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1 結(jié)構(gòu)配置是機床產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵
　　數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特點是在床身、立柱或框架等基礎(chǔ)部件上配置運動部件，在程序的控制下使工件與刀具產(chǎn)生相對運動而實現(xiàn)加工過程。機床結(jié)構(gòu)配置是規(guī)劃實現(xiàn)所需的運動的總體布局設(shè)計，事關(guān)產(chǎn)品的成敗，是機床企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)部門核心的工作，也是機床產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵。
　　推動數(shù)控機床發(fā)展的力量主要來自以下客戶需求：①更高的切削速度；②更高的生產(chǎn)效率；③更大的工藝范圍。過去這方面的進展主要得益于電主軸、線性導(dǎo)軌、伺服驅(qū)動裝置等功能部件的性能改進。但要進一步提高機床的性能，特別是數(shù)控機床的設(shè)計，必須從機床的運動組合和結(jié)構(gòu)配置入手。機床結(jié)構(gòu)的配置合理與否決定了機床的總體性能，成為機床新產(chǎn)品的主要特征。
　　2 機床結(jié)構(gòu)配置的原則
　　對機床結(jié)構(gòu)配置的要求是實現(xiàn)承載工件和刀具的部件在3個坐標軸上的移動L和以及3個繞軸線的轉(zhuǎn)動R。假定傳動鏈從工件開始到刀具為止，6個自由度的運動組合可能有許多種方案。但是，考慮到結(jié)構(gòu)配置的合理性以及數(shù)控軸數(shù)一般不會超過5個軸，實際獲得應(yīng)用僅有十余種。例如，從運動鏈的角度，5軸加工中心zui常見的運動組合和結(jié)構(gòu)配置只有3種，如圖1所示。機床結(jié)構(gòu)配置和運動組合的基本原則是：
           
　　（1）輕量化原則。移動部件的質(zhì)量盡量小（重量輕），以減小所需的驅(qū)動功率和移動時慣性力的負面影響。例如，圖1a的將大型工件安裝在固定不動的工作臺上，所有運動都由刀具一方完成。
　　（2）重心驅(qū)動原則。移動部件的驅(qū)動力盡量在部件的重心軸線上，避免形成或盡量減小偏轉(zhuǎn)力矩。例如，圖1a和圖1b機床的橫梁都是由兩側(cè)立柱上方的驅(qū)動裝置同步驅(qū)動，形成的合力在中間，圖1c的X軸和Y軸配置也遵循重心驅(qū)動原則。
　　（3）對稱原則。機床結(jié)構(gòu)盡量左右對稱，以減小熱變形的不均勻性和防止形成附加的偏轉(zhuǎn)力矩。
　　（4）短懸伸原則。盡量縮短機床部件的懸伸量，懸伸所造成的Abbe誤差對機床的剛度是非常有害的，角度變化往往被放大為可觀的線性誤差。此外，主軸懸伸量往往是變化的，因此其剛度也是變數(shù)。
　　（5）短路徑原則。從刀具到工件經(jīng)過結(jié)構(gòu)件路程盡可能短，使熱傳遞和結(jié)構(gòu)彈性變形回路zui短，因而機床就容易達到穩(wěn)定狀態(tài)。
　　（6）封閉原則。開環(huán)的C型結(jié)構(gòu)配置的剛度zui差，閉環(huán)的龍門式結(jié)構(gòu)配置剛度zui大。
　　根據(jù)以上6項基本原則，機床結(jié)構(gòu)應(yīng)該剛性好、重量輕，此外還要考慮制造成本、裝配的方便性、工作區(qū)的可接近性以及占地面積等因素。
　　每種運動組合可有不同的結(jié)構(gòu)配置方案。例如，動梁龍門式機床和動柱龍門式機床都屬于LLLRR運動組合，而RRLLL運動組合包括AC雙轉(zhuǎn)臺和BC雙轉(zhuǎn)臺，車銑復(fù)合加工和銑車復(fù)合加工都歸屬于RLLLR運動組合。
　　3 機床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和材料選擇
　　3.1 輕量化
　　機床結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化目標是在保證機床靜態(tài)和動態(tài)性能的前提下使移動部件輕量化。傳統(tǒng)的設(shè)計觀念是機床剛度越大越好，現(xiàn)代的設(shè)計觀念是質(zhì)量越輕越好。移動部件質(zhì)量輕，不僅可以提高機床的動態(tài)性能，更加重要的是減小驅(qū)動功率，實現(xiàn)節(jié)能省材，達到環(huán)境友好的目的。如何保證機床的剛度，傳統(tǒng)的觀點是加大結(jié)構(gòu)件的壁厚。壁厚與重量是立方關(guān)系，壁厚與剛度是線性關(guān)系。更加主要的指標是剛度質(zhì)量比。隨著壁厚的增加，剛度質(zhì)量比隨之降低，材料的有效利用越差。機床結(jié)構(gòu)件設(shè)計的成功關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)件的形狀和筋板的合理布置，在輕量化的同時，實現(xiàn)高剛度和高剛度質(zhì)量比。
　　例如，箱中箱結(jié)構(gòu)（圖2）是機床結(jié)構(gòu)配置的重要發(fā)展。它的特點是采用框架式的箱形結(jié)構(gòu)，將一個移動部件嵌入另一個部件的封閉框架箱中，從而達到提高剛度、減輕移動部件質(zhì)量的目的。

