自上世紀90年代以來，機床出現了許多新結構，其中絕大多數沒有知識產權問題，也即沒有專利的約束。在需要時，任何人均可采用。每一種結構均來自新的理念，只有了解這些新理念，才好正確地采用這些新結構。本文就IMTS2006所見，對一些新結構及其新理念作些介紹。
        1.框中框（BoxinBox）結構
        （圖1框中框結構）
        框2（滑座）在框1（固定的立柱）中作水平方向運動，主軸部件在框2中作垂直方向運動，故稱框中框結構。它是上世紀90年代中期，日本一家不太知名的企業發明的。其背后的理念是：
        （1）在大批量生產中，組合機床雖有高生產率，但柔性極差，不能適應產品多樣化和更新換代加快的要求，而加工中心柔性極好，但生產率低。為此，新的理念是：以單（主）軸加工中心的快速坐標定位順序加工挑戰組合機床的多（主）軸同時加工。于是1993年誕生了世界上靠前臺用于大批量生產的快速定位（空行程）達90m/min的高速加工中心。
        （2）由于機床上定位行程一般較短，高速定位的加速度必須很大，至少要在1g(g是重力加速度，1g=9.8m/sec2)以上。要達到這么大的加速度，要么大幅度增加驅動力（增加伺服電機扭矩或直線電機推力），要么減少移動部件的質量，以后者較為經濟。
        （3）在大批量生產中，為了便于自動上下料或自動傳送的安排，希望X.Y,Z軸運動盡可能集中在刀具（主軸）側，工件位置不動或少動（即只有1個軸的運動）。
        框中框結構是以質量較小的滑座移動替代極為笨重的立柱移動（見圖2）符合上述（2），（3）的要求。
        （圖2笨重的立柱移動）
        當前，原本用于高速的框中框結構也應用于較低快速的機床和小型機床。這是利用其較易得到高加，減速度的優勢。一方面使得在較短的行程時也可得到較高的快速（如50m/min），另一方面可獲得較高的插補精度。如日本森精機已應用于車銑中心（見圖3）和緊湊型可重構生產線中的模塊（見圖12）。
        （圖3車銑中心的框中框結構）
        此外，框中框還可以應用于水平面，如圖4所示，除X.Y軸易于達到50m/mim快速外，還可使Z軸部件不懸伸，即加工時不承受彎矩造成的變形。
        （圖4森精機NMV系列機床水平平面的框中框）
        2.重心驅動（DrivenattheCenterofGravity,簡稱DCG）結構
        這是日本森精機公司推出，命名的結構，稱之為近15年來高速，高精加工的重大突破。
        （圖5重心驅動結構）
        圖5所示機床的Z軸和Y軸運動就是重心驅動的。雙絲杠中心線的連線平面通過被驅動構件的重心，這樣，雙絲杠驅動力的合力就通過重心，成為通過重心的驅動，即重心驅動。它必須是
        （1）雙絲杠驅動；
        （2）雙絲杠中心相對重心是對稱的；
        （3）絲杠中心連線平面一般高于導軌平面（指圖5中的Y軸驅動）。
        因為驅動合力通過重心，就消除了不通過重心時產生的顛復力矩（大小等于驅動力乘以驅動合力作用點與重心間在垂直平面內的距離）或/和扭擺力矩（大小等于驅動力乘以驅動合力作用點與重心在水平面內距離）。結果是大幅度地減少了振動（見圖6，表示兩種驅動振幅相差從5。2倍到139倍），實現平穩運動。
        （圖6重心驅動的減振效果）
        振動不僅影響加工表面質量和刀具壽命，在數控條件下，在位置檢測時，還會被誤解為位置指令的誤差來加以糾正而加劇了振動或產生震蕩；為了避免震蕩，不得不調低系統敏感度（減少增益）。這樣會忽略微小誤差，而影響精度，特別是插補精度。此外，為了避免振動大和保證精度，不得不降低進給速度，這樣又增加了加工時間?？傊?，重心驅動可提高加工精度，插補精度，改善加工表面質量，提高刀具壽命和減少加工時間。
        在這里，筆者想說明以下幾點：
