并聯(lián)機床分析

自其1994年在美國芝加哥機床展上首次面世即被譽為是“21世紀(jì)的機床”，成為機床家族中最有生命力的新成員。1 并聯(lián)機床的特點整體而言，傳統(tǒng)的串聯(lián)機構(gòu)機床，是屬于數(shù)學(xué)簡單而機構(gòu)復(fù)雜的機床，而相對的，并聯(lián)機構(gòu)機床則機構(gòu)簡單而數(shù)學(xué)復(fù)雜，整個平臺的運動牽涉到相當(dāng)龐大的數(shù)學(xué)運算，因此虛擬軸并聯(lián)機床是一種知識密集型機構(gòu)。這種新型機床完全打破了傳統(tǒng)機床結(jié)構(gòu)的概念，拋棄了固定導(dǎo)軌的刀具導(dǎo)向方式，采用了多桿并聯(lián)機構(gòu)驅(qū)動，大大提高了機床的剛度，使加工精度和加工質(zhì)量都有較大的改進(jìn)。

另外，由于其進(jìn)給速度的提高，從而使高速、超高速加工更容易實現(xiàn)。由于這種機床具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度以及重量輕、機械結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點，在許多領(lǐng)域都得到了成功的應(yīng)用，因此受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。由并聯(lián)、串聯(lián)同時組成的混聯(lián)式數(shù)控機床，不但具有并聯(lián)機床的優(yōu)點，而且在使用上更具實用價值。

隨著高速切削的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)串聯(lián)式機構(gòu)構(gòu)造平臺的結(jié)構(gòu)剛性與移動臺高速化逐漸成為技術(shù)發(fā)展的瓶頸，而并聯(lián)式平臺便成為最佳的候選對象，而相對于串聯(lián)式機床來說，并聯(lián)式工作平臺具有如下特點和優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、價格低。機床機械零部件數(shù)目較串聯(lián)構(gòu)造平臺大幅減少，主要由滾珠絲杠、虎克鉸、球鉸、伺服電機等通用組件組成，這些通用組件可由專門廠家生產(chǎn)，因而本機床的制造和庫存成本比相同功能的傳統(tǒng)機床低得多，容易組裝和搬運。結(jié)構(gòu)剛度高。

由于采用了封閉性的結(jié)構(gòu)(closed-loop structure)使其具有高剛性和高速化的優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)負(fù)荷流線短，而負(fù)荷分解的拉、壓力由六只連桿同時承受，以材料力學(xué)的觀點來說，在外力一定時，懸臂量的應(yīng)力與變形都最大，兩端插入(build-in)次之，再來是兩端簡支撐(simply-supported)，其次是受壓的二力結(jié)構(gòu)，應(yīng)力與變形都最小的是受張力的二力結(jié)構(gòu)，故其擁有高剛性。其剛度重量比高于傳統(tǒng)的數(shù)控機床。加工速度高，慣性低。

如果結(jié)構(gòu)所承受的力會改變方向，(介于張力與壓力之間)，兩力構(gòu)件將會是最節(jié)省材料的結(jié)構(gòu)，而它的移動件重量減至最低且同時由六個致動器驅(qū)動，因此機器很容易高速化，且擁有低慣性。加工精度高。由于其為多軸并聯(lián)機構(gòu)組成，六個可伸縮桿桿長都單獨對刀具的位置和姿態(tài)起作用，因而不存在傳統(tǒng)機床(即串聯(lián)機床)的幾何誤差累積和放大的現(xiàn)象，甚至還有平均化效果(averaging effect)；其擁有熱對稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計，因此熱變形較小；故它具有高精度的優(yōu)點。多功能靈活性強。

由于該機床機構(gòu)簡單控制方便，較容易根據(jù)加工對象而將其設(shè)計成專用機床，同時也可以將之開發(fā)成通用機床，用以實現(xiàn)銑削、鏜削、磨削等加工，還可以配備必要的測量工具把它組成測量機，以實現(xiàn)機床的多功能。這將會帶來很大的應(yīng)用和市場前景，在國防和民用方面都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。使用壽命長。

