张 曙 卫汉华 张炳生

张曙 同济大学教授、博士生导师，上海市科技功臣、全国优秀科技工作者、中国机械工程学会荣誉理事。

1 结构配置是机床产品创新的关键

数控机床的结构特点是在床身、立柱或框架等基础部件上配置运动部件，在程序的控制下使工件与刀具产生相对运动而实现加工过程。机床结构配置是规划实现所需的运动的总体布局设计，事关产品的成败，是机床企业产品开发部门核心的工作，也是机床产品创新的关键。

推动数控机床发展的力量主要来自以下客户需求：①更高的切削速度；②更高的生产效率；③更大的工艺范围。过去这方面的进展主要得益于电主轴、线性导轨、伺服驱动装置等功能部件的性能改进。但要进一步提高机床的性能，特别是高端数控机床的设计，必须从机床的运动组合和结构配置入手。机床结构的配置合理与否决定了机床的总体性能，成为机床新产品的主要特征。

2 机床结构配置的原则

对机床结构配置的要求是实现承载工件和刀具的部件在3个坐标轴上的移动L和以及3个绕轴线的转动R。假定传动链从工件开始到刀具为止，6个自由度的运动组合可能有许多种方案。但是，考虑到结构配置的合理性以及数控轴数一般不会超过5个轴，实际获得应用仅有十余种。例如，从运动链的角度，5轴加工中心最常见的运动组合和结构配置只有3种，如图1所示。机床结构配置和运动组合的基本原则是：

（1）轻量化原则。移动部件的质量尽量小（重量轻），以减小所需的驱动功率和移动时惯性力的负面影响。例如，图1a的将大型工件安装在固定不动的工作台上，所有运动都由刀具一方完成。

图1 5轴加工中心的运动组合和结构配置

（2）重心驱动原则。移动部件的驱动力尽量在部件的重心轴线上，避免形成或尽量减小偏转力矩。例如，图1a和图1b机床的横梁都是由两侧立柱上方的驱动装置同步驱动，形成的合力在中间，图1c的X轴和Y轴配置也遵循重心驱动原则。

（3）对称原则。机床结构尽量左右对称，以减小热变形的不均匀性和防止形成附加的偏转力矩。

（4）短悬伸原则。尽量缩短机床部件的悬伸量，悬伸所造成的Abbe误差对机床的刚度是非常有害的，角度变化往往被放大为可观的线性误差。此外，主轴悬伸量往往是变化的，因此其刚度也是变数。

（5）短路径原则。从刀具到工件经过结构件的路程尽可能短，使热传递和结构弹性变形回路最短，因而机床就容易达到稳定状态。

（6）封闭原则。开环的C型结构配置的刚度最差，闭环的龙门式结构配置刚度最大。

根据以上6项基本原则，机床结构应该刚性好、重量轻，此外还要考虑制造成本、装配的方便性、工作区的可接近性以及占地面积等因素。

每种运动组合可有不同的结构配置方案。例如，动梁龙门式机床和动柱龙门式机床都属于LLLRR运动组合，而RRLLL运动组合包括AC双转台和BC双转台，车铣复合加工和铣车复合加工都归属于RLLLR运动组合。

3 机床结构的优化和材料选择

3.1 轻量化

机床结构件的优化目标是在保证机床静态和动态性能的前提下使移动部件轻量化。传统的设计观念是机床刚度越大越好，现代的设计观念是质量越轻越好。移动部件质量轻，不仅可以提高机床的动态性能，更加重要的是减小驱动功率，实现节能省材，达到环境友好的目的。如何保证机床的刚度，传统的观点是加大结构件的壁厚。壁厚与重量是立方关系，壁厚与刚度是线性关系。更加主要的指标是刚度质量比。随着壁厚的增加，刚度质量比随之降低，材料的有效利用越差。机床结构件设计的成功关键在于结构件的形状和筋板的合理布置，在轻量化的同时，实现高刚度和高刚度质量比。

例如，箱中箱结构（图2）是机床结构配置的重要发展。它的特点是采用框架式的箱形结构，将一个移动部件嵌入另一个部件的封闭框架箱中，从而达到提高刚度、减轻移动部件质量的目的。

3.2 建模、仿真和优化

图2 箱中箱、台中台结构

在CAD实体模型的基础上，可以建立有限元模型，借助数字方法确定机床结构的性能，通过线性方程求解机床整机及其结构件在载荷下的响应。载荷的形式可以是重力、切削力、加速度和热量，载荷是给定的边界条件。载荷产生的结果诸如变形和应力的大小、固有频率和温升的高低等。借助有限元分析和仿真获得的结果可以预测机床的静态和动态性能，用于改进机床的设计。

