并聯(lián)機(jī)床是基于空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)Stewart平臺原理開發(fā)的锰抡，是近年才出現(xiàn)的一種新概念機(jī)床晶乔，它是并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)與機(jī)床結(jié)合的產(chǎn)物央颈，是空間機(jī)構(gòu)學(xué)甸持、機(jī)械制造绎揭、數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬技術(shù)和CAD/CAM技術(shù)高度結(jié)合的高科技產(chǎn)品专稼。它克服了傳統(tǒng)機(jī)床串聯(lián)機(jī)構(gòu)刀具只能沿固定導(dǎo)軌進(jìn)給、刀具作業(yè)自由度偏低蛮嘹、設(shè)備加工靈活性和機(jī)動性不夠等固有缺陷缰嘴，可實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控加工、裝配和測量多種功能诲要，更能滿足復(fù)雜特種零件的加工行兼。
   
    自其1994年在美國芝加哥機(jī)床展上首次面世即被譽(yù)為是“21世紀(jì)的機(jī)床”，成為機(jī)床家族中最有生命力的新成員粱目。

    1 并聯(lián)機(jī)床的特點(diǎn)

    整體而言楣善，傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床，是屬于數(shù)學(xué)簡單而機(jī)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)床挫蓝，而相對的陡花，并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床則機(jī)構(gòu)簡單而數(shù)學(xué)復(fù)雜，整個(gè)平臺的運(yùn)動牽涉到相當(dāng)龐大的數(shù)學(xué)運(yùn)算抒寂，因此虛擬軸并聯(lián)機(jī)床是一種知識密集型機(jī)構(gòu)结啼。這種新型機(jī)床完全打破了傳統(tǒng)機(jī)床結(jié)構(gòu)的概念，拋棄了固定導(dǎo)軌的刀具導(dǎo)向方式屈芜，采用了多桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動郊愧，大大提高了機(jī)床的剛度，使加工精度和加工質(zhì)量都有較大的改進(jìn)井佑。
   
    另外属铁，由于其進(jìn)給速度的提高，從而使高速躬翁、超高速加工更容易實(shí)現(xiàn)焦蘑。由于這種機(jī)床具有高剛度、高承載能力姆另、高速度喇肋、高精度以及重量輕、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單迹辐、制造成本低蝶防、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點(diǎn)甚侣，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)注叨斜。由并聯(lián)妇保、串聯(lián)同時(shí)組成的混聯(lián)式數(shù)控機(jī)床，不但具有并聯(lián)機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)转隘，而且在使用上更具實(shí)用價(jià)值雨担。
  
     隨著高速切削的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)串聯(lián)式機(jī)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)展的瓶頸暑苍，而并聯(lián)式平臺便成為最佳的候選對象由颗，而相對于串聯(lián)式機(jī)床來說，并聯(lián)式工作平臺具有如下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單越稻、價(jià)格低坛铭。機(jī)床機(jī)械零部件數(shù)目較串聯(lián)構(gòu)造平臺大幅減少，主要由滾珠絲杠键瓢、虎克鉸秤歼、球鉸、伺服電機(jī)等通用組件組成订骂，這些通用組件可由專門廠家生產(chǎn)射桅，因而本機(jī)床的制造和庫存成本比相同功能的傳統(tǒng)機(jī)床低得多，容易組裝和搬運(yùn)膜钓。結(jié)構(gòu)剛度高嗽交。
  
     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(diǎn)，其結(jié)構(gòu)負(fù)荷流線短颂斜，而負(fù)荷分解的拉轮纫、壓力由六只連桿同時(shí)承受，以材料力學(xué)的觀點(diǎn)來說焚鲜，在外力一定時(shí)掌唾，懸臂量的應(yīng)力與變形都最大，兩端插入(build-in)次之忿磅，再來是兩端簡支撐(simply-supported)糯彬，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)葱她，故其擁有高剛性撩扒。其剛度重量比高于傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床。加工速度高吨些，慣性低搓谆。
   
    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)词羹，兩力構(gòu)件將會是最節(jié)省材料的結(jié)構(gòu)巧鉴，而它的移動件重量減至最低且同時(shí)由六個(gè)致動器驅(qū)動笋据，因此機(jī)器很容易高速化，且擁有低慣性贵埋。加工精度高下碗。由于其為多軸并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成，六個(gè)可伸縮桿桿長都單獨(dú)對刀具的位置和姿態(tài)起作用举影，因而不存在傳統(tǒng)機(jī)床(即串聯(lián)機(jī)床)的幾何誤差累積和放大的現(xiàn)象僵棍，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(jì)板散，因此熱變形較旭佟；故它具有高精度的優(yōu)點(diǎn)愤芝。多功能靈活性強(qiáng)灵您。
   