由于受力結(jié)構(gòu)合理，運動部件磨損小，且沒有導(dǎo)軌，不存在鐵屑或冷卻液進(jìn)入導(dǎo)軌內(nèi)部而導(dǎo)致其劃傷、磨損或銹蝕現(xiàn)象。Stewart平臺適合于模塊化生產(chǎn)。對于不同的機器加工范圍，只需改變連桿長度和接點位置，維護(hù)也容易，無須進(jìn)行機件的再制和調(diào)整，只需將新的機構(gòu)參數(shù)輸入。變換座標(biāo)系方便。

由于沒有實體座標(biāo)系，機床座標(biāo)系與工件座標(biāo)系的轉(zhuǎn)換全部靠軟件完成，非常方便。Stewart平臺應(yīng)用于機床與機器人時，可以降低靜態(tài)誤差(因為高剛性)，以及動態(tài)誤差(因為低慣量)。而Stewart平臺的劣勢在于其工作空間較小，且其在工作空間上有著奇異點的限制，而串聯(lián)工作平臺，控制器遇到奇異點時，將會計算出驅(qū)動裝置無法達(dá)成的驅(qū)動命令而造成控制誤差，但Stewart平臺在奇異位置會失去支撐部分方向的力或力矩的能力，無法完成固定負(fù)載對象。

DCB510并聯(lián)機床2 并聯(lián)機床的研究現(xiàn)狀自從1965年Stewart提出著名的Stewart平臺機構(gòu)，從此開始了基于Stewart并聯(lián)機構(gòu)的虛擬機床研究。但開始，人們還只是對這種機構(gòu)停留在理論分析上。1994年，在美國芝加哥IMTS博覽會上首次展出并引起世界轟動的并聯(lián)6條腿機床(又稱并聯(lián)機床)，在經(jīng)過隨后持續(xù)三年的全球跟進(jìn)浪潮后，在世界范圍內(nèi)已逐漸降溫。這是因為并聯(lián)機床在理論和實踐上有一系列的難題，難以在短期內(nèi)解決。目前，國內(nèi)外有許多公司和研究單位在研究虛擬軸機床。我國的并聯(lián)機床研究起步較晚，但成果顯著。

其中清華大學(xué)是國內(nèi)最早開始進(jìn)行虛擬軸機床研究的單位之一，對虛擬軸機床以及多個相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，并于1997年12月25日與天津大學(xué)合作，共同開發(fā)出我國第一臺大型鏜銑類虛擬軸機床原型樣機-VAMT1Y。在虛擬軸機床設(shè)計理論與樣機建造等關(guān)鍵技術(shù)方面達(dá)到了國際先進(jìn)水平，其中部分理論成果屬國際首創(chuàng)。目前正在進(jìn)行虛擬軸機床系列化、實用化的研究，與多家機床骨干廠家進(jìn)行了新型虛擬軸機床商品化樣機的研制工作，以期實現(xiàn)虛擬軸機床的產(chǎn)業(yè)化。

其中與昆明機床股份有限公司、江東機床廠和大連機床廠聯(lián)合研制的三種不同構(gòu)型的機床已經(jīng)問世，并與2001年在CIMT上展出，有望在近期實現(xiàn)商品化。與昆明機床股份有限公司共同研制的XNZ63虛擬軸機床，可實現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復(fù)雜特種零件的加工，其綜合指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。與江東機床廠聯(lián)合開發(fā)的一臺龍門式虛擬軸機床，結(jié)構(gòu)采用雙柱龍門工作臺移動式，可完成4坐標(biāo)聯(lián)動。與大連機床廠聯(lián)合研制的DCB-510五軸聯(lián)動串并聯(lián)機床，能夠通過并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)X、Y和Z方向的移動，采用傳統(tǒng)的串聯(lián)方式實現(xiàn)主軸頭的A和C方向的轉(zhuǎn)動。

