图1  这台长度特别长的5轴龙门铣床向机床制造商发起了挑战，同时也为安装了这台机床的W Industries公司创造了机遇

要在240ft（1ft=304.8mm，下同）长的龙门铣床上精确地测量轴行程是一项巨大的挑战，而精确的定位和提高操作效率则是对人们提出的两个关键性要求。Heidenhain公司的LB 382C型线性光栅尺使Ingersoll Machine Tools公司可以满足北美客户对超大型5轴龙门机床的要求。

W Industries公司是一家以“大型”而闻名的企业，例如大型机床、大型部件和大型化发展，其中大型化发展十分引人瞩目，因为该公司坐落在密执安州的底特律市，这座城市与美国汽车工业的兴衰有着密切的联系。

尽管受到经济低迷的影响，但W Industries公司仍然一直在购置新设备，招聘更多的员工。在新购置的机床中，一台被称作“Cybermill”的铣床特别引人注目。据说，该机床是北美最大的一台龙门铣床，由Ingersoll Machine Tools公司制造。该机床的宽度约为28ft，长度为240ft（其龙门架下的高度为10ft），于2009年春季安装（图1）。

“以这台大型铣床作为我们混合加工机床的一个部分，可以使加工速度提高到一个无人能够预见的程度。”W Industries公司航天制造部主任Jason Sobiek先生解释说。为了支持这一增长速度，该公司希望每年能够新增100名员工。目前，该公司在密执安州已拥有三个工厂、24台铣床、雇员约400人。

“我们正在使用Cybermill铣床为Spirit公司完成A350型空中客车的制造任务。这个项目由两套用于加工机身的长刀具组成，其尺寸均为16ft×70ft。而加工零件所使用的总面积只占机床工作台的1/3。”

Sobiek先生说。据W Industries公司的工作人员估计，其工作台大约可容纳78辆悍马H2越野车（不含轮胎），叠起来能够达到两层楼高，三层楼宽。因为具有如此大的空间，因此该铣床除了可加工特别长的宇航器部件外，还可加工多种大型结构件，包括大型模具、夹具、工装夹具和复合工具。该机床采用三班倒的工作制，每周工作7天。

想要成为一项有效的资产，对于这种大小的机床而言必须满足许多要求。其中最重要的两个要求是“精确”和“高效”。对于机床制造商而言，满足这项挑战性的要求，其中一部分要依赖于控制系统是否能够提供精确和可靠的反馈信息。保持紧密公差尺寸则是其首要目标，但一个具有先进起动能力和初始参考程序的反馈系统也是它的一个优先项目。Ingersoll公司的工程师们已经切实认识到，对于像W Industries公司这样的客户来说，充分发挥这台机床的潜力是至关重要的，因此必须分秒必争。

图2  在Heidenhain公司的线性光栅尺安装时，俯视为Cybermill铣床而准备的特殊安装车间，其X轴床身的长度给人留下了深刻的印象，其长度相当于一个足球场长度的3/4

在计划开发这种大规模尺寸的机床时，设计人员所关心的问题是他们可能无法获得所需长度的线性光栅尺。“我们走访了一位长期合作伙伴——Heidenhain公司，看他们是否能够接受这种长度的线性光栅尺的挑战任务。”Ingersoll公司控制系统项目工程师Martin Honer先生这样说。Heidenhain公司的答复是：这种机床的X轴、Y轴和Z轴可采用LB 382C型密封式线性光栅尺。因为他们所提供的这类光栅尺的长度可达72m（该公司表示这是目前世界上可提供的最长的光栅尺），它们可以覆盖X轴的全部长度。据了解，其X轴的长度相当于一个足球场3/4的长度（图2）。按照Honer先生的说法，这些光栅尺的定位精度可达±5μm级的水平。此外，由Heidenhain公司提供的LB型光栅尺采用了距离编码的参考标记，具有加速和简化找到原位的功能。对最终用户而言，机床的体积和长度越长，其先进的性能就显得更加重要。