    由于該機(jī)床機(jī)構(gòu)簡單控制方便，較容易根據(jù)加工對象而將其設(shè)計(jì)成專用機(jī)床答倡，同時(shí)也可以將之開發(fā)成通用機(jī)床，用以實(shí)現(xiàn)銑削驴党、鏜削瘪撇、磨削等加工，還可以配備必要的測量工具把它組成測量機(jī)港庄，以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的多功能倔既。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)用前景鹏氧。使用壽命長渤涌。
  
     由于受力結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)動部件磨損小把还，且沒有導(dǎo)軌实蓬，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)象吊履。Stewart平臺適合于模塊化生產(chǎn)安皱。對于不同的機(jī)器加工范圍，只需改變連桿長度和接點(diǎn)位置艇炎，維護(hù)也容易酌伊，無須進(jìn)行機(jī)件的再制和調(diào)整，只需將新的機(jī)構(gòu)參數(shù)輸入拼仆。變換座標(biāo)系方便吏辫。
   
    由于沒有實(shí)體座標(biāo)系，機(jī)床座標(biāo)系與工件座標(biāo)系的轉(zhuǎn)換全部靠軟件完成撑停，非常方便劳威。Stewart平臺應(yīng)用于機(jī)床與機(jī)器人時(shí)故厕，可以降低靜態(tài)誤差(因?yàn)楦邉傂?，以及動態(tài)誤差(因?yàn)榈蛻T量)跌仗。而Stewart平臺的劣勢在于其工作空間較小顺雪，且其在工作空間上有著奇異點(diǎn)的限制，而串聯(lián)工作平臺掩若，控制器遇到奇異點(diǎn)時(shí)嘁凤，將會計(jì)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快鬓，無法完成固定負(fù)載對象租躁。
   
 

   2 并聯(lián)機(jī)床的研究現(xiàn)狀

    自從1965年Stewart提出著名的Stewart平臺機(jī)構(gòu)，
    從此開始了基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的虛擬機(jī)床研究向楼。但開始查吊，人們還只是對這種機(jī)構(gòu)停留在理論分析上。1994年湖蜕，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(jī)床(又稱并聯(lián)機(jī)床)逻卖，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)已逐漸降溫昭抒。這是因?yàn)椴⒙?lián)機(jī)床在理論和實(shí)踐上有一系列的難題评也，難以在短期內(nèi)解決。目前灭返，國內(nèi)外有許多公司和研究單位在研究虛擬軸機(jī)床盗迟。我國的并聯(lián)機(jī)床研究起步較晚，但成果顯著熙含。
   
    其中清華大學(xué)是國內(nèi)最早開始進(jìn)行虛擬軸機(jī)床研究的單位之一罚缕，對虛擬軸機(jī)床以及多個(gè)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)合作怎静，共同開發(fā)出我國第一臺大型鏜銑類虛擬軸機(jī)床原型樣機(jī)-VAMT1Y邮弹。在虛擬軸機(jī)床設(shè)計(jì)理論與樣機(jī)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)祟背。目前正在進(jìn)行虛擬軸機(jī)床系列化醇颗、實(shí)用化的研究，與多家機(jī)床骨干廠家進(jìn)行了新型虛擬軸機(jī)床商品化樣機(jī)的研制工作辽嘹，以期實(shí)現(xiàn)虛擬軸機(jī)床的產(chǎn)業(yè)化搭诬。
   
    其中與昆明機(jī)床股份有限公司、江東機(jī)床廠和大連機(jī)床廠聯(lián)合研制的三種不同構(gòu)型的機(jī)床已經(jīng)問世漠阻，并與2001年在CIMT上展出转傍，有望在近期實(shí)現(xiàn)商品化。與昆明機(jī)床股份有限公司共同研制的XNZ63虛擬軸機(jī)床，可實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控加工糜实、裝配和測量多種功能彼兆，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)水平错这。與江東機(jī)床廠聯(lián)合開發(fā)的一臺龍門式虛擬軸機(jī)床邀秕，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)動妄午。與大連機(jī)床廠聯(lián)合研制的DCB-510五軸聯(lián)動串并聯(lián)機(jī)床仓坞，能夠通過并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)X、Y和Z方向的移動腰吟，采用傳統(tǒng)的串聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)主軸頭的A和C方向的轉(zhuǎn)動无埃。
   
