清华大学与齐二机床联合研制的重型混联机床XNZH2430、XNZH2415

　　数控机床是典型的机电一体化产品，是机械设计、计算机控制、材料、工艺、电气、工业设计等多种技术的结合体。特别是数控机床的机械结构，是数控机床整体功能的载体，决定了机床整体的加工能力和技术性能。国内外机床行业一直重视数控机床机械结构设计的技术创新和发展，不断突出新技术、新突破。
　　在近几年的中国国际机床展览会（CIMT）和中国数控机床展览会（CCMT）上，部分国外品牌的数控机床展示了创新设计的机械结构，参观过展会的中国机床行业同行在结合了国产数控机床的发展现状后，颇有感触。本文分析了几种典型国内外品牌数控机床在模块化、并联结构两方面的技术创新和技术特点，提出对国产数控机床机械结构设计创新的思考和建议。

　　近年国际机床展上部分模块化机床及技术特点

　　近年来，国外机床企业展出的模块化机床，将不同工艺的数控机床模块化、标准化，机床结构和外形、加工工艺有较大创新。举例如下：
　　1、日本FUJI（富士）公司展出的模块化机床
　　FUJI公司展出的模块化机床生产线由多个车削模组和钻铣模组组成，每个车削模组和钻铣模组的外形尺寸是一样的。不同的组合方式主要根据零件的加工工艺安排，不同模组之间的工件传递由模组内置的机械手快速完成。FUJI公司是一个多事业部结构的企业，其为人熟知的产品是畅销的SMT设备（高速贴片机）。高速贴片机主要用于电路板上的芯片安装，是一种典型的模块化结构机械装备。因此，笔者认为FUJI公司的模块化机床结构受到了SMT设备的启发。
　　2、德国EMAG（埃马克）公司展出的模块化机床
　　在近几年的国际机床展上，德国EMAG公司都展出了其著名的倒立式车床和倒立式多功能生产中心，以及由多台倒立式车床模块化组合而成的小型生产线，这些生产线主要针对盘类、轴类零件加工进行配置和组合。
　　多主轴模块化车床VL 3 DUO具备两个独立的加工区：OP10和OP 20，每个加工区中配备有独立的工件临时存储器和上下料主轴。镜像排布的加工区分别装有独立的工作主轴，其功率和扭矩分别可达17.9kW和144Nm，充足的功率可保障快速且精准的切削。此外，每个加工区都配备有12刀位刀塔，刀塔上除了车刀外还可装配动力刀具。
　　多主轴模块化车床VL 3 DUO可方便地与其他埃马克机床组合成一条生产线，例如与立式车削中心VL4 H 和车削中心 VLC 200 GT组合成一条紧凑型齿轮生产线。
　　埃马克倒立式车床主要优点：（1）排屑方便，冷却好。倒立式车床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消除。（2）上下料容易。倒立式车床通过主轴抓取工件，这种上下料方式和常见立车的手工上下料、龙门桁架机械手上下料相比，在造价成本上更具优势，并且性能可靠，适合高精度大批量生产。
　　3、模块化机床技术特点分析
　　（1）降低制造成本、缩短了制造周期
　　某种意义上，模块化机床是对组合机床的传承和创新，其最大优点是机床部件模块化，互换容易，组织生产容易，降低了机床制造成本，缩短了制造周期。
　　常见的组合机床也采用了模块化技术，将相同的加工工艺集中在某台机床上完成。与此同时，也存在工装更换不方便和工艺变化柔性不够的问题。因此，国外模块化机床的技术路线是：顺应模块化标准生产的未来趋势，在生产方式上，通过模块化标准机床实现相同组件的共享。他们认为这对于客户来说有很多优点：可以节省生产开支，实现短时间内的高性价比生产；节省了保养和备库的开支；模块化标准机床也为不同的生产要求提供充足多样的配置，是非常高效的生产解决方案。例如埃马克公司认为，用户在寻找新机床时，首先要考虑的核心问题是新机床能够提高生产效率和加工质量，同时希望机床占地不多，并在使用多年后仍能可靠生产。
