（1 两个回转轴都在工作台一侧。一个回转轴设置在床身上 ） 使工作台可以环绕 X 轴回转， 即定义为 A 轴。 A 轴的工作范围 该 一般为30 度至-120 度。 另一个回转轴是工作台自身可以环绕 Z 轴回转， 该回转轴定义为 C 轴， 一般 C 轴都是 360 度回转。这样 通过 A 轴与 C 轴的组合， 固定在工作台上的工件除了底面之外， 其余的五个面都可以由立式主轴来加工。A 轴、 轴与 X、 Z C Y、 三个直线轴联动， 就能轻松实现五轴加工， 加工出复杂的空间曲面。 这种方式的优点是主轴一侧没有设置回转轴， 故主轴结构比较简 单， 可以使主轴刚性非常高， 制造成本也比较低。 但这种方式的缺 点是工作台一般不能设计太大， 承重也较小， 特别是当 A 轴回转 不小于 90 度时， 工件切削时会对工作台带来非常大的承载力矩。 （2 两个回转轴都在主轴一侧。一个回转轴是依靠立式主轴 ） 头回转。 主轴前端是一个回转头， 能自行环绕 Z 轴 360 度， 成为 C 轴， 回转头上还有带可环绕 X 轴旋转的 A 轴， 一般可达±90 度以 上， 实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常 灵活， 工作台也可以设计的比较大。但主轴的结构较为复杂。 （3 两个回转轴都在主轴一侧。一个回转轴是主轴轴线绕 Y ） 轴摆动， 成为 B 轴， 摆动范围通常能达到±45 度。 另一个回转轴

  机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ

  由于加工中心的进给运动都是通过其执行部件沿着它的床 身、 立柱、 横梁等支承大件的导轨运动实现的。 导轨的作用是用来 支撑和引导机床执行部件的运动， 导轨的刚度以及摩擦特性又对 执行部件的定位精度有重要影响， 因此， 导轨是加工中心进给传 动系统的重要组成部分。对导轨设计的基础要求是：

  因为机床执行部件在工作过程中所承受的各种阻力， 最后都 转化到导轨面来承受。如果导轨在载荷的作用下产生过大的变 形， 不仅破坏了导向精度， 恶化了导轨的工作条件， 而且使机床各 部件间的相对位置发生明显的变化。导轨的刚性主要根据导轨类型、 结构及形式和尺寸大小、 导轨与床身的连接方式， 还取决于导轨材 料和表面加工质量。

  导向精度是指机床执行部件的动导轨沿支承导轨的直线度 （对于直线运动导轨 或 ） （圆度 。 ） 影响导向精度的重要的因素有导轨 的几何精度， 导轨的接触精度， 导轨的结构及形式， 动导轨及承导轨 的刚度和热变形， 还有装配质量。导轨的几何精度一般用低速下 的导向精度来衡量。对直线运动导轨而言， 检验的内容主要是导 轨在水平平面内和垂直平面内的直线度。在水平面内， 两条导轨 的还有平行度的要求。

  为了满足加工中心导轨的导向精度要求， 通常要求导轨面的 平面度取 （0.01～0.015 ）mm， 长度方向的直线 ） mm； 侧导向面的直线） mm， 侧导向面之间的平行 度为 （0.01～0.015 ）mm， 侧导向面对导轨底面的垂直度为 （0.01～ 0.015 ）mm。 对于镶钢导轨， 平面度控制在 （0.005～0.01 ）mm 以下， 平行度 要达到上述精度要求， 采用普通 和直线 mm 以下； 加工设施加工是难以实现的， 一般都会采用数控导轨磨床加工。 因此， 导轨的加工设施是保证其导向精度的重要手段。

  工作台采用完全固定的结构及形式、 如图 2 ） （b 所示， X 坐标轴采 的 Z 用立柱移动、 坐标轴采用工作台移动的 T 型床身结构都适用于 规格较大的加工中心。

  是主轴轴线绕 X 轴摆动，成为 A 轴，摆动范围通常能同样达 第二种、 第三种方式共同的优点是： 当用球头铣刀加工 到±90 度。 曲面时， 当刀具中心线垂直于加工面时， 由于球头铣刀顶点的线 速度为零， 顶点切出的工件表面上的质量会很差， 采用主轴回转的设 计， 可以令主轴相对工件转过一个角度， 使球头铣刀避开顶点切 削， 保证有一定的线速度， 从而可提高表面加工质量。 这是采用工 作台回转的五轴联动加工中心难以做到的。 （4 把两个回转轴一个设置在主轴一侧， ） 比如： 主轴轴线围绕 Y轴 （或 X 轴 摆动， ） 成为 B 轴 （或 A 轴 。 ） 另一个设置在工作台一

  立式加工中心是加工中心中数量最多的一种， 应用场景范围也最 为广泛。 常用的布局形式 （图略 。 ） 其中， 为十字滑鞍工作台不升降 结构， 工作台可以在水平面内实现 X 轴和 Y 轴两个方向的移动， 该结构由于工作台承载工件一起运动， 故常为中小型立式加工中 心采用。 型床身立柱移动结构， T 工作台在前床身上移动， 可以实 现 X 方向的运动，立柱在后床身上移动，能轻松实现 Z 方向的运 动， 该结构的优点如前所述， 适用于规格较大的立式加工中心。 三 坐标单元结构， 其特点是在后床身上装有十字滑鞍， 能轻松实现机 床 X、 两个坐标的进给运动，通过主轴箱在立柱中的上下移动 Y 能轻松实现主轴的 Y 向运动。机床三个方向的运动不受工件重量 的影响， 故承载稳定， 再加上工作台为固定式， 所以该结构对提高 定位精 机床的刚性和精度保持性是十分有利的， 常为规格较大、 度要求较高的加工中心所采用。 对于大型立式加工中心， 为了增加行程， 一般采用龙门式。在 横梁上装有主轴横向进给和垂向进给的滑台， 能轻松实现主轴的横向 进给和垂向进给， 纵向进给通过工作台的移动或横梁的移动来实现。

