機床結構配置的新思路

張 曙 衛漢華 張炳生

張曙 同濟大學教授、博士生導師，上海市科技功臣、全國優秀科技工作者、中國機械工程學會榮譽理事。

1 結構配置是機床產品創新的關鍵

數控機床的結構特點是在床身、立柱或框架等基礎部件上配置運動部件，在程序的控制下使工件與刀具產生相對運動而實現加工過程。機床結構配置是規劃實現所需的運動的總體布局設計，事關產品的成敗，是機床企業產品開發部門核心的工作，也是機床產品創新的關鍵。

推動數控機床發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、線性導軌、伺服驅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，特別是高端數控機床的設計，必須從機床的運動組合和結構配置入手。機床結構的配置合理與否決定了機床的總體性能，成為機床新產品的主要特征。

2 機床結構配置的原則

對機床結構配置的要求是實現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，考慮到結構配置的合理性以及數控軸數一般不會超過5個軸，實際獲得應用僅有十余種。例如，從運動鏈的角度，5軸加工中心最常見的運動組合和結構配置只有3種，如圖1所示。機床結構配置和運動組合的基本原則是：

（1）輕量化原則。移動部件的質量盡量小（重量輕），以減小所需的驅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。

圖1 5軸加工中心的運動組合和結構配置

（2）重心驅動原則。移動部件的驅動力盡量在部件的重心軸線上，避免形成或盡量減小偏轉力矩。例如，圖1a和圖1b機床的橫梁都是由兩側立柱上方的驅動裝置同步驅動，形成的合力在中間，圖1c的X軸和Y軸配置也遵循重心驅動原則。

（3）對稱原則。機床結構盡量左右對稱，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。

（5）短路徑原則。從刀具到工件經過結構件的路程盡可能短，使熱傳遞和結構彈性變形回路最短，因而機床就容易達到穩定狀態。

（6）封閉原則。開環的C型結構配置的剛度最差，閉環的龍門式結構配置剛度最大。

根據以上6項基本原則，機床結構應該剛性好、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構配置方案。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雙轉臺和BC雙轉臺，車銑復合加工和銑車復合加工都歸屬于RLLLR運動組合。

3 機床結構的優化和材料選擇

3.1 輕量化

機床結構件的優化目標是在保證機床靜態和動態性能的前提下使移動部件輕量化。傳統的設計觀念是機床剛度越大越好，現代的設計觀念是質量越輕越好。移動部件質量輕，不僅可以提高機床的動態性能，更加重要的是減小驅動功率，實現節能省材，達到環境友好的目的。如何保證機床的剛度，傳統的觀點是加大結構件的壁厚。壁厚與重量是立方關系，壁厚與剛度是線性關系。更加主要的指標是剛度質量比。隨著壁厚的增加，剛度質量比隨之降低，材料的有效利用越差。機床結構件設計的成功關鍵在于結構件的形狀和筋板的合理布置，在輕量化的同時，實現高剛度和高剛度質量比。

例如，箱中箱結構（圖2）是機床結構配置的重要發展。它的特點是采用框架式的箱形結構，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、減輕移動部件質量的目的。

3.2 建模、仿真和優化

圖2 箱中箱、臺中臺結構

在CAD實體模型的基礎上，可以建立有限元模型，借助數字方法確定機床結構的性能，通過線性方程求解機床整機及其結構件在載荷下的響應。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。載荷產生的結果諸如變形和應力的大小、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果可以預測機床的靜態和動態性能，用于改進機床的設計。

拓撲優化是一種新的機床結構件優化方法，其目標是尋找承受單載荷或多載荷結構件的最佳材料分配方案。在給定的設計空間中，根據指定的加載和邊界條件計算出最佳設計方案，例如：①剛度不變前提下體積最小化，減輕重量；②體積不變前提下剛度最大化，減小變形；③體積不變，第一固有頻率最大化，提高動態性能。

拓撲優化后的結構件通常外形古怪，不美觀、也無法加工，需要進行外形優化，以提高滿足加工工藝要求和結構對稱的程度，同時減小應力集中，改善結構件的動態的耐疲勞性。

有限元分析和拓撲優化的案例如圖3所示。

圖3 有限元分析和拓撲優化

設計優化是一個反復的過程，從概念設計開始，在不同的設計階段，都需要借助相應軟件對機床結構進行反復優化，才能夠保證所設計機床的性能。

3.3 機床結構件的材料

為了實現高精度、高生產率和生態友好機床的目標，在設計和優化機床結構件時必須關注材料的正確選用。材料對機床的移動質量、慣性矩、靜態和動態剛度、固有頻率和熱性能都有很大的影響。

目前機床結構件廣泛采用的材料是鑄鐵和鋼，兩者都具有良好的剛度質量比和品質價格比。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，阻尼系數大，用于機床床身等固定結構件；②大理石，阻尼系數大，熱穩定性高，用于超精密機床床身；③碳素纖維，質量輕，強度高，用于高速移動結構件；④混合材料，在鋼焊接結構內充填樹脂混凝土，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E：楊氏模數的數值對機床的靜態和動態剛度都有正面的影響。