    另外由天津大學(xué)設(shè)計(jì)并與天津市第一機(jī)床廠聯(lián)合研制的并聯(lián)機(jī)床也獲得成功并達(dá)到實(shí)用化水平。哈工大與齊齊哈爾第二機(jī)床企業(yè)集團(tuán)聯(lián)合研制的BJ-1并聯(lián)機(jī)床毛雇，現(xiàn)有機(jī)型技術(shù)參數(shù)為：①加工范圍：f400×250嫉称；②主軸轉(zhuǎn)速：0～8000 r/min；③電主軸功率：9kW灵疮；④桿系伺服電機(jī)功率：0.75kW织阅；⑤重復(fù)性精度：0.002mm(靜態(tài))；⑥定位精度：0.015mm震捣；⑦體積： 1800×1500×2300荔棉；⑧數(shù)控系統(tǒng)：研華工控機(jī)+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(jī)床是由三自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)和兩自由度的串聯(lián)機(jī)構(gòu)混聯(lián)組成的五自由度虛擬軸機(jī)床伍派。其中，兩自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)置于運(yùn)動平臺上剩胁，整個(gè)機(jī)構(gòu)通過三桿的伸縮和兩驅(qū)動軸可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動诉植，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(jī)床是一種并聯(lián)式六自由度機(jī)床楞虾，是由傳統(tǒng)并聯(lián)機(jī)床發(fā)展而來的蘑砖，在保持原并聯(lián)機(jī)構(gòu)的諸多優(yōu)點(diǎn)，如高剛度引宙，高精度和高的運(yùn)動速度外永僚，用變異機(jī)構(gòu)擴(kuò)大了機(jī)床的運(yùn)動范圍。瑞典Neos Robotics公司由于采用了并聯(lián)加串聯(lián)的方案夸莱，從低層次應(yīng)用做起伙二，逐步積累經(jīng)驗(yàn)和財(cái)力，向高層次應(yīng)用發(fā)展恤柴，以及采用了三桿中央的中心管等正確的措施崔三，其并聯(lián)機(jī)床產(chǎn)品早已進(jìn)入實(shí)用，至今已創(chuàng)200余臺的驚世銷售業(yè)績扯蕾。該公司展出的Tricept845加工中心软旁，其體積定位精度達(dá)到±50μm珊煌，重復(fù)定位精度達(dá)±10μm，這兩個(gè)指標(biāo)距離傳統(tǒng)機(jī)床雖還有較大的差距扛肩，但對并聯(lián)機(jī)床已屬重大的突破刻撒，具有實(shí)用價(jià)值。其進(jìn)給速度已達(dá)90m/min耿导，加速度已達(dá)2g声怔，主軸功率為30～45kW，24,000～30,000r/min碎节，采用瑞士IBAG公司電主軸捧搞、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)狮荔。三桿結(jié)構(gòu)組件有0°胎撇、45°、90°三種布局可任選(即分別組成臥式殖氏、傾斜45°和立式加工中心)晚树。德國 Fraunhofer機(jī)床和成型技術(shù)研究所開發(fā)的6x型機(jī)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雅采，X爵憎，Y ，Z行程均為630mm婚瓜，兩個(gè)轉(zhuǎn)動自由度范圍為30°宝鼓，主軸最高速度為3000r/min，功率為16kW拖见，腿的最大進(jìn)給速度為30m/min乾爆，加速度為 10m/s。
   
    德國Index的美國分公司將并聯(lián)機(jī)床用于車床滓莱，生產(chǎn)出了V100型三桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)的“倒立車”(即主軸和工件在上作X舆伺、Z軸運(yùn)動，而刀具在下不動咏哈，可回轉(zhuǎn)換刀阀洛，但不作任何直線運(yùn)動的立式車床，我國習(xí)稱為“倒立車”)萄罐。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：①外形緊湊调拳。車床不象加工中心，工件相對刀具的移動范圍較小吧玉，克服了并聯(lián)機(jī)構(gòu)空間有效利用率低的弱點(diǎn)滥氏。②車床一般只需兩個(gè)自由度(X和Z軸)，現(xiàn)用三桿幾何機(jī)構(gòu)，可以獲得X妈踊、Y了嚎、Z三個(gè)自由度，冗余的一個(gè)自由度可用作自由上下料用廊营。另外歪泳，為了增加剛度，Index采用兩根桿起一根桿作用的雙桿機(jī)構(gòu)露筒，與我國天津第一機(jī)床總廠結(jié)構(gòu)類似呐伞。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慎式，功率為26.48kW伶氢。X、Y瘪吏、Z行程分別為1450mm癣防、150mm、175mm掌眠，可自動上下料蕾盯。
   
