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在競爭激烈的運動鞋生產市場中，以驚人的速度從概念到設計圖，然后再進行實際生產是十分必要的。快速和高效的5軸加工是這個發展過程中的關鍵加速因素。

對于觀眾而言，觀看體育比賽的樂趣之一就是見證頂級運動員絕對優美的動作。他們的身體在運動時所表現出來的力量和運動精度是如此令人賞心悅目，特別是當其贏得比賽或在競爭中贏得最佳優勝者時。

觀看一臺5軸聯動的CNC數控加工中心的高速銑削加工操作，同樣是一種令人感興趣的奇妙經歷。當刀具在一個工件復雜的外形輪廓線上運動切削時，強大的機械軸協調的運動也展現出了一個壯觀的場面。

然而，刀具在5軸加工過程中所體現出的平滑而優美的運動，其意義要遠遠超過運動員為觀眾所提供的驚險刺激。它們通常是一個很好的指示器，表明采用該刀具加工將會給工件留下一個光滑的表面質量，所留下的刀痕極少。5軸加工是一個運動鞋制造公司所依賴的主要加工工藝之一，以便在其內部的加工廠加工注塑模具(圖 1)。2009年夏末，MMS參觀了這個加工車間，看到了機床如何加工模具的情況。這些模具是應用于原型生產的，以滿足設計評價和測試的需要。由于這些原型是該公司設計過程中的關鍵部分，因此該加工車間快速和高精度的生產這些模具的加工能力是至關重要的(圖2)。事實上，通常要求在24h內(甚至在一個通宵的時間內)完成模具的生產和原型的成型工作。

圖1 在一個領先的運動鞋生產企業中，設計師們有機會對模具車間在短期內生產的原型或鞋樣概念進行審核和進一步改進，
而為期一天或隔夜的生產周轉期則是該車間所具有的優勢

這就是該加工車間的經理們為什么對IMTS 2008國際加工技術博覽會如此感興趣的一個主要原因，因為在這個展會上展出了由Fanuc公司推出的高端CNC數控系統的新功能。

這個功能被稱作“Smooth Tool Center Point”(TCP)平滑工具中心點的控制，可自動調節伺服指令，以便在刀具編程時避免不必要的急劇運動，使5軸加工期間的工件表面保持在同一個方向上。這項調節的結果使刀具的切削動作更為平滑，振動噪聲極低，工件表面上留下的刀痕較少。在采用平滑工具中心點控制系統以后，刀具的使用壽命延長，機床的磨損減少。

圖2 備用模具的儲存基地，是該加工車間模具流水生產系統中的一個部分，
在整個加工車間中應用的精益生產原則也是這個策略的一個部分

那時，該公司的經理走訪了在該展會上展出的森精機公司的展位。這家鞋類模具制造車間已于2007年年中從該機床制造商那里購置了一臺NMV5000DCG型立式加工中心。該機床是經過較長時間的工藝操作合格后被選中的，其中包括對一個具有挑戰性試件的加工，并結合了該車間最困難的加工要求。

在運行過程中，除了其操作性能優于其他機床之外，事實證明，這臺VMC立式加工中心在安裝就位以后，使該車間的操作體現了5軸加工所具有的能力和價值。根據這些經驗，該車間決定再購置另外一臺機床。

森精機公司的其中一名銷售工程師建議對平滑工具中心點控制的特性進行調研。于是在Fanuc公司的展位上觀看了有關5軸加工的視頻錄像，對帶有平滑工具中心點控制和不帶平滑工具中心點控制的特點做出了無可辯駁的結論。

幾個月以后，該車間又訂購了一臺NMV5000DCG型立式加工中心，并規定該機床上必須安裝有平滑工具中心點控制系統。很明顯，這臺安裝有先進控制系統的新型5軸加工機床，將是該公司的一項寶貴資產。它可以幫助該加工車間及為其提供服務的公司贏得新產品競爭中的勝利。

團隊的努力

運動鞋生產市場的競爭極為激烈，市場中的領軍企業努力將大量的資源投入到研究和開發之中，希望率先推出新的概念和款式。因此，對于市場中的領軍企業而言，保持某些裝備最好的、最先進的加工和模具成型操作設備是必須的。如果他們能夠更快更好地生產模壓件，那么設計師們就能夠更快、更好地創造贏得市場的產品。

