横梁移动式龙门机床有哪些技术优势？在发达国家成主流
目前市场上销售的龙门机床中，横梁不上下移动的龙门机床一般分为移动工作台式、移动龙门式、移动横梁式（又称桥式）三类，如图1、图2、图3所示。
图1：工作台移动式龙门机床
图2 龙门移动式龙门机床
图3 横梁移动式龙门机床
在一般传统的理解中，移动工作台型满足一般工件的常规切削，也是国内市场上最为流行的形式；移动龙门型一般满足较长、较重工件的一般切削，同样不适用于大型工件的加工。虽然横梁移动龙门机床在欧美工业发达国家应用广泛，但在国内还是比较少见，随着近10年来我国大规模引进欧美高档机床及高速高精度加工的快速发展，该类型机床也随之兴起，本文以比较的方式介绍横梁移动龙门机床的技术特点及优势。
1. 工件装载
移动式龙门机床的工作台由于是固定式，可以设计得厚实坚固，因此承重能力非常好，一般来说，只要机床体积允许，就可以放置承重重量。移动式工作台必须考虑承重，工作台厚度往往只有固定式工作台的1/2到1/3，结构强度较弱，不考虑运动特性，每平方米承重只有1到1.5吨左右，适用范围明显较小。
2.导轨磨损与精度保持性
假设相同的切削条件，质量负荷是影响导轨磨损和精度保持性的重要因素。
除了工件的重量外，工作台本身的重量也很重，如果长时间加工重型工件，导轨必然磨损较快，精度会随着时间而下降。由于质量载荷是一个常数，不会随着工件的变化而变化，只要在设计时选择合适的导轨，导轨的磨损就会很小而且稳定，机床可以长时间保持其精度。
3. 快速移动速度和加速度
工作台移动式龙门机床在空载时一般能达到其标定的设计速度，但随着工件重量的增加，其移动速度必然会大幅下降，影响效率。工作台固定式龙门机床由于受工件载荷和移动速度的影响，速度较高。无论装载工件数量多少，都能保持设计速度，这在大型机床上非常有意义。
同时，用户在关注快速速度时，往往会陷入一个误区，就是忽略了加速度，其实快速速度对加工效率的影响远小于加速度，特别是在加工一些形状复杂的工件时，有时加工效率可以提高好几倍。
由于移动龙门架的工作台载荷是一个变量，当机床厂家设定较大的加速度时，一旦放置较重的工件，机床就会发生振动、冲击等，从而损坏传动系统；移动龙门架虽然加速度大，但一旦放置较重的工件，机床就会发生振动、冲击等，从而损坏传动系统；移动龙门架不参与运动，但龙门架重心高，加速度过高容易产生较大的倾覆力，造成机床损坏，不宜设定过高的加速度。而横梁移动龙门架由于运动重心在横梁上，所以不会产生很大的倾覆力矩。且运动质量不变，所以只要选择合适的伺服电机，就可以得到很高的加速度。有些机床如果设计合理，加速度可以接近立式加工中心，既可以提高加工效率，又可以降低加工成本。表面粗糙度值。
4.伺服运动性能
运动品质对伺服惯量比参数、加速度参数有着本质的影响，运动品质发生变化，惯量肯定会变化，也就是电气精度参数肯定会变化。机床出厂时确定的参数，是根据调试时的负载而定的，一旦出厂后运动品质发生较大变化，伺服负载也会发生变化，但用户一般不能在此时调整这些参数，这将直接导致电气精度降低，不能加工高精度的工件。请注意这里的高精度不是指点运动（二维）的精度，而是指插补精度或者轮廓精度。另外，负载变化造成的参数不兼容，在一定程度上也会使表面粗糙度恶化，导致机床不能进行高速高光加工。
这就是为什么客户经常接受机床的工件精度合格，但一旦装上较大的工件，精度就变了，而且经常找不到问题的原因，具有极高的先天优势。
5.加工精度和表面粗糙度
图4、5、6分别为定梁、动梁龙门机床的传动图。从图中可以看出，动梁龙门的工作台传动，由于工作台较重，必须采用伺服电机加行星减速箱。减速箱只有在减速时才能提供足够的驱动力，但即使是精度最高的行星减速箱，还是有间隙的。当然，人们一般认为这个间隙可以通过系统来补偿。如果工作台不重，或者移动速度不快，这种想法是行不通的。在有较大冲击力的情况下是可以的，但对于龙门机床来说，负载一般都很大，工作台本身就很重，一旦达到高速反转，惯性大，自然就会带出间隙，这就是过切。过切的原因，就是要降低速度和加速度，以减少过切的程度。