拓扑优化是一种新的机床结构件优化方法，其目标是寻找承受单载荷或多载荷结构件的最佳材料分配方案。在给定的设计空间中，根据指定的加载和边界条件计算出最佳设计方案，例如：①刚度不变前提下体积最小化，减轻重量；②体积不变前提下刚度最大化，减小变形；③体积不变，第一固有频率最大化，提高动态性能。

拓扑优化后的结构件通常外形古怪，不美观、也无法加工，需要进行外形优化，以提高满足加工工艺要求和结构对称的程度，同时减小应力集中，改善结构件的动态的耐疲劳性。

有限元分析和拓扑优化的案例如图3所示。

图3 有限元分析和拓扑优化

设计优化是一个反复的过程，从概念设计开始，在不同的设计阶段，都需要借助相应软件对机床结构进行反复优化，才能够保证所设计机床的性能。

3.3 机床结构件的材料

为了实现高精度、高生产率和生态友好机床的目标，在设计和优化机床结构件时必须关注材料的正确选用。材料对机床的移动质量、惯性矩、静态和动态刚度、固有频率和热性能都有很大的影响。

目前机床结构件广泛采用的材料是铸铁和钢，两者都具有良好的刚度质量比和品质价格比。但是在某些情况下需要选用新的材料才能够进一步满足机床高性能的要求。例如：①树脂混凝土或矿物铸件，阻尼系数大，用于机床床身等固定结构件；②大理石，阻尼系数大，热稳定性高，用于超精密机床床身；③碳素纤维，质量轻，强度高，用于高速移动结构件；④混合材料，在钢焊接结构内充填树脂混凝土，以提高阻尼等。对机床的性能有较大影响的材料主要物理性能是：

杨氏模数E：杨氏模数的数值对机床的静态和动态刚度都有正面的影响。

泊松比ν和剪切模量G：这两个数值对机床扭转刚度有正面的影响。

密度ρ：低密度的移动结构件对机床动态性能有利，而高密度的材料适用于诸如床身、底座等固定的结构件。

热膨胀系数α：数值越大对机床越不利。

热容量C：结构件的热容量大，使机床对环境温度变化不敏感，但同时意味着机床启动后较长时间才能达到热稳定状态。

热导率κ：热导率高使机床较快达到热均匀状态，避免局部或不对称扭曲。但发电动机、轴承等发热器件的热量也很快传给结构件，造成热变形。

材料和结构的阻尼：高阻尼对机床动态性能有正面的影响，可抑制振动产生。

4 机床结构配置的创新案例

4.1 零机械传动的机床结构配置

德国Alfing公司的AS600机床采用模块化配置和零机械传动的结构，机床由4大模块组成：①底座和立柱；②回转工作台；③托板交换装置；④刀具交换装置。其中完成笛卡尔坐标X、Y、Z移动的设计颇具独特创新之处，如图4所示。

从图中可见，在封闭框架的立柱中配置上下移动的滑座，实现Y轴运动，滑座下方的主轴滑枕可伸缩，实现Z轴运动。但是X轴位移的实现与传统方法完全不一样，是虚拟的，不是由部件的叠加移动来实现，而是由Y轴和主轴滑枕绕滑座中心的转角相互配合来实现，X=Rsinθ，其最大行程为650 mm，编程方法与传统的笛卡尔坐标没有区别。

主轴采用同步电主轴，主轴滑枕的偏转由大功率力矩电动机驱动，以保证所需的输出功率和加速度。这种专利设计的优点是结构紧凑、占地面积小。

AS600机床同时考虑速度和精度。所有直线和回转运动全部采用直接驱动，实现“零”机械传动。直接驱动的动态性能好，没有噪声和磨损非常小。其X、Y、Z轴的快速移动速度为120 m/min，加速度分别为15 m/s2、15 m/s2和20 m/s2。

图4 AS600机床的配置

为了保证在高速运动下的动态性能，机床立柱框架和床身结构的抗振能力很高。床身的内芯浇灌了一种称为HydroPol的无收缩混凝土和钢的混合材料，以保证卓越的静态和动态刚度。

4.2 倒置和正置复合配置的机床

MAG自动化集团旗下的Hessapp公司推出DVT系列倒置和正置复合配置的立式车床，有8种型号，最大加工直径从250 mm到750 mm，其结构配置形式如图5所示。