泊松比ν和剪切模量G：這兩個數值對機床扭轉剛度有正面的影響。

密度ρ：低密度的移動結構件對機床動態性能有利，而高密度的材料適用于諸如床身、底座等固定的結構件。

熱膨脹系數α：數值越大對機床越不利。

熱容量C：結構件的熱容量大，使機床對環境溫度變化不敏感，但同時意味著機床啟動后較長時間才能達到熱穩定狀態。

熱導率κ：熱導率高使機床較快達到熱均勻狀態，避免局部或不對稱扭曲。但發電動機、軸承等發熱器件的熱量也很快傳給結構件，造成熱變形。

材料和結構的阻尼：高阻尼對機床動態性能有正面的影響，可抑制振動產生。

4 機床結構配置的創新案例

4.1 零機械傳動的機床結構配置

德國Alfing公司的AS600機床采用模塊化配置和零機械傳動的結構，機床由4大模塊組成：①底座和立柱；②回轉工作臺；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移動的設計頗具獨特創新之處，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Y軸運動，滑座下方的主軸滑枕可伸縮，實現Z軸運動。但是X軸位移的實現與傳統方法完全不一樣，是虛擬的，不是由部件的疊加移動來實現，而是由Y軸和主軸滑枕繞滑座中心的轉角相互配合來實現，X=Rsinθ，其最大行程為650 mm，編程方法與傳統的笛卡爾坐標沒有區別。

主軸采用同步電主軸，主軸滑枕的偏轉由大功率力矩電動機驅動，以保證所需的輸出功率和加速度。這種專利設計的優點是結構緊湊、占地面積小。

AS600機床同時考慮速度和精度。所有直線和回轉運動全部采用直接驅動，實現“零”機械傳動。直接驅動的動態性能好，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。

圖4 AS600機床的配置

為了保證在高速運動下的動態性能，機床立柱框架和床身結構的抗振能力很高。床身的內芯澆灌了一種稱為HydroPol的無收縮混凝土和鋼的混合材料，以保證卓越的靜態和動態剛度。

4.2 倒置和正置復合配置的機床

MAG自動化集團旗下的Hessapp公司推出DVT系列倒置和正置復合配置的立式車床，有8種型號，最大加工直徑從250 mm到750 mm，其結構配置形式如圖5所示。

倒置式加工是縮短輔助時間、提高生產速度的新型機床結構配置。傳統正置的立式車削方式是工件裝夾在回轉主軸（工作臺）上，實現主運動，刀具夾持在刀架上，從上部或側面實現兩個方向的進給，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。

圖5 雙主軸立式車床的結構配置

從圖5可見，在DVT系列機床的斜床身上，兩側有伺服電動機通過滾珠絲杠驅動的左右兩個移動立柱滑枕，分別實現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，在主軸的右側可配置固定不移動的轉塔刀架。正置加工時，轉塔刀架配置在立柱的滑座上，實現進給運動，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，加工過程中產生的切屑和冷卻液立刻墜落在收集器內，有利于保證加工精度和熱量移除。

橫穿機床中部和右側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內完成，從而明顯提高了生產效率，縮短了加工節拍。DVT系列雙主軸機床結構緊湊、可以替代兩臺機床，占地面積小，加工效率高，適合大批量生產的精密零件的完整加工。

4.3 精密磨削和車削復合加工的機床

K?rberSchleifring集團旗下的著名磨床制造商Studer公司的S242萬能精密磨削和車削復合機床采用模塊化設計原理，配置2個或3個不同的橫向滑座?；峡砂惭b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、鉆轉塔刀架、以及裝有3個內圓磨削主軸的轉塔。上述模塊組成的機床共有25種不同配置可供用戶選擇。

S242型復合加工機床將精密圓柱面磨削和硬車削加工兩種技術結合到一起，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合加工機床采用牌號為GranitanS103的人造大理石床身，并設計成傾斜結構，如圖6所示。

它的主要優點如下：

（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，加工循環時間為181 s；采用S242型復合加工機床，只需要1個磨削工步和3個車削工步，加工循環時間為98 s，縮短了45%，大大提高了生產效率。

圖6 精密磨削和車削機床的結構配置

5 結語和展望

與國外機床企業競相開發嶄新結構相比，國內機床企業傾向采用常規的機床結構配置，用戶的選擇標準就轉向降低價格，以減少投資成本。在這種市場氛圍中，價格大戰是無可避免的結果。

在功能部件已經市場化的今天，一款機床的市場價值，取決于它是否有獨一無二的、無可替代的特點，并能夠為特定的客戶群創造新的價值。機床結構和運動系統的配置如果沒有特色，又不能為客戶帶來新的競爭優勢，哪怕是選配了最好的功能部件，都不會給機床的生產商帶來更多的利潤。

從本文的論述和列舉的案例我們可以看到，機床結構配置的趨勢有以下幾點：

（1）機床移動部件的輕量化是高端機床的重要發展方向，它可減小慣性力的負面影響，提高機床動態性能；減小驅動功率，使機床綠色化。

（2）盡量以電代機，采用直接驅動方式，縮短機械傳動鏈或不用機械傳動，提高機床的動態性能，減少傳動間隙的負面影響。

（3）采用復合加工方式，將不同工序集成到一臺機床上，實現復雜工件在一臺機床完整加工，以縮短加工循環和提高加工精度。

（4）模塊化設計可以滿足不同用戶對機床配置的獨特需求，實現大規模定制的原則，縮短交貨期，并提高機床的可靠性。

（5）機床結構件采用創新的復合材料，提高機床結構的阻尼，減少振動，以增大機床工作的穩定區域。