        （1）與框中框結構的區別。
        框中框的框1雖是雙絲杠驅動，但不一定通過框2的重心（見圖1），框2可以不是雙絲杠驅動，請見圖7，即兩者不是一碼事。
        （圖7框2為單絲杠驅動）
        （2）雙絲杠驅動早于重心驅動。
        重心驅動的較大特點是雙絲杠驅動，而在上世紀90年代中期，雙絲杠驅動就有了。當時出現的框中框結構，水平方向(X軸)驅動必須是雙絲杠驅動，因為主軸部件要在框2內作垂直運動。這樣，就不可能采用傳統的單絲杠居中的驅動。
        其次，在1993年直線電機靠前次應用于機床之后，滾珠絲杠也要進入高速領域挑戰直線電機。于是很塊研制成功了高速滾珠絲杠，但是速度上去了，加速度上不去，這是因為滾珠絲杠的傳動剛度極差。為此，當時日本好幾家公司采用了雙絲杠驅動來增加傳動剛度。由此研制出多臺可與直線電機驅動較量的高速加工中心。不過當時的雙絲杠是對稱地置于工作臺的下方。差不多經歷了十余年，到2003年，森精機將雙絲杠外置和高出導軌平面，推出了重心驅動。
        從框中框到雙絲杠下置到雙絲杠平置即重心驅動，從繼承到創新，森精機作出了一個典型范例。
        森精機認為重心驅動的優勢是減少振動。似乎還可補充一點，就是重心驅動提高了傳動剛度。傳動剛度對得到高加，減速度極為重要。而高加，減速度對獲得較高的定位精度和插補精度又至關重要。圖8為直線電機與單絲杠驅動插補精度的對比。直線電機的傳動剛度遠大于單絲杠，因而能達到好的插補精度。
        （圖8傳動剛度對插補精度的影響）
        （3）直線電機前途何在？
        （圖9重心驅動與直線電機，非重心驅動產生的振幅的對比）
        從圖9中可以看出重心驅動產生的振幅遠遠小于（相差5。2--129倍）直線電機驅動，而且直線電機與非重心驅動在產生振動方面處于基本同一個水平。鑒于振動對精度，表面質量等的影響，森精機對1993年以來高速（指高快速）加工的評價是：高速帶來加工時間的減少，卻犧牲了高精度和高表面質量。而當前總的趨勢是既要高精又要高速，這樣，不可兼得的直線電機前途自然堪憂。
        此外，直線電機有交流感應和直流永磁兩種可選，而直流永磁在動態特性方面優于交流感應。但直流永磁的永久磁鋼在裝配時很不方便（周圍到處是鋼鐵類磁性材料），此外，電機推力大小取決于磁場強度和電流密度。據一家日本公司的計算，滿足足夠推力時的磁場強度，在直線電機動子和定子平置時，導軌受到的磁場吸力之大有時足以將滾珠導軌的滾珠壓碎。若將電機動子和定子改為豎置，即將動子—永久磁鋼置于中間，將定子—線圈分置于兩側，此時壓碎滾珠的問題沒有了，但由于豎置，在床身中部要占有較大的空間，降低了床身構件的剛度。再加上價格昂貴等因素，使得直線電機相對于重心驅動似乎不再是較佳的選擇。
        除非圖9的數據不典型或不正確，或者使用直線電機時也能實現重心驅動（事實上難以做到），則直線電機在要求高精，高表面質量的高速加工中心應用才可能有較好前景。
        當然在傳動剛度方面，重心驅動遠不及直線電機。在插補精度要求更高和對加速度要求更大時，似乎仍得選擇直線電機。
        目前缺乏重心驅動與直線電機在插補精度方面，類似圖8那樣的對比數據。
        （4）在有些條件下很難嚴格做到重心驅動。
        例如滑座的驅動，它上面有互成垂直方向運動的工作臺，工作臺上還裝夾有質量大小變化的工件。這樣，重心位置升高且是變化的，驅動合力難以通過重心。不過，對減振和提高傳動剛度仍有效果。
        （5）雙絲杠驅動必須嚴格同步，必須消除滾珠絲杠反向間隙且能長久保持。由于雙絲杠的誤差難以完全一致，可能還要進行軟件校正。
        （6）森精機在同一臺機床上，對寬度較窄的驅動件有時仍是單絲杠中央或是偏置驅動。
        （7）美國，德國，瑞士等一些公司及日本其他公司機床也已采用了重心驅動。