          
　3.2 建模、仿真和優(yōu)化
　　在CAD實體模型的基礎(chǔ)上，可以建立有限元模型，借助數(shù)字方法確定機床結(jié)構(gòu)的性能，通過線性方程求解機床整機及其結(jié)構(gòu)件在載荷下的響應(yīng)。載荷的形式可以是重力、切削力、加速度和熱量，載荷是給定的邊界條件。載荷產(chǎn)生的結(jié)果諸如變形和應(yīng)力的大小、固有頻率和溫升的高低等。借助有限元分析和仿真獲得的結(jié)果可以預(yù)測機床的靜態(tài)和動態(tài)性能，用于改進機床的設(shè)計。
　　拓撲優(yōu)化是一種新的機床結(jié)構(gòu)件優(yōu)化方法，其目標是尋找承受單載荷或多載荷結(jié)構(gòu)件的*材料分配方案。在給定的設(shè)計空間中，根據(jù)的加載和邊界條件計算出*設(shè)計方案，例如：①剛度不變前提下體積zui小化，減輕重量；②體積不變前提下剛度zui大化，減小變形；③體積不變，*固有頻率zui大化，提高動態(tài)性能。
　　拓撲優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)件通常外形古怪，不美觀、也無法加工，需要進行外形優(yōu)化，以提高滿足加工工藝要求和結(jié)構(gòu)對稱的程度，同時減小應(yīng)力集中，改善結(jié)構(gòu)件的動態(tài)的耐疲勞性。
　　有限元分析和拓撲優(yōu)化的案例如圖3所示。
 
　　設(shè)計優(yōu)化是一個反復(fù)的過程，從概念設(shè)計開始，在不同的設(shè)計階段，都需要借助相應(yīng)軟件對機床結(jié)構(gòu)進行反復(fù)優(yōu)化，才能夠保證所設(shè)計機床的性能。
　　3.3 機床結(jié)構(gòu)件的材料
　　為了實現(xiàn)高精度、高生產(chǎn)率和生態(tài)友好機床的目標，在設(shè)計和優(yōu)化機床結(jié)構(gòu)件時必須關(guān)注材料的正確選用。材料對機床的移動質(zhì)量、慣性矩、靜態(tài)和動態(tài)剛度、固有頻率和熱性能都有很大的影響。
　　目前機床結(jié)構(gòu)件廣泛采用的材料是鑄鐵和鋼，兩者都具有良好的剛度質(zhì)量比和品質(zhì)價格比。但是在某些情況下需要選用新的材料才能夠進一步滿足機床高性能的要求。例如：①樹脂混凝土或礦物鑄件，阻尼系數(shù)大，用于機床床身等固定結(jié)構(gòu)件；②大理石，阻尼系數(shù)大，熱穩(wěn)定性高，用于超精密機床床身；③碳素纖維，質(zhì)量輕，強度高，用于高速移動結(jié)構(gòu)件；④混合材料，在鋼焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)充填樹脂混凝土，以提高阻尼等。對機床的性能有較大影響的材料主要物理性能是：
　　楊氏模數(shù)E：楊氏模數(shù)的數(shù)值對機床的靜態(tài)和動態(tài)剛度都有正面的影響。
　　泊松比ν和剪切模量G：這兩個數(shù)值對機床扭轉(zhuǎn)剛度有正面的影響。
　　密度ρ：低密度的移動結(jié)構(gòu)件對機床動態(tài)性能有利，而高密度的材料適用于諸如床身、底座等固定的結(jié)構(gòu)件。
　　熱膨脹系數(shù)α：數(shù)值越大對機床越不利。
　　熱容量C：結(jié)構(gòu)件的熱容量大，使機床對環(huán)境溫度變化不敏感，但同時意味著機床啟動后較長時間才能達到熱穩(wěn)定狀態(tài)。
　　熱導(dǎo)率κ：熱導(dǎo)率高使機床較快達到熱均勻狀態(tài)，避免局部或不對稱扭曲。但發(fā)電動機、軸承等發(fā)熱器件的熱量也很快傳給結(jié)構(gòu)件，造成熱變形。
　　材料和結(jié)構(gòu)的阻尼：高阻尼對機床動態(tài)性能有正面的影響，可抑制振動產(chǎn)生。
　　4 機床結(jié)構(gòu)配置的創(chuàng)新案例
　　4.1 零機械傳動的機床結(jié)構(gòu)配置
　　德國Alfing公司的AS600機床采用模塊化配置和零機械傳動的結(jié)構(gòu)，機床由4大模塊組成：①底座和立柱；②回轉(zhuǎn)工作臺；③托板交換裝置；④刀具交換裝置。其中完成笛卡爾坐標X、Y、Z移動的設(shè)計頗具*創(chuàng)新之處，如圖4所示。

