拟软件可以进行更快速、精确的作业准备；
6、通过自动化可提高效率效率。

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       其精度以著名的DIXI精度著称，完全手工刮削表面，实现静态和动态刚度、热控制，并用尾座和中心架来优化负载分布以减少工件变形。

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       数控系统实现5轴或6轴联动（X、Y、Z、B、C和中心架），组合刀具库中最多可收容218把刀具，最多可夹持84个工件的柔性工件库，实现无序混合工件的加工，独具特色的可移动的尾座和中心架，以及可使用M代码为尾座调整液压压力

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四、其他高效设备包括

http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/products/img/equipment_ttl.gif         DIXI机床的JIG和DHP系列使用最新技术，此技术在机床结构的每一方面都实现了高精度和高速加工。此外，我们还为纳米精度的大量生产准备了各种技术规格，以适应客户的生产量。 http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/products/img/equip_p_01.jpg        具有直接驱动式马达功能的强力旋转工作台，采用直接驱动式马达避免背隙，工作台速度为100 /min （ DHP 50）或50/ min （ JIG 700），配备分辨率为0.15 arc/sec的光栅尺，以及液压制动器、主动冷却系统和4点装夹系统。由于是扭矩电机，所以可以应用更高的进给速度和加速度，允许车加工和铣削，允许使用离心力干燥工件，最小设定单位 0.0001° http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/products/img/equip_p_02.gif        冷却液系统，包括：1 标准喷射切削油 2 油雾装置/脉冲喷油3 中心喷水（可变压力: 2－7 MPa） 4 从侧面喷油（排出断屑和热量）5 天井喷水 http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/products/img/equip_p_03.jpg        APC装置（仅DHP）一个具有手动分度（4 × 90°）的装夹装置，一个2点装夹系统，托盘重复定位精度在2 μm以下，交换时间在12秒以内（DHP 50）或5秒以内（DHP 80），工件用液压夹具。具有高效率、用户友好、符合人体工学，便于接近、可使用吊架进行加载等优点。 http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/products/img/equip_p_04.jpg        ATC装置矩阵刀具存储（无链条），快速机器手臂90 m/min，机器手臂具有两个夹钳，达到高适应性 ，提供安全性和可靠性。        那么，DIXI机床的高精度的秘密在哪里？ http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/high-precision_ttl.gif        即使高品质高精度的机床也只有5 μm的定位精度。DIXI机床引以自豪的精度为0.99 μm，仅相当于一般高精度机床的1/5，这等同于3维测量仪的精度。 http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/high-precision_main.jpg http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/high-precision_ill_3d.gif 定位精度和重复定位精度 (ISO 230-2) http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/high-precision_ill_iso230-2.gif 根据装配在工作台顶部的测量仪移动Z轴，并测量在高度L1和L2的定位精度和重复定位精度。 http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/high-precision_ill_iso230-2_2.gif         比较刮削前后高度L1处的精度，DIXI机床达到小于1 μm的偏差。 http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/high-precision_ill_iso230-2_3.gif         虽然在L1处由于刮削使得定位精度有细微偏差，但是在L2处的偏差仍小于5 μm。 http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/high-precision_ill_iso230-2_before.gif http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/high-precision_ill_iso230-2_after.gif   http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/scraping_main.jpg 刮削工艺  为了在加工区域中的任何位置都达到稳定的加工精度，所有表面和轴都要求达到完美的平面度、直角度和直线度。为了达到这一目标，DIXI公司熟练的技术工人平均在每台机床上进行了500小时的刮削作业。 http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/scraping_ill_process.gif 大多数机床刀具制造商使用200 mm正方形方规，但DIXI机床使用100 mm方规。使用更小的方规可进行更高精度测量，因为方规和刮削表面的接触面变小了。 http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/scraping_ill_blocksize.gif 方规尺寸 http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/scraping_ill_blocksize_type02.gif 行程中滑块上的负载        该图表明了滑块运动时在装配面上的负载。 http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/scraping_ill_load.gif 平衡滑块上的负载        为了达到高形状精度，要求有极好的平面度。这是因为床身和移动台的平面度联合决定形状精度。 http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/scraping_p_slider.jpg  刮削之前，当平面度较差时，滑块将因为负载而失去平衡。进行刮削以使这4个滑块上的负载平衡，这可显著改善平面度。 http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/scraping_p_slider_type02.jpg 刮削面 http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/scraping_ill_surfaces.gif   http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/accuracy_ttl.gif 直线度和角度偏差 (ISO 10791-1) http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/accuracy_ill_deviaton.gif        表1显示随着高度的增加，一个轴上的极小位移可能会导致较大偏差。这里每个轴上都有误差，这些误差结合起来造成整个3维偏差。DIXI机床依照ISO 230-2标准（定位精度和重复定位精度）以及ISO 10791-1（直线度和角偏差）进行刮削和检查。经过严格的刮削和检查过程，DIXI确保机床精度远胜于其他竞争者。 http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/accuracy_table_deviaton.gif http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/accuracy_graph_deviaton.gif http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/accuracy_graph_deviaton_type02.gif 高稳定床身 使用足够厚重的床身, 即使有很重的柱体放在床身上也不会发生变形。而且, 通过熟练技师反复的刮削和测量,达到几乎完美的平面度。 http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/accuracy_p_bed.jpg 由于螺栓间隔紧密(80 mm螺距), 床身和上部结构被固定在一起就像一个单块一样。        DIXI机床的生产理念是“不需要进行任何测试切削就可以立刻使用的机床”。为了达到这一目标, DIXI公司将全加工范围的加工误差控制在纳米水平。他们的机床上所使用的所有技术都是基于这一目的开发的。 http://www.moriseiki.com/dixi/chinese/company/img/accuracy_ill_concept.gif

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Y轴偏差

将1,000 mm的圆柱体(圆柱测量夹具)垂直放在工作台上, 并在X轴上的3个点处(0 mm, ±200 mm)测量其沿Y轴(从0 mm 到1,000 mm) 的形状精度。DIXI机床即使不使用数控装置的偏移功能, 也可达到±2.5 μm范围内的定位误差。

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测试工件上的机床精度（实际位置镗孔精度）

在机床精度测量过程中, 在B轴上从0° 和 180°的位置开始以200 mm的为间距镗9个φ 20 mm 的孔,这样得到的所有孔的加工误差都在±4 μm之内。

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真圆度

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 在设计中整个机床使用FEA（有限元解析）设计，使质量保留在承受高应力的区域，从而实现卓越的性能。用600 N/mm2 的球墨铸铁制造的超大重型肋板静力框架可以确保最高刚度。因为机床刀具刚度越高，精度和表面光洁度越高，刀具寿命和机床寿命也越长。静态刚性静态刚性使得无薄弱点且刚性均匀分布，相当于行业常规值的3倍。

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动态刚性高频率上的动态刚性相当于行业常规值的2 - 3倍。

 

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