        （8）美國Fadal公司新的VMC系列加工中心，采用了德國Steinmeyer公司ETA+型滾珠絲杠，據稱該新型滾珠絲杠在外形尺寸不變的情況下，剛度提高了50%，摩擦力矩減少67%，不知其奧妙何在，可能在滾珠絲杠支承方面加了措施。但在提高傳動剛度方面仍不及重心驅動。
        3.傳統蝸輪蝸桿的替代結構
        傳統蝸輪蝸桿結構起著大幅度減速和改變傳動軸方向（不同軸平面正交）的作用。在數控機床上，它的較大問題不是傳動效率低，而是反向間隙問題。盡管有多種消隙的結構，但均無法保證長期可靠的消除。新出現兩類替代結構：
        （1）電氣的，即力矩電機驅動。
        優點：
        A．實現直接驅動，具有較大的傳動剛度，好沒有反向間隙，結構簡化，緊湊。
        B．既可低速（如插補運動），又可高速（如分度以及在復合加工時兼作車削主軸）
        缺點：
        A．價格特別高昂。這是因為電機的低速且勻速和大扭矩帶來位置和速度檢測傳感器（碼盤）和控制驅動電路設計制造成本大幅上升。森精機采取自制力矩電機的方法來降低成本。
        B堵轉扭矩，即靜態剛度在較小尺寸時不夠大，有時需增加瞬時夾緊，松開機構。
        C.兼作車削主軸時轉速難以升高，一般為每分鐘幾百轉。
        （2）機械的，即在日本出現的滾柱齒輪傳動(RollerGearDrive)。它是“精密間歇機械
        凸輪驅動分度器）機構（圖10）的延伸。
        （圖10精密間歇機械凸輪驅動分度器）
        （圖11零間隙滾柱齒輪傳動）
        （圖12分度用滾柱齒輪傳動）
        A.零間隙滾柱齒輪傳動（圖11）
        應用于數控的插補運動。當作車削用主軸時，可用離合器脫開，從另一條途徑高速傳動。
        a.實質是負間隙傳動或過盈傳動；只有滾動摩擦時才能做到，如同用雙螺母消除間隙的滾珠絲杠傳動；實施預緊的成對滾珠軸承運轉等。只要過盈量選擇合適，可以做到“終身“或很長時間正反轉時無任何間隙。此時嚙合系數應大于1，還可使用包絡蝸桿。
        b.缺點是發熱和驅動力矩增加，不過增加有限，大多數情況下可以承受。
        c.蝸桿的齒形，只需用與其嚙合的滾柱直徑相同的立銑刀，按照傳動速比的展成運動（可用數控或伺服電機電子齒輪方法）直接從淬硬的圓柱體上銑出，不再需要磨削。傳統的蝸輪的齒形，就是采用與之嚙合的蝸桿形狀完全一致的滾刀按傳統速比展成切削出來的。上述蝸桿齒形加工只是傳統蝸輪加工原理的反向運用。當然，也可運用現代CAD的三維模型展成運動得到蝸桿的齒形，似乎這一步可省去。
        B.分度滾柱齒輪傳動（圖11）
        應用于如數控車床刀盤的回轉分度類的分度運動。此時重要的是分度定位的重復一致性，而不是分度的好精度。重復一致性是靠帶導向錐度的定位銷與定位孔的配合保證的。正反向有否間隙已不重要。因此希望傳動帶有一定間隙，如果零間隙會妨礙定位銷的精確定位，若間隙過大，超出導向錐度作用范圍，將使精確定位運動失效。滾柱齒輪傳動的滾動摩擦可實現高速分度運動，且使用壽命遠大于傳統的蝸輪蝸桿傳動。
        此時，可用直徑大于滾子直徑的立銑刀，按傳動速比展成加工蝸桿。催生滾柱齒輪傳動的理念是以滾動摩擦替代滑動摩擦，采用無內，外環的滾針軸承的滾針來實現滾柱的滾動摩擦。如同用滾珠絲杠替代滑動絲杠一樣，是機械傳動領域里一項重大突破。一般只適宜于插補和分度運動。制造滾柱齒輪含有大量精密手工裝配工作量，比傳統蝸輪制造困難得多，因而成本大幅上升。
        4.緊湊型可重構生產線及其構成模塊
        這是日本多家公司推出的用于解決汽車等大批量生產行業加工小型復雜件的新的解決方案。
        （圖12緊湊型可重構生產線的三種模塊）
