】數(shù)控機床是典型的機電一體化產(chǎn)品，是機械設計、計算機控制、材料、工藝、電氣、工業(yè)設計等多種技術的結(jié)合體。特別是數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)，是數(shù)控機床整體功能的載體，決定了機床整體的加工能力和技術性能。國內(nèi)外機床行業(yè)一直重視數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)設計的技術創(chuàng)新和發(fā)展，不斷突出新技術、新突破。

筆者參加了近幾年由中國工業(yè)協(xié)會主辦的中國國際機床展覽會(cimt)和中國數(shù)控機床展覽會(ccmt)，看到部分國外品牌數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)設計創(chuàng)新，結(jié)合國產(chǎn)數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀，深有感觸。本文分析了幾種典型國內(nèi)外品牌數(shù)控機床在模塊化、并聯(lián)結(jié)構(gòu)兩方面的技術創(chuàng)新和技術特點，提出對國產(chǎn)數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)設計創(chuàng)新的思考和建議。

一、近年國際機床展上部分模塊化機床及技術特點

近年來，國外機床企業(yè)展出的模塊化機床，將不同工藝的數(shù)控機床模塊化、標準化，機床結(jié)構(gòu)和外形、加工工藝有較大創(chuàng)新。舉例如下：

1、日本fuji（富士）公司展出的模塊化機床

fuji公司展出的模塊化機床生產(chǎn)線由多個車削模組和鉆銑模組組成，每個車削模組和鉆銑模組的外形尺寸是一樣的。不同的組合方式主要根據(jù)零件的加工工藝安排，不同模組之間的工件傳遞由模組內(nèi)置的快速完成。fuji公司是一個多事業(yè)部結(jié)構(gòu)的企業(yè)，其為人熟知的產(chǎn)品是暢銷的smt設備(高速貼片機)。高速貼片機主要用于電路板上的芯片安裝，是一種典型的模塊化結(jié)構(gòu)機械裝備。因此，筆者認為fuji公司的模塊化機床結(jié)構(gòu)受到了smt設備的啟發(fā)。

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日本fuji公司模塊化機床生產(chǎn)線

2、德國emag（埃馬克）公司展出的模塊化機床

在近幾年的國際機床展上，德國emag公司都展出了其著名的倒和倒立式多功能生產(chǎn)中心，以及由多臺倒立式車床模塊化組合而成的小型生產(chǎn)線，這些生產(chǎn)線主要針對盤類、軸類零件加工進行配置和組合。

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emag公司模塊化機床vl 3 duo

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模塊化機床的兩個獨立加工區(qū)

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倒立式車削

多主軸模塊化車床vl 3 duo具備兩個獨立的加工區(qū)：op10和op 20，每個加工區(qū)中配備有獨立的工件臨時存儲器和上下料主軸。鏡像排布的加工區(qū)分別裝有獨立的工作主軸，其功率和扭矩分別可達17.9kw和144nm，充足的功率可保障快速且精準的切削。此外，每個加工區(qū)都配備有12刀位刀塔，刀塔上除了車刀外還可裝配動力刀具。

多主軸模塊化車床vl 3 duo可方便地與其他埃馬克機床組合成一條生產(chǎn)線，例如與立式車削中心vl4 h 和車削中心 vlc 200 gt組合成一條緊湊型齒輪生產(chǎn)線。

埃馬克倒立式車床主要優(yōu)點：(1)排屑方便，冷卻好。倒立式車床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消除。(2)上下料容易。倒立式車床通過主軸抓取工件，這種上下料方式和常見立車的手工上下料、龍門桁架機械手上下料相比，在造價成本上更具優(yōu)勢，并且性能可靠，適合高精度大批量生產(chǎn)。

3、模塊化機床技術特點分析

(1)降低制造成本、縮短了制造周期。

某種意義上，模塊化機床是對組合機床的傳承和創(chuàng)新，其最大優(yōu)點是機床部件模塊化，互換容易，組織生產(chǎn)容易，降低了機床制造成本，縮短了制造周期。

