关键词：加工中心；刚性；龙门结构；立柱；弧形龙门
摘 要：弧形或圆形龙门是将“门”形龙门结构的横梁、立柱设计成一体的弧形或圆形，产生一种新的龙门机床结构，横梁就是立柱，立柱就是横梁。将“门”形龙门结构3个部件（横梁、2个立柱）设计为1个部件，在制造、装配工艺上容易控制和保证精度；从而实现了加工中心加工曲面或工件侧面时，数控系统不需要实时对刀具进行半径补偿，有效的提高了加工速度。
1、传统结构加工中心机床现状
目前数控机床行业共知的加工中心机床主体结构有2种：C型结构和龙门结构。C型结构是主轴在立柱上做上下运动，Y轴的加工范围大小与主轴在立柱上的悬臂长度有关，而悬臂长度影响机床加工刚度，所以在加工要求下，Y轴的加工范围都小；龙门结构都是方方正正的一个横梁二个立柱“门”形结构，这种结构应用在机床上比C型（一个立柱）刚性好，Y轴加工范围基本只受丝杠传动的限制。上述2种结构机床因C型结构只有一个立柱，制造、装配、检验相当龙门结构（2个立柱1个横梁共3个部件）简单，所以C型结构加工中心国际国内加工中心生产中应用zui多，产量zui大。上述2种结构机床几十年基本没有变化，也没有中国的知识产权。在国家发展大飞机战略、为国民经济发展提供保证的前提下，有必要研制开发我国自己的独有结构数控机床。，所以本文提出一种新的机床结构——弧形龙门结构。
2、弧形基本结构和工作原理
弧形或圆形龙门是将“门”形龙门结构的横梁、立柱设计成一体的弧形或圆形，产生一种新的龙门机床结构，如图一所示。
图1 弧形龙门基本结构简图
它zui大特点：横梁就是立柱，立柱就是横梁。将“门”形龙门结构3个部件（横梁、2个立柱）设计为1个部件，在制造、装配工艺上容易控制和保证精度；主轴滑枕轨道设计在弧形龙门上，使主轴在横梁上直线运动变成弧线运动，减小了主轴在加工工件时与立柱的长度，提高了机床及加工刚性。
3、弧形龙门基本结构的优、缺点
优点：加工中与C型结构、门型龙门结构相比，在加工工件侧面时，始终将主轴受力方向垂直于主轴，切削的反向力矩直接作用在弧形龙门机构上，同时，加工至工件安装面时滑枕悬臂短，能实现高刚性重切削加工运动，而C型结构、门型龙门结构三轴机床在加工工件侧面及接近工件安装面时，主轴力矩与切削力矩成方向不重合，影响加工速度及精度，图3图4所示；在曲面加工时，三轴联动就能任何方向始终将刀具顶点垂直与工件表面，减少数控系统对刀具半径补偿的运算，刚性也相应提高，如图2所示。而C型结构、门型龙门结构三轴机床在曲面加工时，刀具顶点不能在任何方向垂直于工件表面，数控系统不实时对刀具进行半径补偿，就不能解决加工过切问题，加工出的工件将是报废。主轴相对滑枕作B向回转运功，不需要多角铣头或角度铣头就可实现多个面加工。
图2加工曲面示意图
图3 侧向示意图
图4普通三轴机床加工侧向示意图
图5 普通三轴机床加工曲面示意图
制造、装配工艺与C型结构、门型龙门结构相比，弧形龙门结构只有一个部件（除机床底座、工作台），与C型结构一样具有方便的加工、装配工艺性；比门型龙门结构少了2个部件，加工工作量减少2/3，加工精度更能保证，装配工作量也减少2/3，极大提高机床生产速度、装配精度。
缺点：弧形龙门结构机床必须是4轴联动才能加工方形及异形曲面。传动必须有别与现有的丝杠传动方式，因为弧形丝杠难加工，采用直线电机能解决传动问题。数控系统也必须弧形运动进行实时弧形运算控制。
4、结语
弧形龙门结构是一种全新的机床结构，它兼顾门型龙门结构的高刚性、C型结构的制造安装调试的方便性。但要实际应用需要数控系统、传动等多个功能部件技术的配合，也需要加工工艺的创新来实现。研制、开发这种结构将使机床行业发生新的、革命性变化，能将中国的机床制造技术推向行业制高点。
周刚（1976年2月）工程师，从事数控机床设计、销售工作
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