        它是用多臺三種模塊來組成生產線。這三種模塊實質是微型的立式加工中心，臥式加工中心和立式車削中心，如圖12所示。以森精機的產品為例（下同），機床寬度只有680mm(含刀庫為800mm)，所以說它是“微型”或“緊湊型”，目的是為了節省生產線的面積。而且這三種模塊的寬度是嚴格一致的，長度基本一致為2130mm左右,即所需占地面積是一樣的，也即位置上可以互換，置換時不會改變生產線的長度。這樣，生產線易于重構，故稱為“可重構”。三種模塊工作臺（車削中心為卡盤主軸中心線）均是固定的（即三軸運動均在主軸側，如同以前的三軸單元{3-axisunit}）,且離地面的高度嚴格一致，頂面，前面，側面的空間開放，這些都是為了便于安排工件的自動傳送。
        （圖13緊湊型可重構生產線加工的典型工件）
        這種生產線的加工對象是如圖13所示的汽車行業等大批量生產的小型復雜件。當前這些零件一般是用專用機床加工，據稱，創新這種生產線的目的是用工序分散的生產線替代那些工序高度集中的專用機床。新的理念是：
        A.在生產率和占地面積上，這種生產線很有可能不及專用機床。但今日已是技術飛速進步，用戶需求多樣化的時代，因而零件的設計更改頻繁。一旦設計更改，專用機床需停產調整，甚至需要推倒重來。而這種生產線柔性很大且可重構，可以快速適應工件設計的頻繁更改。
        B.專用機床設計制造難度大，周期長，因而造價高，價格昂貴。而這種生產線三種模塊間通用化程度大，設計制造難度小，周期短，價格低廉。
        此外，這三種模塊還有一個特點，就是刀庫容量很小，一般為8-10把刀。意味著它存心只用于工序分散的生產線。也許讀者會提出這樣的問題：加工中心本身是工序高度集中的機床，為什么在大批量生產中，有時也作工序分散的應用？本系列文章的“IMTS觀后感之二”（請見文中有關“并聯”和“串聯”的敘述），已對此作了分析，這里就不重復了。
        森精機在這類模塊中也使用了框中框和重心驅動（圖14），因而快速可高達50m/min，各種加速均在1g以上，較高的達3.5g.據稱，機床雖單薄，但震動極小。
        （圖14模塊的框中框和重心驅動）
        本文較后請讀者注意，在進行新結構設計時，千萬不要忽略采用有限元方法對結構的靜剛度，動剛度和熱變形作分析計算，做到在圖紙階段就可以心中有數，并盡可能改進到較佳。有限元的軟件，很多高校，研究所均擁有，可向他們尋求支援。
        周總：您好！
        電郵來的文章和照片都收到，謝謝！
        初步拜讀，收獲不小。還需要仔細地研究，推敲，文中討論的幾個新的有關機床設計的理念，非常重要，需要引起關注和重視，否則，我們的機床工業又被遠遠地落后了一大段距離，還不知道是怎么回事情。
        初步有一點建議，就是由于滾珠絲杠本身的誤差，雙段驅動時調整比較困難，如果僅僅依靠數控系統來補償，實際也就是降低控制精度或者速度。如果在兩根導軌端加上光柵尺閉環(現在已經有這樣的商品)，這個問題就比較容易處理了，因為兩根光柵尺之間的誤差應該屬于微米級別，而兩根滾珠絲杠之間的誤差怎么也在絲的級別，兩者相差大約一個數量級。
        較近，我們與沈陽機床集團的合作有了較大進展。我們約定，花大約三個月的時間，由四開提供數控系統和性能指標以及加工案例、加工程序，沈陽機床集團提供五軸聯動的機床和電機等，來驗證四開的系統。打算作兩個計較，首先與國內愿意提供五軸聯動系統的廠家比較，包括華中數控、大連大森數控、大連光洋數控、沈陽藍天數控等，然后在與國際上的品牌數控系統作比較，首先是西門子數控（840D），法那克（16i和30i）、海德海因(530i)等較新的系統。我已經將我們收集到的西門子840D的有關五軸聯動系統的全部技術要求提供給了沈陽機床集團。
        再敘祝
        身體健康！
        陸啟建07.05.10南京