图4：移动工作台
图 5：梁可移动
图6 同向差速同步运动及间隙消除
对于横梁移动式龙门架，由于是双侧驱动，所以不能两侧都采用有间隙的机构，所以较小尺寸的龙门架一般采用伺服电机与丝杠直联，实现无间隙传动（实际上还是有微米级间隙的，但由于很小，对加工没有影响，所以这里简称为无间隙，以区别于前面的间隙）；大型龙门架采用齿轮齿条传动，而齿轮齿条与减速箱结构是有间隙的，所以采用国际上先进的同向差动消隙同步运动结构，即在横梁两侧各采用两台带行星减速器的伺服电机，两台伺服电机并不是同时运动，而是先后运动，并利用一个张紧力来消除减速箱与齿轮齿条之间的间隙，同时两侧两组也必须保持同步运动。由于横梁移动龙门采用无间隙传动，大大避免了过切，特别是可提高加速度，同时仍能保持较高的加工精度。
由于没有间隙，也就不存在过切现象，因此可以增大加速度，而机床运动负载保持不变，因此惯量比也可以保持在出厂时调试好的较高值，这样可以大大提高增益，例如通过控制关键电气参数值，使机床获得良好的电气性能和较低的表面粗糙度。
但需要注意的是，对于龙门移动机床，由于重心与支撑点（立柱下方的滑块）之间的力臂较大，在做高加速度运动时，存在较大的倾覆力，可能造成过切。加速度不但降低了运动效率，而且得不到良好的轮廓精度和表面粗糙度。但该类型机床可用于点对点运动工件的加工，可加工重型工件并获得良好的精度和精度保持性。
全闭环能解决精度问题吗？
如上所述，由于工作台移动型机床（这里指中型及以上型号机床）无法像横梁移动型机床那样获得稳定可靠的精度和表面粗糙度，那么全闭环能解决问题吗？答案是否定的。诚然，全闭环可以提高机床的精度，但需要指出的是，这里的精度是指位置环精度，而不是速度环和电流环精度。因此，在点加工中，全闭环可以提高加工精度，但在插补运动中，要获得良好的轮廓精度和表面粗糙度，主要依靠速度环、电流环等电气参数的匹配，获得良好的全闭环效果。因此，全闭环不能有效解决问题。需要指出的是，如果机床本身的刚性和精度不好，采用全闭环还会引起振动，进一步恶化机床的精度和加工表面的粗糙度。
横梁移动式龙门机床除具有以上优点外，还具有以下优点：①加工材料范围广。由于导轨在工件加工范围之上，便于防护。因此，在加工易磨损导轨的材料时，不必过分考虑粉尘进入导轨而加速磨损，特别适用于陶瓷、铸铁、玻璃纤维等。②占地面积小，一般为移动式龙门工作台占地面积的60%。③便于加工长工件。对于一些超出机床长度的工件，可以用移动式刀具加工。
基于以上特点，这也是为什么目前市面上流行的大型高速铣双摆头五轴联动龙门机床基本都采用横梁移动式龙门结构，当轴摆动到一定角度时，机床直线轴需要跟随并到达预定位置，这就是RTCP功能。
众所周知，高精度数控机床若想达到高精度，各轴的响应必须一致，因此各轴必须具有良好的伺服特性和惯量匹配，而要获得良好的伺服特性和惯量匹配，必须控制稳定的运动品质，而该品质由稳定的伺服有效控制，才能获得良好的特性，并通过循环进行验证，当三根直线轴得到有效控制，并能响应旋转轴的速度和加速度时，才能获得良好的加工精度。
所以三种龙门结构中，带工作台的移动龙门，由于移动重量是可变的，所以惯性和伺服特性是可变的，一般不能获得高精度和较低的表面粗糙度值；而移动龙门，由于移动重量也是可变的，所以惯性和伺服特性是可变的，一般不能获得高精度和较低的表面粗糙度值；龙门运动重心高，在快速加减速时会产生倾覆力矩，使这种结构无法快速响应，一旦快速响应就会造成精度变化和过切，所以这两种结构不适用于大型工件。移动横梁结构，由于运动质量可控，无倾覆力矩，非常适合高速高精度加工，也是目前国际上大型高速铣、五轴龙门的常用结构。
6. 结论
目前国内加工正向高速、高精度、低表面粗糙度值发展，这是发达国家的流行趋势，机床的选择也顺应这一趋势而发生着变化，虽然传统的工作台移动型也是目前加工精度要求较高的一种，但由于其结构原理性问题，移动工作台机床无法应对高速、高精度、高光的加工，特别是对大型工件，尤其是高端塑料模具、航空航天部件等，龙门结构的特点为读者提供一些选择符合发展趋势的机床的参考建议，希望能够有所启发。