常見的組合機床也采用了模塊化技術，將相同的加工工藝集中在某臺機床上完成。與此同時，也存在工裝更換不方便和工藝變化柔性不夠的問題。因此，國外模塊化機床的技術路線是：順應模塊化標準生產(chǎn)的未來趨勢，在生產(chǎn)方式上，通過模塊化標準機床實現(xiàn)相同組件的共享。他們認為這對于客戶來說有很多優(yōu)點：可以節(jié)省生產(chǎn)開支，實現(xiàn)短時間內(nèi)的高性價比生產(chǎn)；節(jié)省了保養(yǎng)和備庫的開支；模塊化標準機床也為不同的生產(chǎn)要求提供充足多樣的配置，是非常高效的生產(chǎn)解決方案。例如埃馬克公司認為，用戶在尋找新機床時，首先要考慮的核心問題是新機床能夠提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，同時希望機床占地不多，并在使用多年后仍能可靠生產(chǎn)。

(2)獨特的工件傳輸系統(tǒng)進一步提高了模塊化機床的工作效率。

模塊化機床對傳統(tǒng)數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)進行了較大創(chuàng)新，同時，模塊化機床的創(chuàng)新離不開其獨特的工件傳輸系統(tǒng)，機床的模塊化基本結(jié)構(gòu)加上創(chuàng)新的工件傳輸系統(tǒng)，組合成為高效的生產(chǎn)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了在較小的空間達到較高的生產(chǎn)力。例如，fuji公司的機械手，emag公司模塊化機床的標準配置，包括上下料工件輸送系統(tǒng)、trackmotion自動化系統(tǒng)(trackmotion自動化系統(tǒng)不僅可用于工件存儲器和加工區(qū)之間的工件傳送，同時也可用于翻轉(zhuǎn)op10和op20之間的工件)。

(3)進一步簡化了零件加工工藝。

模塊化機床不僅機床結(jié)構(gòu)模塊化，而且加工工藝也大膽創(chuàng)新，進一步簡化。一般來講，數(shù)控加工的工藝安排是：在一臺數(shù)控機床上加工零件的一部分工序，然后通過托盤或者機器人等自動化系統(tǒng)運輸?shù)搅硗庖慌_機床上加工其他工序，依次完成。每臺數(shù)控機床(數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等)是單獨的，分別工作，相互的物流傳遞是在加工區(qū)域以外完成。而模塊化機床對零件加工工藝進行了簡化，將相同的工序盡量集中在一個模塊中完成。

二、近年國際機床展上的并聯(lián)機床及技術特點

并聯(lián)機床(又稱虛擬軸機床)是20世紀九十年代末興起的一種新型結(jié)構(gòu)機床，被稱作21世紀的新型加工設備，它克服了傳統(tǒng)串聯(lián)機床結(jié)構(gòu)的固有缺陷，在相同尺度范圍下，具有模塊化程度高、剛性好、運動部件重量輕、加速度大、加工精度易調(diào)整、加工精度高等優(yōu)點，可實現(xiàn)多坐標聯(lián)動數(shù)控加工。并聯(lián)機床曾經(jīng)轟動一時，許多國內(nèi)外機床企業(yè)都推出并聯(lián)機床，引起了業(yè)界的關注。

近些年，業(yè)界對并聯(lián)機床的關注度有所下降，新產(chǎn)品展出不多。但是，還是有一些國外機床企業(yè)堅持研制并聯(lián)機床，并在航空航天和汽車零部件制造領域得到應用。以筆者在近幾年國際機床展上所見為例，產(chǎn)品主要有sprint z3并聯(lián)主軸及ecospeed翻版銑床等。國產(chǎn)數(shù)控機床企業(yè)與數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)、高校合作，也曾經(jīng)研制、展出并聯(lián)機床，例如哈量集團、齊齊哈爾二機床、北京機電院等。

1、dst公司的sprint z3并聯(lián)主軸及ecospeed翻版銑床

德國dst公司(目前屬于斯達拉格集團)sprintz3并聯(lián)主軸頭：三個平行的直線軸沿徑向均布在筒形主軸箱內(nèi)。主軸頭通過一端帶有簡易樞軸的剛性連桿與每個驅(qū)動連接起來。主軸頭上安裝有高性能電主軸。

主軸箱水平安裝在立柱上，并沿立柱豎直移動。這種設計具有最小運動質(zhì)量，保證機床具有更好的動態(tài)特性。當三個直線軸同時等量運動時，主軸沿z軸方向做直線運動。如果三個直線軸的運動不同步，主軸頭在a/b平面內(nèi)擺動，最大擺動速度為80°/s，最大加速度值為685°/s2。主軸頭可在±40°的圓錐范圍內(nèi)任意擺動。