    美國Hexel公司將6桿并聯(lián)結(jié)構(gòu)作成獨(dú)立部件應(yīng)用于轉(zhuǎn)塔銑床。這可將低價(jià)的普通銑床升級為5軸聯(lián)動銑床孤批。其主要技術(shù)參數(shù)為：工作臺直徑710mm取涕，X、 Y行程范圍為直徑305mm 的圓谒绍，Z軸178mm痛恃，A軸±25μm，最大進(jìn)給速度為5.1m/min底悍，重91kg杜糕。瑞士技術(shù)院(ETH)、機(jī)床與制造技術(shù)院(IWF)和機(jī)器人院 (IFR)也聯(lián)合研制出了名為IWF的Hexaglide虛擬軸機(jī)床妖职。迄今為止冻绊，我們了解的虛擬軸并聯(lián)機(jī)床有二自由度期庆、三自由度歇懂、法面三自由度、純移動三自由度四自由度耐陵、對稱五自由度和六自由度等類型晃尖。虛擬軸數(shù)控并聯(lián)機(jī)床多用于虛擬軸六自由度數(shù)控機(jī)床。
   
    3 并聯(lián)機(jī)床的研究方向并聯(lián)機(jī)床組成原理的研究俏蛮。
   
    研究并聯(lián)機(jī)床自由度計(jì)算撑蚌、運(yùn)動副類型、支鉸類型以及運(yùn)動學(xué)分析、建模與仿真等問題争涌。并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動空間的研究粉楚。 包括運(yùn)動空間分析及仿真、可達(dá)工作空間求解(如數(shù)值求解法亮垫、球坐標(biāo)搜索法等)模软、機(jī)床干涉計(jì)算及位置分析等。并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究饮潦。
   
    并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括很多內(nèi)容燃异，如機(jī)床的總體布局、安全機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)继蜡、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)(包括數(shù)控平臺建造回俐、數(shù)控系統(tǒng)編程、數(shù)控加工過程仿真等)稀并。并聯(lián)機(jī)床剛度仅颇、精度、柔度宽剪、靈巧度的研究锭鸣。并聯(lián)機(jī)構(gòu)封閉回路的特性，使并聯(lián)機(jī)床較傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床具有更高的剛度葵张，但這個(gè)特性引起的耦合問題局限，相對的形成在動力分析上很大的困擾，因此對其研究應(yīng)予以足夠的重視哀擒。
   
    關(guān)于并聯(lián)機(jī)床精度的研究仍是國際難題棵辟，包括機(jī)床系統(tǒng)硬件研究(及機(jī)床制造前精度設(shè)計(jì)和精度描述)和系統(tǒng)輸出精度研究(及機(jī)床制造后輸出數(shù)據(jù)處理和精度評價(jià))。并聯(lián)機(jī)床柔度的研究包括柔度分析讳董、柔度評價(jià)指標(biāo)及其在工作空間內(nèi)的分布等方面渗蚁。靈巧度主要研究靈巧度指標(biāo)及其分布等。并聯(lián)機(jī)床誤差研究豺章。包括誤差分析尖洞、建模及誤差精度保證、測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)等問題搅厕。并聯(lián)機(jī)床模塊設(shè)計(jì)與創(chuàng)建煞秤。根據(jù)工件加工的空間型和平面型，相應(yīng)地把并聯(lián)機(jī)床分為空間型并聯(lián)機(jī)床和平面型并聯(lián)機(jī)床兩大類吉捶。
   
    并聯(lián)機(jī)床按功能和結(jié)構(gòu)可分為以下幾個(gè)功能模塊：①執(zhí)行模塊夺鲜；②機(jī)座模塊(靜平臺模塊)；③動平臺模塊呐舔；④機(jī)架模塊币励；⑤定位模塊慷蠕；⑥驅(qū)動模塊；⑦控制和顯示模塊食呻；⑧潤滑與冷卻模塊流炕。新型虛擬軸數(shù)控機(jī)床的研究。虛擬軸數(shù)控機(jī)床是“要用數(shù)學(xué)制造的機(jī)床”仅胞。因?yàn)檫@種機(jī)床的設(shè)計(jì)與運(yùn)行要用到非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算與推理浪感。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平臺的綜合分析饼问，為虛擬軸數(shù)控機(jī)床的研制提供理論基礎(chǔ)影兽。并聯(lián)機(jī)床控制的研究。包括高速莱革、高精度的控制算法掂篷，刀具運(yùn)動軌跡的直接控制、開放式數(shù)控系統(tǒng)等揣洁。虛擬軸機(jī)床的最大特點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單而控制復(fù)雜鳖弱，因此這方面的研究在并聯(lián)機(jī)床的研究中具有舉足輕重的作用。 
 

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