　　（2）独特的工件传输系统进一步提高了模块化机床的工作效率
　　模块化机床对传统数控机床的结构进行了较大创新，同时，模块化机床的创新离不开其独特的工件传输系统，机床的模块化基本结构加上创新的工件传输系统，组合成为高效的生产系统，从而实现了在较小的空间达到较高的生产力。例如，FUJI公司的机械手，EMAG公司模块化机床的标准配置，包括上下料工件输送系统、TrackMotion自动化系统（TrackMotion自动化系统不仅可用于工件存储器和加工区之间的工件传送，同时也可用于翻转OP10和OP20之间的工件）。
　　（3）进一步简化了零件加工工艺
　　模块化机床不仅机床结构模块化，而且加工工艺也大胆创新，进一步简化。一般来讲，数控加工的工艺安排是：在一台数控机床上加工零件的一部分工序，然后通过托盘或者机器人等自动化系统运输到另外一台机床上加工其他工序，依次完成。每台数控机床（数控车床、数控铣床、加工中心等）是单独的，分别工作，相互的物流传递是在加工区域以外完成。而模块化机床对零件加工工艺进行了简化，将相同的工序尽量集中在一个模块中完成。
　　近年国际机床展上的并联机床及技术特点
　　并联机床（又称虚拟轴机床）是20世纪九十年代末兴起的一种新型结构机床，被称作21世纪的新型加工设备，它克服了传统串联机床结构的固有缺陷，在相同尺度范围下，具有模块化程度高、刚性好、运动部件重量轻、加速度大、加工精度易调整、加工精度高等优点，可实现多坐标联动数控加工。并联机床曾经轰动一时，许多国内外机床企业都推出并联机床，引起了业界的关注。
　　近些年，业界对并联机床的关注度有所下降，新产品展出不多。但是，还是有一些国外机床企业坚持研制并联机床，并在航空航天和汽车零部件制造领域得到应用。以笔者在近几年国际机床展上所见为例，产品主要有Sprint Z3并联主轴及Ecospeed翻版铣床等。国产数控机床企业与数控系统企业、高校合作，也曾经研制、展出并联机床，例如哈量集团、齐齐哈尔二机床、北京机电院等。
　　1、DST公司的Sprint Z3并联主轴及Ecospeed翻版铣床
　　德国DST公司（目前属于斯达拉格集团）SprintZ3并联主轴头：三个平行的直线轴沿径向均布在筒形主轴箱内。主轴头通过一端带有简易枢轴的刚性连杆与每个驱动连接起来。主轴头上安装有高性能电主轴。
　　主轴箱水平安装在立柱上，并沿立柱竖直移动。这种设计具有最小运动质量，保证机床具有更好的动态特性。当三个直线轴同时等量运动时，主轴沿Z轴方向做直线运动。如果三个直线轴的运动不同步，主轴头在A/B平面内摆动，最大摆动速度为80°/s，最大加速度值为685°/s2。主轴头可在±40°的圆锥范围内任意摆动。
　　工作范围：通过X、Y 和Z轴的直线运动形成的±40°的圆锥形工作空间。
　　在Sprint Z3并联主轴头等相关技术基础上，DST公司研制出Ecospeed系列卧式加工中心。这些机床是为高生产率加工铝合金整体构件而专门设计的，其不同的机床规格可以用于航空航天等重点领域不同规格工件的加工。例如，在Ecospeed F型机床上，装夹的工件在X轴方向实现进给运动。在其对面是固定的立柱，实现Z轴、A轴及B轴运动的Z3主轴头可在立柱上沿Y轴方向作垂直运动。这种运动轴布局的优点是：一方面减小了移动重量，另一方面可实现工件的自动更换和工件处于水平状态进行装夹。后者意味着大大简化了工件的装夹和换夹，而且非生产性的辅助时间也明显缩短。
　　2、国产并联机床
　　哈量集团通过引进、消化吸收再创新而最新设计制造的LINKS-EXE700并联机床，具有刚性高、动态及高速性能好、加工范围大等特点，可广泛用于航空、航天、船舶、国防、汽车等大型复杂零件的自由曲面加工。哈量集团并联机床同时兼有5轴联动、高速切削、快速定位、灵活移动、五面（六面）加工等一系列常规数控机床无法同时具有的多种功能和高性价比。