 
　　從圖中可見，在封閉框架的立柱中配置上下移動的滑座，實現(xiàn)Y軸運動，滑座下方的主軸滑枕可伸縮，實現(xiàn)Z軸運動。但是X軸位移的實現(xiàn)與傳統(tǒng)方法*不一樣，是虛擬的，不是由部件的疊加移動來實現(xiàn)，而是由Y軸和主軸滑枕繞滑座中心的轉(zhuǎn)角相互配合來實現(xiàn)，X=Rsinθ，其zui大行程為650 mm，編程方法與傳統(tǒng)的笛卡爾坐標沒有區(qū)別。
　　主軸采用同步電主軸，主軸滑枕的偏轉(zhuǎn)由大功率力矩電動機驅(qū)動，以保證所需的輸出功率和加速度。這種設(shè)計的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小。
　　AS600機床同時考慮速度和精度。所有直線和回轉(zhuǎn)運動全部采用直接驅(qū)動，實現(xiàn)“零”機械傳動。直接驅(qū)動的動態(tài)性能好，沒有噪聲和磨損非常小。其X、Y、Z軸的快速移動速度為120 m/min，加速度分別為15 m/s2、15 m/s2和20 m/s2。
　　為了保證在高速運動下的動態(tài)性能，機床立柱框架和床身結(jié)構(gòu)的抗振能力很高。床身的內(nèi)芯澆灌了一種稱為HydroPol的無收縮混凝土和鋼的混合材料，以保證的靜態(tài)和動態(tài)剛度。
 
　4.2 倒置和正置復(fù)合配置的機床
　　MAG自動化集團旗下的Hessapp公司推出DVT系列倒置和正置復(fù)合配置的立式車床，有8種型號，zui大加工直徑從250 mm到750 mm，其結(jié)構(gòu)配置形式如圖5所示。
 