  该导轨是闭式导轨中接触面最少的一种结构， 磨损后不能自 动补偿间隙， 需要用镶条调整。燕尾面 M 起导向和压板作用。燕 检验和维修较复杂， 摩擦阻力大， 可以承载颠覆力矩， 尾导轨制造、 刚度较差。导轨面的夹角为 55°， 用于高度小的多层移动部件。

  卧式加工中心根据其技术特点常采用框架结构双立柱， 主轴 箱在其中移动， 构成 Y 坐标轴； Z 坐标轴的移动方式有所不同， X、 要么是工作台移动， 如图 1 ） （a 所示。要么是立柱移动， 如图 1 ） （b 所示。 如图 1 所示的两种布局形式是卧式加工中心最基本也是常 用的布局形式。以这两种基本形式为基础， 通过不同的组合还可 以派生出多种布局形式， 比如 X、 两坐标轴都采用立柱移动， Z 工 作台采用完全固定的结构形式；或 X 坐标轴采用立柱移动、 坐 Z 标轴采用工作台移动的 T 型床身结构形式等。 框架结构的双立柱由于结构对称， 主轴箱在两立柱中间上下 运动， 与传动的主轴箱侧挂式结构相比， 大大提高了整机的结构 刚度。 另外， 主轴箱是从左右两导轨的内侧进行定位， 热变形产生

  加工中心主机由床身、 底座、 立柱、 横粱、 滑座、 工作台、 主轴 箱、进给机构和刀具交换装置和其它辅助装置等基本部件组成， 它们各自承担着不同的任务， 以实现加工中心的切削以及辅助功 加工中心总体布局的任务就是使这些基本部件在静止和运动 能。 状态下始终保持相对正确的位置，并使机床整机具有较高的刚 性。 随着机床技术的进步和发展， 加工中心的性能不断提高， 对整 机刚性提出了更高的要求。 由于整机刚性是组成加工中心各个部 件以及结合部刚性的总和， 它不仅与每个部件的刚性有关， 而且 还与结合部的刚性有关。一般来讲， 结合部的刚性往往是通过导 因此， 导轨的性能是否得到充分发挥， 对机床 轨的刚性来实现的。 的整体布局有重要影响， 而整体布局在一定程度上决定着导轨的 设计和制造。采取什么样的整体布局和导轨结构， 对于合理分配 各部件以及结合部的刚性并提高之至关重要， 是现代加工中心设 计的关键技术之一。

  的主轴中心变位被限制在垂直方向上， 因此， 可以通过对 Y 轴的 补偿， 减小热变形的影响。

  T 型床身结构可以使工作台沿着床身作 X 向移动时，在全行 程范围内， 工作台和工件完全支撑在床身上， 因此， 机床刚性好， 工 作台承载能力强， 加工精度容易得到保证。而且这种结构很容易增 加 X 轴的行程， 便于机床品种的系列化， 零部件的通用化和标准化。 立柱移动式结构的优点是： ） （1 立柱的移动在后床身上进行， 这样使得前床身上只有回转工作台和工作台共有三层结构， 与传 统的四层十字滑鞍工作台结构相比，减少了机床的结构层次， 更 容易保证机床大件的结构刚性。 与此同时， 降低了工作台的高度， 提高了操作性能。 ） 轴的进给力与主轴的轴向切削力在同一 （2 Z 平面内， 使主轴承受的弯曲力矩减小， 镗孔和铣削精度高。 由于 Z 轴导轨用来承受随立柱部件移动的全部重量， 该重量不随工件重 量改变而改变是固定不变的。 因此有利于提高 Z 轴的定位精度和 精度保持性。但是， 轴承载较重， Z 对提高 Z 轴的快速性不利， 这 是其不足之处。 如图 1 ） （a 所示， 十字滑鞍工作台结构适用于中小型加工中 心； 如图 1 ） （b 所示， 立柱移动式 T 型床身结构适用于规格较大型 的加工中心； 如图 2 ） （a 所示， Z 两坐标轴都采用立柱移动方式， X、

  机床在低速运动时， 动导轨易产生爬行， 将影响低速运动的 平稳性。 爬行与导轨的摩擦特性有关， 导轨的摩擦因数越小， 并且 动、 静摩擦因数越接近， 则导轨低速运动越平稳， 将不会产生爬 行， 这对于精度要求比较高的加工中心来说尤其重要。

  设计导轨时， 要注意到制造、 调整和维护的方便； 力求结构简 单、 工艺性好和经济性好， 而且要有合理的导轨防护和润滑措施 等等。

  精度保持性是指导轨保持其原始精度的时间是否足够长。 导 动导轨沿支承导轨长期运 轨的耐磨性决定了导轨的精度保持性。 行会引起导轨的不均匀磨损， 破坏导轨的导向精度， 从而影响机 床的加工精度。此外， 导轨的结构及形式和导轨材料也与精度保持 性有关。

  ＦＡＮ Ｃｈａｏ－ｙｉ， ＦＡＮ Ｗｅｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ， Ｊｉａｎｇｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００５６， Ｃｈｉｎａ ） 【摘 要】 归纳了现代加工中心流行的几种总体布局形式和导轨结构， 比较分析了其主要特征和优缺