配置华中数控系统的哈量集团并联机床

　　另外，还有北京机电院与华中数控合作研制的A3六轴并联机床。

配置华中数控系统的北京机电院并联机床

　　3、国产混联机床
　　混联机床则集中了并联机床与串联机床各自的优势，在拥有并联机床优点的同时，具备了串联机床加工工作空间大的特点，使得混联机床能够在制造业重点领域得到成功应用。
　　清华大学与齐齐哈尔第二机床（集团）有限公司联合研制的重型混联机床XNZH2430、XNZH2415，大胆创新，曾经引起业界高度关注。XNZH2430重型混联机床是面向我国制造业的关键基础装备需求，重点针对技术含量高、工序复杂的大型水轮机叶片、螺旋桨叶片等复杂曲面类零件的加工而研制开发的。该机床从软件开发到硬件制造，不仅能够满足上述零件的曲面加工，还能用于军工、航天航空、船舶、发电设备以及模具制造等行业大型关键精密零件的三维空间曲面加工。
　　4、并联机床技术特点分析
　　（1）数控加工的灵活性和机床的刚性相结合。
　　并联运动结构从外观来看，像是很多“手臂”一端彼此相连，另一端与基座相连。这种设计要求各关节是多自由度的。并联运动机床手臂的数目取决于动平台运动轴的设计数量，但是不论哪种设计，遵循的目标都应将灵活性与刚性结合在一起。因关节点结构复杂，既要刚性好、无间隙，又要成本低，这是设计并联机床的突出问题，限制了并联机床的推广应用，这也是为什么关节点少、自由度少（例如三自由度）的并联机床成为目前主要机型的原因。
　　（2）减少零件装夹次数，实现多面加工。
　　并联机床对加工工艺的创新主要体现在零件装夹次数减少和多面体加工两方面。
　　大幅减少零件装夹次数：并联机床从理论上讲，能够在一次装夹内便可完成所有面（5面甚至6面）的加工。加上可快捷地建立工件坐标系，无需使用高精度的工装，可大幅降低夹具制造成本，并消除了重复性定位误差。
　　多面体多角度复合加工：随着汽车构架、发动机及其他部件的设计愈加先进，对复杂加工与复合角度加工的需求也越来越多。并联机床实现这类加工非常容易，因此十分适于未来汽车制造期望的所有复杂加工。飞机、火车或建筑机械上的部件同样需要更先进的、传统机床无法做到的、而并联机床却很容易实现的加工技术。
　　（3）专用数控编程方法提高机床易用性。
　　以往并联机床的编程和使用不同于常规机床，这也是并联机床推广应用的主要障碍之一。目前，一些国外机床企业与数控系统企业合作，在数控编程方面进行创新，进一步提高了并联机床的易用性。例如Siemens公司为Exechon并联机床专门开发了坐标变换系统软件，哈量新一代并联机床的用户使用Siemens通用数控系统，在编程和操作上已经与常规五坐标数控机床差别不大。
　　对国产数控机床机械结构设计创新的思考
　　1、正视差距，虚心学习
　　近年来，国产数控机床行业在国家的支持下，紧密抓住中国制造业转型升级的历史机遇，在技术创新和产品推广方面取得了很好的成绩。但是，我们在参观考察近几年的国际机床展和走访重点行业用户的过程中看到，在数控机床机械结构创新方面，国外品牌的案例确实较多。部分国产数控机床企业曾经研制出在机械结构方面有较大创新的机床产品，但是因为种种原因，没有持续大规模产业化和批量生产，这些现象值得我们思考。
　　2、市场分析，重视研究
　　某种意义上，模块化机床是对组合机床的创新，而组合机床在许多汽车零部件企业，如一汽集团、东风汽车公司和通用机械制造等企业都有大批量应用，下一步设备升级换代的需求量很大。建议国产数控企业关注这个巨大的市场存量，研究客户的实际需求，结合中国制造企业的特点，在模块化机床研制方面有所创新和突破，将中国制造业转型升级的巨大市场需求转化为实实在在的国产设备的技术提升。
　　并联机床因为其独特的机械结构，在航空航天等高端制造领域有市场需求，但主要是国外知名数控机床企业提供相应产品。同时，并联机床的机械设计和软件编程能否适当简化？在其他领域，例如高精度模具加工、汽车动力总成加工等领域，是否还有发展空间？这些都值得我们思考。
　　3、机电结合，协同发展
　　数控机床是机械和数控技术紧密结合的高科技产品，机械结构的创新要与数控系统的创新同步进行。模块化机床和并联机床机械结构的创新，对数学模型、控制算法、加工编程的需求都与常规数控机床有较大差异。国外品牌模块化机床和并联机床的数控系统都是基于机床企业和数控系统企业深度合作，对机床结构进行了较大的改进，在某种程度上颠覆了我们对机床机械结构的想象。建议国产数控机床和数控系统企业借鉴成功经验，机电结合，协同创新，在数控机床结构创新方面早日取得新突破！