機(jī)床結(jié)構(gòu)配置的新思路

張 曙 衛(wèi)漢華 張炳生

張曙 同濟(jì)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，上海市科技功臣、全國優(yōu)秀科技工作者、中國機(jī)械工程學(xué)會榮譽(yù)理事。

1 結(jié)構(gòu)配置是機(jī)床產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵

數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在床身、立柱或框架等基礎(chǔ)部件上配置運(yùn)動部件，在程序的控制下使工件與刀具產(chǎn)生相對運(yùn)動而實(shí)現(xiàn)加工過程。機(jī)床結(jié)構(gòu)配置是規(guī)劃實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動的總體布局設(shè)計(jì)，事關(guān)產(chǎn)品的成敗，是機(jī)床企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)部門核心的工作，也是機(jī)床產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵。

推動數(shù)控機(jī)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(jìn)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(jìn)。但要進(jìn)一步提高機(jī)床的性能，特別是高端數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)，必須從機(jī)床的運(yùn)動組合和結(jié)構(gòu)配置入手。機(jī)床結(jié)構(gòu)的配置合理與否決定了機(jī)床的總體性能，成為機(jī)床新產(chǎn)品的主要特征。

2 機(jī)床結(jié)構(gòu)配置的原則

對機(jī)床結(jié)構(gòu)配置的要求是實(shí)現(xiàn)承載工件和刀具的部件在3個坐標(biāo)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(yùn)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(shí)際獲得應(yīng)用僅有十余種。例如，從運(yùn)動鏈的角度，5軸加工中心最常見的運(yùn)動組合和結(jié)構(gòu)配置只有3種，如圖1所示。機(jī)床結(jié)構(gòu)配置和運(yùn)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?。ㄖ亓枯p），以減小所需的驅(qū)動功率和移動時(shí)慣性力的負(fù)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(yùn)動都由刀具一方完成。

圖1 5軸加工中心的運(yùn)動組合和結(jié)構(gòu)配置

（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(jī)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(jī)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(jī)床部件的懸伸量，懸伸所造成的Abbe誤差對機(jī)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)件的路程盡可能短，使熱傳遞和結(jié)構(gòu)彈性變形回路最短，因而機(jī)床就容易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

（6）封閉原則。開環(huán)的C型結(jié)構(gòu)配置的剛度最差，閉環(huán)的龍門式結(jié)構(gòu)配置剛度最大。

根據(jù)以上6項(xiàng)基本原則，機(jī)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(yùn)動組合可有不同的結(jié)構(gòu)配置方案。例如，動梁龍門式機(jī)床和動柱龍門式機(jī)床都屬于LLLRR運(yùn)動組合，而RRLLL運(yùn)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?xì)w屬于RLLLR運(yùn)動組合。

3 機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和材料選擇

3.1 輕量化

機(jī)床結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化目標(biāo)是在保證機(jī)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(jì)觀念是機(jī)床剛度越大越好，現(xiàn)代的設(shè)計(jì)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(jī)床的動態(tài)性能，更加重要的是減小驅(qū)動功率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能省材，達(dá)到環(huán)境友好的目的。如何保證機(jī)床的剛度，傳統(tǒng)的觀點(diǎn)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(biāo)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(jī)床結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)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(shí)，實(shí)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(jī)床結(jié)構(gòu)配置的重要發(fā)展。它的特點(diǎn)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(dá)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

圖2 箱中箱、臺中臺結(jié)構(gòu)

在CAD實(shí)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(jī)床結(jié)構(gòu)的性能，通過線性方程求解機(jī)床整機(jī)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(jī)床的靜態(tài)和動態(tài)性能，用于改進(jìn)機(jī)床的設(shè)計(jì)。

拓?fù)鋬?yōu)化是一種新的機(jī)床結(jié)構(gòu)件優(yōu)化方法，其目標(biāo)是尋找承受單載荷或多載荷結(jié)構(gòu)件的最佳材料分配方案。在給定的設(shè)計(jì)空間中，根據(jù)指定的加載和邊界條件計(jì)算出最佳設(shè)計(jì)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(tài)性能。

拓?fù)鋬?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(jìn)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(shí)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?fù)鋬?yōu)化的案例如圖3所示。

圖3 有限元分析和拓?fù)鋬?yōu)化

設(shè)計(jì)優(yōu)化是一個反復(fù)的過程，從概念設(shè)計(jì)開始，在不同的設(shè)計(jì)階段，都需要借助相應(yīng)軟件對機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，才能夠保證所設(shè)計(jì)機(jī)床的性能。

3.3 機(jī)床結(jié)構(gòu)件的材料

為了實(shí)現(xiàn)高精度、高生產(chǎn)率和生態(tài)友好機(jī)床的目標(biāo)，在設(shè)計(jì)和優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)件時(shí)必須關(guān)注材料的正確選用。材料對機(jī)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(jī)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(jià)格比。但是在某些情況下需要選用新的材料才能夠進(jìn)一步滿足機(jī)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(jī)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(jī)床床身；③碳素纖維，質(zhì)量輕，強(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)床越不利。