　　倒置式加工是縮短輔助時間、提高生產(chǎn)速度的新型機床結(jié)構(gòu)配置。傳統(tǒng)正置的立式車削方式是工件裝夾在回轉(zhuǎn)主軸(工作臺)上，實現(xiàn)主運動，刀具夾持在刀架上，從上部或側(cè)面實現(xiàn)兩個方向的進給，進行端面和外圓的加工。倒置式加工反其道而行之，工件裝夾在主軸上，從上面移向刀具并完成兩個方向進給。
　　從圖5可見，在DVT系列機床的斜床身上，兩側(cè)有伺服電動機通過滾珠絲杠驅(qū)動的左右兩個移動立柱滑枕，分別實現(xiàn)X1軸和X2軸以及Z1和Z2軸的快速移動和進給。左邊是倒置加工，主軸在上方；右邊為正置加工，主軸在下方。在左右立柱上的工件主軸或轉(zhuǎn)塔刀架可作X軸和Z軸方向的快速移動和進給。由于一正一倒，無需將工件反轉(zhuǎn)就可以加工工件的兩端，提高了加工精度，倒置的主軸兼作裝卸工件的機械手，加工完畢的工件由機械夾爪放置到機床右側(cè)的傳送帶上，與毛坯不會混淆。
　　倒置加工時，由于進給運動由夾持工件的主軸來完成，在主軸的右側(cè)可配置固定不移動的轉(zhuǎn)塔刀架。正置加工時，轉(zhuǎn)塔刀架配置在立柱的滑座上，實現(xiàn)進給運動，固定在機床右前方的主軸僅提供切削功率。此外，由于工件夾持在主軸上，加工過程中產(chǎn)生的切屑和冷卻液立刻墜落在收集器內(nèi)，有利于保證加工精度和熱量移除。
　　橫穿機床中部和右側(cè)配置有伸縮托盤式傳送帶，托板上裝上待加工的毛坯，傳送帶就將毛坯送入機床的加工區(qū)域，倒置主軸就移向傳送帶，抓取或放下工件，工件裝卸可在6 s內(nèi)完成，從而明顯提高了生產(chǎn)效率，縮短了加工節(jié)拍。DVT系列雙主軸機床結(jié)構(gòu)緊湊、可以替代兩臺機床，占地面積小，加工效率高，適合大批量生產(chǎn)的精密零件的完整加工。
　　4.3 精密磨削和車削復(fù)合加工的機床
　　KrberSchleifring集團旗下的磨床制造商Studer公司的S242精密磨削和車削復(fù)合機床采用模塊化設(shè)計原理，配置2個或3個不同的橫向滑座。滑座上可安裝外圓磨頭（左右磨頭、0°和25°斜角砂輪）、3種8～12 把刀位的車、銑、鉆轉(zhuǎn)塔刀架、以及裝有3個內(nèi)圓磨削主軸的轉(zhuǎn)塔。上述模塊組成的機床共有25種不同配置可供用戶選擇。
　　S242型復(fù)合加工機床將精密圓柱面磨削和硬車削加工兩種技術(shù)結(jié)合到一起，使一次裝夾就能夠加工完畢一個工件，不僅提高了加工效率，更容易保證加工精度。
　　S242型精密磨削和車削復(fù)合加工機床采用牌號為GranitanS103的人造大理石床身，并設(shè)計成傾斜結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

 
　　它的主要優(yōu)點如下：
　　（1）操作時的易接近性；
　　（2）加工時的良好吸振性；
　　（3）高度熱穩(wěn)定性；
　　（4）理想的排屑和冷卻液排出能力。
　　精密磨削和硬車的復(fù)合加工可以大幅度縮短加工時間。以加工HSK 63刀柄為例，普通外圓磨床加工，需要5個工步，2次裝夾，加工循環(huán)時間為181 s；采用S242型復(fù)合加工機床，只需要1個磨削工步和3個車削工步，加工循環(huán)時間為98 s，縮短了45％，大大提高了生產(chǎn)效率。
　　5 結(jié)語和展望
　　與國外機床企業(yè)競相開發(fā)嶄新結(jié)構(gòu)相比，國內(nèi)機床企業(yè)傾向采用常規(guī)的機床結(jié)構(gòu)配置，用戶的選擇標準就轉(zhuǎn)向降低價格，以減少投資成本。在這種市場氛圍中，價格大戰(zhàn)是無可避免的結(jié)果。
在功能部件已經(jīng)市場化的今天，一款機床的市場價值，取決于它是否有*的、*的特點，并能夠為特定的客戶群創(chuàng)造新的價值。機床結(jié)構(gòu)和運動系統(tǒng)的配置如果沒有特色，又不能為客戶帶來新的競爭優(yōu)勢，哪怕是選配了的功能部件，都不會給機床的生產(chǎn)商帶來更多的利潤。
　　從本文的論述和列舉的案例我們可以看到，機床結(jié)構(gòu)配置的趨勢有以下幾點：
　　（1）機床移動部件的輕量化是機床的重要發(fā)展方向，它可減小慣性力的負面影響，提高機床動態(tài)性能；減小驅(qū)動功率，使機床綠色化。
　　（2）盡量以電代機，采用直接驅(qū)動方式，縮短機械傳動鏈或不用機械傳動，提高機床的動態(tài)性能，減少傳動間隙的負面影響。
　　（3）采用復(fù)合加工方式，將不同工序集成到一臺機床上，實現(xiàn)復(fù)雜工件在一臺機床完整加工，以縮短加工循環(huán)和提高加工精度。
　　（4）模塊化設(shè)計可以滿足不同用戶對機床配置的*需求，實現(xiàn)大規(guī)模定制的原則，縮短交貨期，并提高機床的可靠性。
　　（5）機床結(jié)構(gòu)件采用創(chuàng)新的復(fù)合材料，提高機床結(jié)構(gòu)的阻尼，減少振動，以增大機床工作的穩(wěn)定區(qū)域。