另外由天津大學(xué)設(shè)計并與天津市第一機床廠聯(lián)合研制的并聯(lián)機床也獲得成功并達(dá)到實用化水平。哈工大與齊齊哈爾第二機床企業(yè)集團聯(lián)合研制的BJ-1并聯(lián)機床，現(xiàn)有機型技術(shù)參數(shù)為：①加工范圍：f400×250；②主軸轉(zhuǎn)速：0～8000 r/min；③電主軸功率：9kW；④桿系伺服電機功率：0.75kW；⑤重復(fù)性精度：0.002mm(靜態(tài))；⑥定位精度：0.015mm；⑦體積： 1800×1500×2300；⑧數(shù)控系統(tǒng)：研華工控機+六軸聯(lián)動卡。東北大學(xué)最新研制的DSX5-70型三桿虛擬軸機床是由三自由度的并聯(lián)機構(gòu)和兩自由度的串聯(lián)機構(gòu)混聯(lián)組成的五自由度虛擬軸機床。其中，兩自由度串聯(lián)機構(gòu)置于運動平臺上，整個機構(gòu)通過三桿的伸縮和兩驅(qū)動軸可實現(xiàn)五軸聯(lián)動，用以完成多種作業(yè)任務(wù)。

由國防科技大學(xué)和香港科技大學(xué)聯(lián)合研制的銀河——2000虛擬軸機床是一種并聯(lián)式六自由度機床，是由傳統(tǒng)并聯(lián)機床發(fā)展而來的，在保持原并聯(lián)機構(gòu)的諸多優(yōu)點，如高剛度，高精度和高的運動速度外，用變異機構(gòu)擴大了機床的運動范圍。瑞典Neos Robotics公司由于采用了并聯(lián)加串聯(lián)的方案，從低層次應(yīng)用做起，逐步積累經(jīng)驗和財力，向高層次應(yīng)用發(fā)展，以及采用了三桿中央的中心管等正確的措施，其并聯(lián)機床產(chǎn)品早已進(jìn)入實用，至今已創(chuàng)200余臺的驚世銷售業(yè)績。該公司展出的Tricept845加工中心，其體積定位精度達(dá)到±50µm，重復(fù)定位精度達(dá)±10µm，這兩個指標(biāo)距離傳統(tǒng)機床雖還有較大的差距，但對并聯(lián)機床已屬重大的突破，具有實用價值。其進(jìn)給速度已達(dá)90m/min，加速度已達(dá)2g，主軸功率為30～45kW，24,000～30,000r/min，采用瑞士IBAG公司電主軸、Siemens840D數(shù)控系統(tǒng)和Heidenhain 的測量系統(tǒng)。該加工中心采用模塊化結(jié)構(gòu)。三桿結(jié)構(gòu)組件有0°、45°、90°三種布局可任選(即分別組成臥式、傾斜45°和立式加工中心)。德國 Fraunhofer機床和成型技術(shù)研究所開發(fā)的6x型機床適于模具的高速加工，其主要技術(shù)參數(shù)為：工作臺：630×630，X，Y ，Z行程均為630mm，兩個轉(zhuǎn)動自由度范圍為30°，主軸最高速度為3000r/min，功率為16kW，腿的最大進(jìn)給速度為30m/min，加速度為 10m/s。

德國Index的美國分公司將并聯(lián)機床用于車床，生產(chǎn)出了V100型三桿并聯(lián)機構(gòu)的“倒立車”(即主軸和工件在上作X、Z軸運動，而刀具在下不動，可回轉(zhuǎn)換刀，但不作任何直線運動的立式車床，我國習(xí)稱為“倒立車”)。它具有如下優(yōu)點：①外形緊湊。車床不象加工中心，工件相對刀具的移動范圍較小，克服了并聯(lián)機構(gòu)空間有效利用率低的弱點。②車床一般只需兩個自由度(X和Z軸)，現(xiàn)用三桿幾何機構(gòu)，可以獲得X、Y、Z三個自由度，冗余的一個自由度可用作自由上下料用。另外，為了增加剛度，Index采用兩根桿起一根桿作用的雙桿機構(gòu)，與我國天津第一機床總廠結(jié)構(gòu)類似。V100安裝5英寸卡盤，其主要技術(shù)參數(shù)為：電主軸轉(zhuǎn)速為8000r/min，功率為26.48kW。X、Y、Z行程分別為1450mm、150mm、175mm，可自動上下料。