工作范圍：通過x、y 和z軸的直線運動形成的±40°的圓錐形工作空間。

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dst公司展出的sprint z3并聯(lián)主軸

在sprint z3并聯(lián)主軸頭等相關技術基礎上，dst公司研制出ecospeed系列臥式加工中心。這些機床是為高生產(chǎn)率加工鋁合金整體構(gòu)件而專門設計的，其不同的機床規(guī)格可以用于航空航天等重點領域不同規(guī)格工件的加工。例如，在ecospeed f型機床上，裝夾的工件在x軸方向?qū)崿F(xiàn)進給運動。在其對面是固定的立柱，實現(xiàn)z軸、a軸及b軸運動的z3主軸頭可在立柱上沿y軸方向作垂直運動。這種運動軸布局的優(yōu)點是：一方面減小了移動重量，另一方面可實現(xiàn)工件的自動更換和工件處于水平狀態(tài)進行裝夾。后者意味著大大簡化了工件的裝夾和換夾，而且非生產(chǎn)性的輔助時間也明顯縮短。

2、國產(chǎn)并聯(lián)機床

哈量集團通過引進、消化吸收再創(chuàng)新而最新設計制造的links-exe700并聯(lián)機床，具有剛性高、動態(tài)及高速性能好、加工范圍大等特點，可廣泛用于航空、航天、船舶、國防、汽車等大型復雜零件的自由曲面加工。哈量集團并聯(lián)機床同時兼有5軸聯(lián)動、高速切削、快速定位、靈活移動、五面(六面)加工等一系列常規(guī)數(shù)控機床無法同時具有的多種功能和高性價比。

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配置華中數(shù)控系統(tǒng)的哈量集團并聯(lián)機床

另外，還有北京機電院與華中數(shù)控合作研制的a3六軸并聯(lián)機床。

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配置華中數(shù)控系統(tǒng)的北京機電院并聯(lián)機床

3、國產(chǎn)混聯(lián)機床

混聯(lián)機床則集中了并聯(lián)機床與串聯(lián)機床各自的優(yōu)勢，在擁有并聯(lián)機床優(yōu)點的同時，具備了串聯(lián)機床加工工作空間大的特點，使得混聯(lián)機床能夠在制造業(yè)重點領域得到成功應用。

清華大學與齊齊哈爾第二機床(集團)有限公司聯(lián)合研制的重型混聯(lián)機床xnzh2430、xnzh2415，大膽創(chuàng)新，曾經(jīng)引起業(yè)界高度關注。xnzh2430重型混聯(lián)機床是面向我國制造業(yè)的關鍵基礎裝備需求，重點針對技術含量高、工序復雜的大型水輪機葉片、螺旋槳葉片等復雜曲面類零件的加工而研制開發(fā)的。該機床從軟件開發(fā)到硬件制造，不僅能夠滿足上述零件的曲面加工，還能用于軍工、航天航空、船舶、發(fā)電設備以及模具制造等行業(yè)大型關鍵精密零件的三維空間曲面加工。

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xnzh2430、xnzh2415混聯(lián)機床

4、并聯(lián)機床技術特點分析

(1)數(shù)控加工的靈活性和機床的剛性相結(jié)合。

并聯(lián)運動結(jié)構(gòu)從外觀來看，像是很多“手臂”一端彼此相連，另一端與基座相連。這種設計要求各關節(jié)是多自由度的。并聯(lián)運動機床手臂的數(shù)目取決于動平臺運動軸的設計數(shù)量，但是不論哪種設計，遵循的目標都應將靈活性與剛性結(jié)合在一起。因關節(jié)點結(jié)構(gòu)復雜，既要剛性好、無間隙，又要成本低，這是設計并聯(lián)機床的突出問題，限制了并聯(lián)機床的推廣應用，這也是為什么關節(jié)點少、自由度少(例如三自由度)的并聯(lián)機床成為目前主要機型的原因。

