1.复合加工机床

通过工序的集成和复合，提高加工精度和效率，这是当代数控机床的发展方向之一，复合加工机床就是代表现代数控机床技术水平的典型产品之一。

复合加工机床充分利用了直线电动机、直接驱动电动机、高速电主轴、多轴联动控制等先进技术，将传统以刀具旋转为特征的钻、铣、镗等加工和以工件旋转为特征的车、磨等加工进行了复合。例如，前述的车削中心就是在车床上安装动力刀具，实现钻、铣削功能的典例；而通过电动机直接驱动回转工作台的高速回转和高精度定位，同样可在加工中心的主轴上安装车刀或砂轮，实现车削、磨削加工功能等。

图1.2-10a是在加工中心主轴上安装车刀、通过电动机直接驱动的卧式高速数控转台，实现轴类零件车削加工的实例；图1.2-10b是通过主轴箱90°回转（B轴），在立式加工中心上实现轴类零件端面和中心孔车削加工的实例；而图1.2-10c则是在立式加工中心的主轴上安装砂轮后，通过工件和砂轮的同时旋转，实现孔内圆磨削加工的实例等。此类加工实例繁多，在此不再一一列举。

图1.2-10 复合加工实例

复合加工机床的出现，一方面突破传统机床的结构界限，例如，车削机床工件回转和镗铣机床刀具回转界限；另一方面还可突破传统机床的加工工艺界限，如实现铣削和磨削、超声波加工的复合等，从而真正使得多工艺的复合加工成为了可能。复合加工机床的出现，进一步扩大了数控机床的适用范围，增强了机床的功能和用途，它是当今机床制造技术的发展方向之一。

2.虚拟轴机床

虚拟轴机床是20世纪末出现的一种全新概念的机床，它和传统的机床在结构上有本质的区别，其出现被认为是机床发展史上的一次重大变革。

以图1.2-11所示的传统动柱式镗铣床为例，其机床的结构特点是：从床身（基座）至主轴（末端运动部件），需要经过床身到滑座（X轴运动）、滑座到立柱（Y轴运动）、立柱到主轴箱（Z轴运动）三级运动部件的“串联”。因此，当X轴运动时，滑座上的Y轴、立柱上的Z轴也必须进行相应的空间移动，即后置轴必须随同前置轴一起运动，无疑增加了X轴运动部件的质量。

另一方面，在切削加工时，刀具所受的切削反力也将从主轴、主轴箱依次传递到立柱、滑座、床身上，即末端运动部件的受力也将按顺序“串联”地传递至前端；且其作用力不通过构件重心，故将产生弯矩和扭矩。由于构件抵抗弯矩和扭矩的能力通常只有抵抗拉压的1/6～1/5，因此，前端构件在设计时不但要考虑负担后端构件的重力，而且还要考虑承受切削反力，为了保证机床有足够的刚性和精度，每部分构件都得有足够体积和重量。

图1.2-11 动柱式加工中心结构(www.daowen.com)

由此可见，这种串联结构的特性，必然导致移动部件的重量重、系统刚度低，特别是在高速、大型机床，以上不足更为明显。

虚拟轴机床是针对传统机床结构缺点，所开发的一种新颖机床，作为典型结构，其基座与主轴平台间采用的是六根杆并联连接的“并联结构”，笛卡尔坐标系上的基本运动轴X、Y、Z在机床上为虚拟轴，它需要通过六根杆的同步伸缩运动实现。虚拟轴机床主轴平台的受力可以由六根杆均匀分摊，每根杆只承受拉力或压力，不承受弯矩或扭矩，因此，这种结构理论上具有刚度高、移动部件重量轻、结构简单、零件数量少等特点。

六联杆虚拟轴机床常见的布局有图1.2-12a所示的立式和图1.2-12b所示的卧式两种。立式布局的虚拟轴机床结构简单、制造方便，但工件可接近较差、所占空间大。卧式布局的虚拟轴机床改善了立式机床的工件可接近性和工作占空比。但是，由杆系本身的重量将导致弯矩的增大（立式结构此负荷可不计），它对联杆的要求比立式布局更高。

图1.2-12 六联杆虚拟轴机床

a）立式 b）卧式

六联杆虚拟轴机床理论上具有X/Y/Z直线、A/B/C回转六个自由度，但实际也存在C轴回转角度小（30°左右）、主轴功率小等不足，此外，在X/Y/Z的定位控制与位置检测、六轴同步控制、高精度球面轴承制造等诸多方面还存在一定的技术难题。为此，又出现了图1.2-13所示的3轴+3联杆混合式等不同的变形结构。3轴+3联杆混合式结构机床的并联杆只用于主轴头的倾斜偏摆，故机床结构相对较简单、控制也更容易，这样的机床属于混合型并联运动学机床。

图1.2-13 3轴+3联杆混合式结构机床

a）总体结构 b）主轴头

虚拟轴机床主从1994年在芝加哥国家制造技术博览会（IMTS94）上首次展出以来，虽然已有多家机床生产厂家研制出了实用化的产品，但由于诸多方面的原因，目前还处于小批试制和使用验证阶段。