美國Hexel公司將6桿并聯(lián)結(jié)構(gòu)作成獨立部件應(yīng)用于轉(zhuǎn)塔銑床。這可將低價的普通銑床升級為5軸聯(lián)動銑床。其主要技術(shù)參數(shù)為：工作臺直徑710mm，X、 Y行程范圍為直徑305mm 的圓，Z軸178mm，A軸±25µm，最大進(jìn)給速度為5.1m/min，重91kg。瑞士技術(shù)院(ETH)、機床與制造技術(shù)院(IWF)和機器人院 (IFR)也聯(lián)合研制出了名為IWF的Hexaglide虛擬軸機床。迄今為止，我們了解的虛擬軸并聯(lián)機床有二自由度、三自由度、法面三自由度、純移動三自由度四自由度、對稱五自由度和六自由度等類型。虛擬軸數(shù)控并聯(lián)機床多用于虛擬軸六自由度數(shù)控機床。3 并聯(lián)機床的研究方向并聯(lián)機床組成原理的研究。

研究并聯(lián)機床自由度計算、運動副類型、支鉸類型以及運動學(xué)分析、建模與仿真等問題。并聯(lián)機床運動空間的研究。 包括運動空間分析及仿真、可達(dá)工作空間求解(如數(shù)值求解法、球坐標(biāo)搜索法等)、機床干涉計算及位置分析等。并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究。

并聯(lián)機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括很多內(nèi)容，如機床的總體布局、安全機構(gòu)設(shè)計、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(包括數(shù)控平臺建造、數(shù)控系統(tǒng)編程、數(shù)控加工過程仿真等)。并聯(lián)機床剛度、精度、柔度、靈巧度的研究。并聯(lián)機構(gòu)封閉回路的特性，使并聯(lián)機床較傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)機床具有更高的剛度，但這個特性引起的耦合問題，相對的形成在動力分析上很大的困擾，因此對其研究應(yīng)予以足夠的重視。

關(guān)于并聯(lián)機床精度的研究仍是國際難題，包括機床系統(tǒng)硬件研究(及機床制造前精度設(shè)計和精度描述)和系統(tǒng)輸出精度研究(及機床制造后輸出數(shù)據(jù)處理和精度評價)。并聯(lián)機床柔度的研究包括柔度分析、柔度評價指標(biāo)及其在工作空間內(nèi)的分布等方面。靈巧度主要研究靈巧度指標(biāo)及其分布等。并聯(lián)機床誤差研究。包括誤差分析、建模及誤差精度保證、測量系統(tǒng)設(shè)計等問題。并聯(lián)機床模塊設(shè)計與創(chuàng)建。根據(jù)工件加工的空間型和平面型，相應(yīng)地把并聯(lián)機床分為空間型并聯(lián)機床和平面型并聯(lián)機床兩大類。

并聯(lián)機床按功能和結(jié)構(gòu)可分為以下幾個功能模塊：①執(zhí)行模塊；②機座模塊(靜平臺模塊)；③動平臺模塊；④機架模塊；⑤定位模塊；⑥驅(qū)動模塊；⑦控制和顯示模塊；⑧潤滑與冷卻模塊。新型虛擬軸數(shù)控機床的研究。虛擬軸數(shù)控機床是“要用數(shù)學(xué)制造的機床”。因為這種機床的設(shè)計與運行要用到非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算與推理。目前對于Stewart平臺的理論研究已取得一些關(guān)鍵結(jié)論，還需進(jìn)一步研究Stewart平臺的綜合分析，為虛擬軸數(shù)控機床的研制提供理論基礎(chǔ)。并聯(lián)機床控制的研究。包括高速、高精度的控制算法，刀具運動軌跡的直接控制、開放式數(shù)控系統(tǒng)等。虛擬軸機床的最大特點是機械結(jié)構(gòu)簡單而控制復(fù)雜，因此這方面的研究在并聯(lián)機床的研究中具有舉足輕重的作用。