MMS拜訪過的這家車間擁有10臺機床，聘用了5名高級模具制造工，其中2臺5軸VMC立式加工中心是屬于最新型的機床。雖然這兩臺機床的安裝相隔了約一年的時間，但它們幾乎是完全一樣的并列安裝在一起的。兩者都配備了Fanuc 30i系列CNC數控系統。

原先的那臺NMV5000DCG型機床是在北美首先安裝的機型之一，而較新的這臺機床是第一臺裝有平滑中心點控制系統的機床。對于這個加工車間而言，作為一個早期的用戶，意味著它可以與制造商、CNC數控系統供應商和當地的經銷商(在這里是指Ellison Technologies公司俄勒岡州的Wilsonville辦事處)共享一條學習曲線。Ellison公司早在一年前就已經成為安裝5軸加工中心的專家。Stephen Witmer先生(Ellison技術公司的一名銷售工程師)曾經被安排在日本制造廠內對機床進行試切削資格的測試。

按照該加工車間經理的說法，在第二臺機床抵達該車間時，平滑工具中心點控制系統是如此新鮮的事物。因此，機床制造商和CNC數控系統的開發商都不得不在安裝過程中與該車間密切合作。有關各方均試圖拿出最佳的執行方案。Ellison技術公司的應用工程師Randy Murphy先生努力做好相互之間的協調工作，使這種新技術可以獲得成功。

Ellison技術公司辦事處負責這項業務的副總裁John Goes先生解釋說，這項合作是至關重要的，因為執行Smooth TCP平滑工具中心點控制系統就要求將機床的伺服系統“微調”到符合該車間加工要求和期望的最佳設定值。他說：“在工廠里有如此多的工作要做，只有在用戶的工廠內真正強有力立地開展調試工作，才能準確地進行校準。在這項工作中，團隊的合作與運動場上的共同努力一樣重要。”

Witmer先生指出，這個特殊的加工車間以一種特殊的要求和氣氛進行運作，這個車間每年承接700~1000個項目。例如，運動鞋外部鞋底設計這樣的典型項目，可能需要多達8套模具。這些項目數量的不斷增加就要求采用5軸加工，因為它不但是一種最有效的加工方法，而且也只有采用這種加工方法時才能從事某些特色生產，例如底部切削。

然而，高效率的5軸加工只是該車間已安裝就位的全部模具流水線生產工藝的一個部分。為了使其精益求精及達到高效率和自動化，它制訂了一系列的工作原則。例如，加工車間儲存了經過預加工的模具基座，其中98%的尺寸完全符合其所承擔的模具加工任務。同樣，CNC數控編程員也為所有模具基座的準備工作開發了宏指令程序，使部分編程工藝達到了自動化水平。

可以這么說，為快速周轉而已經建立的工作流，以及像Smooth TCP平滑工具中心控制這類的改進已直達極限。“他們可以立即看到在節約時間方面所獲得的回報。”Witmer先生說。這家公司在新的機床上安裝了 Smooth TCP平滑工具中心控制系統后不久，又在原先的那臺機床上安裝了該系統。

穩定而平滑

從技術上來說，Smooth TCP平滑工具中心控制系統增強了5軸加工機床的工具中心點控制操作模式。對此，Fanuc公司提供了如下解釋：在一臺配有兩個旋轉軸的5軸加工機床上，TCP工具中心控制系統可不斷地執行刀具的長度補償，即使在一個工件塊的中間，在其控制下刀具中心點沿著特定的編程路徑運動。即使該刀具的姿態發生了變化，采用TCP經過編程的刀具中心點也會在指令規定的路徑上運動。

在某些情況下，一個加工程序還可能包括鋼塊間刀具姿態的不平度。在這種情況下，每一鋼塊控制點的位置與刀具中心點的位置會發生變化。因此，也會產生許多加速/減速的問題，因而控制點不能夠平滑運動。其結果是：加工時間增加，加工表面的質量下降。

