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機床結構主要包括兩大部分:機床的各固定部分(如底座、床身、立柱、頭架等)、攜帶工件和刀具的運動部分,這兩部分現在通稱為機床基礎件和功能部件。
以常見的車削和銑削為例,典型的數控機床結構演進過程如圖3所示。數控車削機床結構從早期的2軸進給平床身、2軸進給斜床身等經典結構,發展到4軸進給和雙刀架、多主軸和多刀等用于回轉體類零件高效率車削的加工中心結構,進一步發展為可適應復雜零件“一次裝夾、全部完工(done in one )”的多功能車銑復合加工中心結構。數控銑削加工機床結構從早期主要實現坐標軸聯動和主軸運動功能的經典立/臥式銑床結構,發展到帶刀庫和自動換刀機構的3軸聯動立/臥式銑削加工中心結構、帶交換工作臺的立/臥式銑削加工中心結構,為滿足復雜結構件高效率加工需求,又出現了4軸聯動和5軸聯動的銑削加工中心結構,隨后以銑削/鏜削加工為主、兼有車削/鉆削加工功能的多功能銑車復合加工中心結構得到快速發展和應用。在5軸聯動發展過程中,來自于機器人的并聯虛擬軸概念被引入到數控機床,出現了并聯或串并聯結合5軸聯動的形式,但實際應用有限。當前,在同一臺數控機床上實現“增材加工+切削加工”功能的增減材混合加工新型結構機床已經進入實用化發展階段。
在數控機床結構發展演進過程中,數控機床結構布局(配置方案、優化設計)和材料選用等方面的技術也不斷進步。為滿足高精度、高剛度、良好熱穩定性、長壽命和高精度保持性、綠色化和宜人性等對機床結構的要求,研究者們先后提出了重心驅動(DCG )設計、箱中箱(BIB )、直接驅動(DDT )、熱平衡設計與補償、全對稱結構設計等設計原則和技術;在機床結構設計和優化中應用了零部件整體結構有限元分析優化、輕量化設計、結構拓撲優化、仿生結構優化等方法;采用虛擬機床理念和方法,縮短了數控機床設計制造周期。數控機床床身結構材料從以鑄鐵、鑄鋼為主,發展到越來越多地采用樹脂混凝土(礦物鑄件、人造大理石)、人造花崗巖等材料。此外,鋼纖維混凝土、碳纖維復合材料、泡沫金屬等新型結構材料也已有應用。未來,新型材料、新型優化結構和新型制造工藝方法將使數控機床結構更加輕量化,并具有更好的靜動態剛度和穩定性
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