熱容量C：結(jié)構(gòu)件的熱容量大，使機(jī)床對環(huán)境溫度變化不敏感，但同時(shí)意味著機(jī)床啟動后較長時(shí)間才能達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)。

熱導(dǎo)率κ：熱導(dǎo)率高使機(jī)床較快達(dá)到熱均勻狀態(tài)，避免局部或不對稱扭曲。但發(fā)電動機(jī)、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(jī)床動態(tài)性能有正面的影響，可抑制振動產(chǎn)生。

4 機(jī)床結(jié)構(gòu)配置的創(chuàng)新案例

4.1 零機(jī)械傳動的機(jī)床結(jié)構(gòu)配置

德國Alfing公司的AS600機(jī)床采用模塊化配置和零機(jī)械傳動的結(jié)構(gòu)，機(jī)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(biāo)X、Y、Z移動的設(shè)計(jì)頗具獨(dú)特創(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(shí)現(xiàn)Y軸運(yùn)動，滑座下方的主軸滑枕可伸縮，實(shí)現(xiàn)Z軸運(yùn)動。但是X軸位移的實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)方法完全不一樣，是虛擬的，不是由部件的疊加移動來實(shí)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(shí)現(xiàn)，X=Rsinθ，其最大行程為650 mm，編程方法與傳統(tǒng)的笛卡爾坐標(biāo)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(jī)驅(qū)動，以保證所需的輸出功率和加速度。這種專利設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小。

AS600機(jī)床同時(shí)考慮速度和精度。所有直線和回轉(zhuǎn)運(yùn)動全部采用直接驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)“零”機(jī)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。

圖4 AS600機(jī)床的配置

為了保證在高速運(yùn)動下的動態(tài)性能，機(jī)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，以保證卓越的靜態(tài)和動態(tài)剛度。

4.2 倒置和正置復(fù)合配置的機(jī)床

MAG自動化集團(tuán)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，最大加工直徑從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(shí)間、提高生產(chǎn)速度的新型機(jī)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(shí)現(xiàn)主運(yùn)動，刀具夾持在刀架上，從上部或側(cè)面實(shí)現(xiàn)兩個方向的進(jìn)給，進(jìn)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(jìn)給。

圖5 雙主軸立式車床的結(jié)構(gòu)配置

從圖5可見，在DVT系列機(jī)床的斜床身上，兩側(cè)有伺服電動機(jī)通過滾珠絲杠驅(qū)動的左右兩個移動立柱滑枕，分別實(shí)現(xiàn)X1軸和X2軸以及Z1和Z2軸的快速移動和進(jìn)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(jìn)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(jī)械手，加工完畢的工件由機(jī)械夾爪放置到機(jī)床右側(cè)的傳送帶上，與毛坯不會混淆。

倒置加工時(shí)，由于進(jìn)給運(yùn)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(shí)，轉(zhuǎn)塔刀架配置在立柱的滑座上，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動，固定在機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊、可以替代兩臺機(jī)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(jī)床

K?rberSchleifring集團(tuán)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(fù)合機(jī)床采用模塊化設(shè)計(jì)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(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(jī)床共有25種不同配置可供用戶選擇。

S242型復(fù)合加工機(jī)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(jī)床采用牌號為GranitanS103的人造大理石床身，并設(shè)計(jì)成傾斜結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

它的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）操作時(shí)的易接近性；

（2）加工時(shí)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(shí)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(shí)間為181 s；采用S242型復(fù)合加工機(jī)床，只需要1個磨削工步和3個車削工步，加工循環(huán)時(shí)間為98 s，縮短了45%，大大提高了生產(chǎn)效率。

圖6 精密磨削和車削機(jī)床的結(jié)構(gòu)配置

5 結(jié)語和展望

與國外機(jī)床企業(yè)競相開發(fā)嶄新結(jié)構(gòu)相比，國內(nèi)機(jī)床企業(yè)傾向采用常規(guī)的機(jī)床結(jié)構(gòu)配置，用戶的選擇標(biāo)準(zhǔn)就轉(zhuǎn)向降低價(jià)格，以減少投資成本。在這種市場氛圍中，價(jià)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(jī)床的市場價(jià)值，取決于它是否有獨(dú)一無二的、無可替代的特點(diǎn)，并能夠?yàn)樘囟ǖ目蛻羧簞?chuàng)造新的價(jià)值。機(jī)床結(jié)構(gòu)和運(yùn)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，哪怕是選配了最好的功能部件，都不會給機(jī)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(jī)床結(jié)構(gòu)配置的趨勢有以下幾點(diǎn)：

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

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

（3）采用復(fù)合加工方式，將不同工序集成到一臺機(jī)床上，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工件在一臺機(jī)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(jì)可以滿足不同用戶對機(jī)床配置的獨(dú)特需求，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制的原則，縮短交貨期，并提高機(jī)床的可靠性。

（5）機(jī)床結(jié)構(gòu)件采用創(chuàng)新的復(fù)合材料，提高機(jī)床結(jié)構(gòu)的阻尼，減少振動，以增大機(jī)床工作的穩(wěn)定區(qū)域。