Smooth TCP 平滑工具中心點具有一種可補償旋轉軸位置的功能，它的補償方式可減少刀具姿態的不平衡度。這種功能會使旋轉軸在使用TCP的加工程序中平穩運動。應用Smooth TCP 平滑工具中心點控制系統可減少加工時間，提高加工表面的質量。

Witmer 先生指出，在觀察配有Smooth TCP 平滑工具中心點控制系統的5軸加工操作與不帶該控制系統的操作時，其差距可以是很大的。“不管采用哪一種方式，雖然其刀具頂部的相對運動是相似的，但當其碰到某種幾何形狀時，你將能夠看到刀具主軸端所發生的真正變化。當其隨著復雜外形輪廓運行時，如采用TCP就以可使刀具端部發生較少的擺動和波動。

當然，5軸加工不是一個旁觀者的運動，盡管在24h內完成模具加工的比賽意味著這個模具加工車間必須時刻緊盯著計時器。基于這種原因，刀具中心點控制和 Smooth TCP工具中心點加強控制系統為5軸加工所節約的時間是相當可觀的。按照這個加工車間的估計，采用刀具中心點控制系統可使加工時間節約高達50%。而在適當的地方采用Smooth TCP工具中心點控制系統則可使加工時間再降低25%。(根據Fanuc公司所進行的試驗，在一般的加工情況下，采用Smooth TCP工具中心點控制系統，可節約加工時間10%，而在極端的加工情況下，則可使加工時間節約44%。)

圖3 NMV5000DCG型5軸機床上的旋轉軸(B軸和C軸)是按照懸臂設計方式配置的，這種結構可使工件傾斜和回轉擺動，其所受到的干擾限制比某些耳軸設計的形式要少

Smooth TCP平滑工具中心點控制系統以兩種方式來節約加工時間：第一種方式是避免因刀具方向變化而引起的軸位置過量的實質性變化。這些運動會減緩對刀具路徑指令的執行，并在工件的表面上遺留刀具的加工痕跡。刀具較平滑運動的另一種結果是，刀具頂端所產生的振動較少，這將有利于提高工件表面的光潔度，尤其是在精加工切削過程中。總之，由這臺機床加工的模具，其表面只需很少的手工加工，甚至是無需要人工打磨。

Witmer先生說，只有鞋類模具或夾板類的表面需要鏡面拋光加工，我們常常采用手工的方式進行拋光打磨。在機床上完成模具加工任務意味著無人化生產操作方式對整體生產率所產生的最大影響。該加工車間采用24h不間斷的連續工作制，每天只有白班需要模具制作工在現場看管機床的操作。

然而，并非每個5軸加工操作都需激活Smooth TCP平滑工具中心點控制系統進行工作。該加工車間的經驗表明，它可以對某些幾何形狀的加工精度采取一些折衷的措施，例如某些陡壁型腔的加工。“是否采用 Smooth TCP平滑工具中心點控制系統取決于多種因素，其中包括用戶設定的公差尺寸帶作為一個參數。”Witmer先生說。采用3度設置值可提供最快、最流暢的加工，而采用0.5度設置值可進行速度較慢但更精確的切削加工。

保持基本的穩定性

在Ellison Technologies公司，Smooth TCP平滑工具中心點控制對于5軸加工機床用戶而言是一項開放的技術，但就其潛在的加工能力而言，它確實能夠增強機床的結構，非常適合于實際應用，十分有利于粗加工和精加工操作。Witmer先生說：“NMV5000DCG型機床的設計為5軸加工提供了一個內在穩定的平臺。”

例如，該模型采用了懸臂式旋轉工作臺配置，而不是采用一種耳軸設計的方式(圖4)。傾斜和擺動的工件可使刀具深入到隱窩的底部，例如鞋底的成型夾板，出現間隙的情況較少。更重要的是，該設計允許在B軸和C旋轉軸中采用直接驅動的分馬力電機。這些分馬力電機應具有足夠大的功率，以便為其他主軸的驅動能力提供適當的速度和扭矩，但這些旋轉軸的質量仍然在可控的管理范圍內。Goes先生說：“由于缺少反沖力，從而也提高了機床的剛性。”