倒置式加工是缩短辅助时间、提高生产速度的新型机床结构配置。传统正置的立式车削方式是工件装夹在回转主轴（工作台）上，实现主运动，刀具夹持在刀架上，从上部或侧面实现两个方向的进给，进行端面和外圆的加工。倒置式加工反其道而行之，工件装夹在主轴上，从上面移向刀具并完成两个方向进给。

图5 双主轴立式车床的结构配置

从图5可见，在DVT系列机床的斜床身上，两侧有伺服电动机通过滚珠丝杠驱动的左右两个移动立柱滑枕，分别实现X1轴和X2轴以及Z1和Z2轴的快速移动和进给。左边是倒置加工，主轴在上方；右边为正置加工，主轴在下方。在左右立柱上的工件主轴或转塔刀架可作X轴和Z轴方向的快速移动和进给。由于一正一倒，无需将工件反转就可以加工工件的两端，提高了加工精度，倒置的主轴兼作装卸工件的机械手，加工完毕的工件由机械夹爪放置到机床右侧的传送带上，与毛坯不会混淆。

倒置加工时，由于进给运动由夹持工件的主轴来完成，在主轴的右侧可配置固定不移动的转塔刀架。正置加工时，转塔刀架配置在立柱的滑座上，实现进给运动，固定在机床右前方的主轴仅提供切削功率。此外，由于工件夹持在主轴上，加工过程中产生的切屑和冷却液立刻坠落在收集器内，有利于保证加工精度和热量移除。

横穿机床中部和右侧配置有伸缩托盘式传送带，托板上装上待加工的毛坯，传送带就将毛坯送入机床的加工区域，倒置主轴就移向传送带，抓取或放下工件，工件装卸可在6 s内完成，从而明显提高了生产效率，缩短了加工节拍。DVT系列双主轴机床结构紧凑、可以替代两台机床，占地面积小，加工效率高，适合大批量生产的精密零件的完整加工。

4.3 精密磨削和车削复合加工的机床

KörberSchleifring集团旗下的著名磨床制造商Studer公司的S242万能精密磨削和车削复合机床采用模块化设计原理，配置2个或3个不同的横向滑座。滑座上可安装外圆磨头（左右磨头、0°和25°斜角砂轮）、3种8～12 把刀位的车、铣、钻转塔刀架、以及装有3个内圆磨削主轴的转塔。上述模块组成的机床共有25种不同配置可供用户选择。

S242型复合加工机床将精密圆柱面磨削和硬车削加工两种技术结合到一起，使一次装夹就能够加工完毕一个工件，不仅提高了加工效率，更容易保证加工精度。

S242型精密磨削和车削复合加工机床采用牌号为GranitanS103的人造大理石床身，并设计成倾斜结构，如图6所示。

它的主要优点如下：

（1）操作时的易接近性；

（2）加工时的良好吸振性；

（3）高度热稳定性；

（4）理想的排屑和冷却液排出能力。

精密磨削和硬车的复合加工可以大幅度缩短加工时间。以加工HSK 63刀柄为例，普通外圆磨床加工，需要5个工步，2次装夹，加工循环时间为181 s；采用S242型复合加工机床，只需要1个磨削工步和3个车削工步，加工循环时间为98 s，缩短了45%，大大提高了生产效率。

图6 精密磨削和车削机床的结构配置

5 结语和展望

与国外机床企业竞相开发崭新结构相比，国内机床企业倾向采用常规的机床结构配置，用户的选择标准就转向降低价格，以减少投资成本。在这种市场氛围中，价格大战是无可避免的结果。

在功能部件已经市场化的今天，一款机床的市场价值，取决于它是否有独一无二的、无可替代的特点，并能够为特定的客户群创造新的价值。机床结构和运动系统的配置如果没有特色，又不能为客户带来新的竞争优势，哪怕是选配了最好的功能部件，都不会给机床的生产商带来更多的利润。

从本文的论述和列举的案例我们可以看到，机床结构配置的趋势有以下几点：

（1）机床移动部件的轻量化是高端机床的重要发展方向，它可减小惯性力的负面影响，提高机床动态性能；减小驱动功率，使机床绿色化。

（2）尽量以电代机，采用直接驱动方式，缩短机械传动链或不用机械传动，提高机床的动态性能，减少传动间隙的负面影响。

（3）采用复合加工方式，将不同工序集成到一台机床上，实现复杂工件在一台机床完整加工，以缩短加工循环和提高加工精度。

（4）模块化设计可以满足不同用户对机床配置的独特需求，实现大规模定制的原则，缩短交货期，并提高机床的可靠性。

（5）机床结构件采用创新的复合材料，提高机床结构的阻尼，减少振动，以增大机床工作的稳定区域。