(2)減少零件裝夾次數(shù)，實現(xiàn)多面加工。

并聯(lián)機床對加工工藝的創(chuàng)新主要體現(xiàn)在零件裝夾次數(shù)減少和多面體加工兩方面。

大幅減少零件裝夾次數(shù)：并聯(lián)機床從理論上講，能夠在一次裝夾內(nèi)便可完成所有面(5面甚至6面)的加工。加上可快捷地建立工件坐標系，無需使用高精度的工裝，可大幅降低夾具制造成本，并消除了重復性定位誤差。

多面體多角度復合加工：隨著汽車構(gòu)架、發(fā)動機及其他部件的設計愈加先進，對復雜加工與復合角度加工的需求也越來越多。并聯(lián)機床實現(xiàn)這類加工非常容易，因此十分適于未來汽車制造期望的所有復雜加工。飛機、火車或建筑機械上的部件同樣需要更先進的、傳統(tǒng)機床無法做到的、而并聯(lián)機床卻很容易實現(xiàn)的加工技術。

(3)專用數(shù)控編程方法提高機床易用性。

以往并聯(lián)機床的編程和使用不同于常規(guī)機床，這也是并聯(lián)機床推廣應用的主要障礙之一。目前，一些國外機床企業(yè)與數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)合作，在數(shù)控編程方面進行創(chuàng)新，進一步提高了并聯(lián)機床的易用性。例如siemens公司為exechon并聯(lián)機床專門開發(fā)了坐標變換系統(tǒng)軟件，哈量新一代并聯(lián)機床的用戶使用siemens通用數(shù)控系統(tǒng)，在編程和操作上已經(jīng)與常規(guī)五坐標數(shù)控機床差別不大。

三、對國產(chǎn)數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)設計創(chuàng)新的思考

1、正視差距，虛心學習

近年來，國產(chǎn)數(shù)控機床行業(yè)在國家的支持下，緊密抓住中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的歷史機遇，在技術創(chuàng)新和產(chǎn)品推廣方面取得了很好的成績。但是，我們在參觀考察近幾年的國際機床展和走訪重點行業(yè)用戶的過程中看到，在數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面，國外品牌的案例確實較多。部分國產(chǎn)數(shù)控機床企業(yè)曾經(jīng)研制出在機械結(jié)構(gòu)方面有較大創(chuàng)新的機床產(chǎn)品，但是因為種種原因，沒有持續(xù)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化和批量生產(chǎn)，這些現(xiàn)象值得我們思考。

2、市場分析，重視研究

某種意義上，模塊化機床是對組合機床的創(chuàng)新，而組合機床在許多汽車零部件企業(yè)，如一汽集團、東風汽車公司和通用機械制造等企業(yè)都有大批量應用，下一步設備升級換代的需求量很大。建議國產(chǎn)數(shù)控企業(yè)關注這個巨大的市場存量，研究客戶的實際需求，結(jié)合中國制造企業(yè)的特點，在模塊化機床研制方面有所創(chuàng)新和突破，將中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的巨大市場需求轉(zhuǎn)化為實實在在的國產(chǎn)設備的技術提升。

并聯(lián)機床因為其獨特的機械結(jié)構(gòu)，在航空航天等高端制造領域有市場需求，但主要是國外知名數(shù)控機床企業(yè)提供相應產(chǎn)品。同時，并聯(lián)機床的機械設計和軟件編程能否適當簡化？在其他領域，例如高精度模具加工、汽車動力總成加工等領域，是否還有發(fā)展空間？這些都值得我們思考。

3、機電結(jié)合，協(xié)同發(fā)展

數(shù)控機床是機械和數(shù)控技術緊密結(jié)合的高科技產(chǎn)品，機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新要與數(shù)控系統(tǒng)的創(chuàng)新同步進行。模塊化機床和并聯(lián)機床機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，對數(shù)學模型、控制算法、加工編程的需求都與常規(guī)數(shù)控機床有較大差異。國外品牌模塊化機床和并聯(lián)機床的數(shù)控系統(tǒng)都是基于機床企業(yè)和數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)深度合作，對機床結(jié)構(gòu)進行了較大的改進，在某種程度上顛覆了我們對機床機械結(jié)構(gòu)的想象。建議國產(chǎn)數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)借鑒成功經(jīng)驗，機電結(jié)合，協(xié)同創(chuàng)新，在數(shù)控機床結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面早日取得新突破！

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