参考标记

在LB型光栅尺上用距离编码的参考标记（半绝对值）对大型机床来说是非常重要的，因为它们可以允许其返回到“原点”，并且很快地确定其启动时的位置。在每一次启动时，当其移动很小的一段距离以后，随后的电子程序将会找到一个绝对参考值，即“原位”。而普通机床参考值所涉及的物理移动量，可能会使机床的轴离固定的原位达数米之遥。用距离编码的参考标记可加速和简化这类参考数据的运行。

例如，在W Industries公司的Cybermill铣床上，使用距离编码的参考标记作为X轴的归位周期具有很大的优势，因为它们可以比一个典型的系统（如果机床的龙门架位于工作台的另一端，那么在工作台的一端应装有一个原点限位开关）多节约3min的时间。Honer先生解释说：“这个系统还有利于减少机床的磨损，特别是涉及大型工件加工时，更便于操作员的操作，但主轴也许需要移动，以避免发生碰撞，”
由于在W Industries公司需要安装总长超过150m的LB型距离编码线性光栅尺，Heidenhain公司的技术人员表示愿意提供协助，帮助他们进行安装。首先由W Industries公司的员工安装该光栅尺的外罩，其他所有72m长的光栅尺带、轴承密封表面和保护密封唇都由Heidenhain公司负责，在5天的时间内完成安装。“一切项目，包括中间垫片和扫描单元的安装都必须恰到好处。外罩采用千分表测量安装，其平直度和平行度必须保持在0.004in（1in=25.4mm，下同）的精度范围之内。然后，必须正确地安装扫描头和支架，使其在整个72m的范围内达到0.060in的空气间隙。”Heidenhain公司的技术服务人员Paul Hood先生这样说。

图3  即使是大型工件，例如喷气式客机机身部分的模具，也只占据机床工作台的一小部分，其他的工件也可以装卡在这个工作台上加工，因此该机床几乎从来也没有空闲过，目前该公司正在考虑再添置第二台大型龙门铣床

安装完成以后，W Industries公司独立承包了机床的调试校准服务，用激光跟踪仪检测机床。结果证实，该机床的精度符合，甚至超过了技术规格的要求。

主轴精度达到标准

对于机床制造商而言，主轴的精度属于一个优先的项目，Honer先生强调说：“总体来说，在如此巨大的机床上，精度和重复精度是至关重要的。而更重要的是要注意龙门架主轴上的刀具是否能够在某些相当大的弧线上运动，它们需要很高的精确度。”

这台Cybermill铣床主轴头的工作速度为16000r/min，驱动功率为50kW。“这相当于以1000in/min的速度进行非常精确的切削加工。”W Industries公司NC数控编程专家David Hislop先生解释说。为了处理主轴内的角度测量，该机床采用了两个RCN角度编码器，这类编码器也是由Heidenhain公司提供的。一个编码器安装在C轴上（滑枕与红色主轴头之间的连接处），另一个安装在B轴上（允许刀具呈一定角度的连接处）。B轴必须可移动±100。“主轴头上的定位精度为20/s，其重复精度为1020/s。”Honer先生说。

2006年，在Rockford市Ingersoll公司的工厂内开始了这款巨型机床的研发，它最初作为一个较短的原型进行设计。在那里进行了试验，并成功地应用于波音787飞机翼面的殷钢模具加工。为此，他们将两个龙门架安装于单一的X轴床身上。这种配置使该机床具有更高的生产效率和灵活性，同时又可以使其适应很长零件的加工。

作为多样化生产的一部分，W Industries公司于2008年订购了这台机床，作为配有特长X轴的单龙门机床。增加龙门架的数量始终是该机床的一个选项，因为其特别长的长度使其成为了一套十分抢手的制造设备（图3）。“我们现在可以加工风力发电机的任何一个部件。”Hislop先生说，“从风力发电机的叶片、轮毂总成一直到圆锥头等，我们相信自己在这方面的生产能力是独一无二的，因为风力发电机的涡轮叶片可长达100ft，而模具则长达200ft。我们确信这是世界上唯一可以生产这类大型单一部件的设备之一。我们现在已经开始大量接受风力发电机零部件的加工订单了。”