本文分析了并聯(lián)機床特別是其中混聯(lián)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢炬伶，并且還介紹了可重構(gòu)機床的基本概念闺酬。

　　并聯(lián)機床

　　基于Stewart平臺原理的并聯(lián)機床，目前在國際上一般稱為并聯(lián)運動學機器(Parallel Kinematic Machine, PKM)憎材，過去中國也稱其為六條腿機床或者虛擬軸機床未蚕。由于并聯(lián)機床是機床結(jié)構(gòu)的重大革新而具有許多優(yōu)點，自1994年美國Giddings & Lewis公司在芝加哥國際機床展覽會上首次展出名為VARIAX(變異型)加工中心的這種機床以來投墩，倍受各國重視辛啰，比如歐盟就設(shè)立了PKM科研專項，在歷屆著名的國際機床展覽會上都相繼展出了一些經(jīng)過改進的新產(chǎn)品彰畅，中國的高等院校與機床制造商也合作推出了幾種形式的并聯(lián)機床迂奋。總之誉缚，無論國際還是國內(nèi)現(xiàn)在都在大力推進并聯(lián)機床的實用化嘱垛。

　　傳統(tǒng)的金屬切削機床，本質(zhì)上是“串聯(lián)”機構(gòu)疫遵。而基于Stewart平臺的典型純并聯(lián)六自由度機床那惜，相對傳統(tǒng)機床來說，具有如下優(yōu)點：硬件結(jié)構(gòu)簡單梧油，剛度/重量比大苫耸，制造成本相對較低；運動部件輕儡陨，慣性小褪子，響應速度快，易於實現(xiàn)高的速度和加速度骗村；配置靈活嫌褪，在動平臺上可以選配不同的工作頭(旋轉(zhuǎn)刀具頭、高能束加工頭叙身、測量頭等)來進行不同的作業(yè)渔扎；理論上運動和定位精度可以達到很高，這是由于六根變長桿長度變化的誤差對動平臺空間位置精度的影響信轿，不是像傳統(tǒng)機床那樣累計迭加而是具有均化傾向。

　　不過残吩，并聯(lián)機床也存在一些缺點和問題财忽，例如：

　　其動平臺在工作空間的運動倘核，要通過從虛軸空間(并不存在的運動座標軸)到實軸(變長桿長度)空間的非線性映射來實現(xiàn)，而且實軸空間存在深度耦合怎窿，因此其控制軟件要比傳統(tǒng)機床復雜侧缔；

　　在相同的外觀尺寸下，其有效工作空間要比傳統(tǒng)機床小得多且不直觀喻透，特別是動平臺主軸頭能實現(xiàn)的最大姿態(tài)角一般小于30°寒淌；

　　雖然并聯(lián)機床的空間定位精度理論上可以達到很高，但實際上受一些因素的制約晶乘，比如其關(guān)鍵元件高精度鉸關(guān)節(jié)的設(shè)計制造仍較困難等原因蚜遥，迄今其動平臺的空間位置精度基本上還處于10微米級的水平。

　　為了解決并聯(lián)機床工作空間小翠笛、特別是主軸頭姿態(tài)角嚴重不足影響5軸聯(lián)動加工能力的問題由饵，世界上相繼推出了各種不同串并聯(lián)組合的所謂混聯(lián)機床，其中最常見的是由三自由度并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)平動和由傳統(tǒng)串聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)動的混聯(lián)機床桦徘，從而使平動和轉(zhuǎn)動解耦故咽。與純并聯(lián)六自由度機床相比，這種機床不僅工作空間較大和能進行大傾角多座標數(shù)控加工橄文，而且由于位置和速度正逆解均存在解析解答化刻，為數(shù)控編程和誤差補償創(chuàng)造了有利條件。

　　瑞典NEOS ROBOTICS公司的三桿并聯(lián)機床Tricept上陕，是目前實際生產(chǎn)中應用最多的并聯(lián)機床桩砰。在此并聯(lián)機構(gòu)基礎(chǔ)上開發(fā)的Tricept 845加工中心，X唆垃、Y五芝、Z三個自由度由三桿并聯(lián)機構(gòu)來完成，兩個轉(zhuǎn)動自由度則由傳統(tǒng)的復合轉(zhuǎn)臺來實現(xiàn)辕万。由三桿并聯(lián)機構(gòu)驅(qū)動的主軸頭枢步，最大進給速度可達90m/min，加速度2g渐尿，電主軸最高轉(zhuǎn)速24,000或30,000r/min醉途，功率30/45kW。該機床為模塊化結(jié)構(gòu)砖茸，除可選配復合轉(zhuǎn)臺外隘擎，也可選配普通工作臺、單座標轉(zhuǎn)臺或交換工作臺凉夯，主軸也有立式货葬、臥式和45°安裝三種形式。其空間定位精度不高(據(jù)說已由原來的50μm提高至25μm)咳衣，但已具有實用價值共撰。

　　這種類型的串并聯(lián)組合還有另一種布局結(jié)構(gòu)服移，即三個移動軸仍由三桿并聯(lián)機構(gòu)來實現(xiàn)，而兩個轉(zhuǎn)動軸由動平臺下串聯(lián)的主軸頭來完成鞋夹。德國著名的機床制造商Deckel Maho公司在獲得使用Tricept結(jié)構(gòu)的許可後驶恨，依靠自身在機床領(lǐng)域積累的經(jīng)驗，重新設(shè)計了床身孕炒、萬能主軸頭道婚、驅(qū)動桿和球鉸等重要部件，開發(fā)出Tricenter (DMT 100)銑削中心仪但。這臺機床工作臺固定不動潦博，由三桿并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)X/Y/Z軸移動，行程達1500/800/700mm自畔，相應的最大進給速度100/50/50m/min淘客，加速度2g，進給力5kN杨匕。串聯(lián)的主軸頭A軸轉(zhuǎn)角0°-120°着饥，C軸轉(zhuǎn)角±180°。所使用的電主軸最高轉(zhuǎn)速24000r/min惰赋，功率27kW宰掉，力矩90Nm，刀柄HSK63A赁濒。

　　該機床不僅工作空間大和主軸頭能實現(xiàn)大的姿態(tài)角轨奄，而且由於使用了激光標定，主軸頭空間的位置精度可達4~12μm拒炎。所謂激光標定挪拟，是利用高精度激光測量儀對主軸頭在整個加工區(qū)域的空間位置進行測量(一般要測量200個點)，再借助專門開發(fā)的標定算法击你，按實測信息修整CNC控制器中的逆解模型參數(shù)玉组，以進行精度補償。Tricenter不僅適于高速加工復雜曲面的鋁材零件丁侄，而且可以對鋼和鑄鐵工件進行高效率加工惯雳。Deckel Maho公司計劃在2002年把這臺機床交世界知名的Airbus公司實際使用。

　　中國大連機床集團與清華大學合作開發(fā)的5軸聯(lián)動并聯(lián)機床DCB510鸿摇，也是三個移動軸由并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)曾罕、兩個轉(zhuǎn)動軸由動平臺下串聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)的混聯(lián)結(jié)構(gòu)。其X/Y/Z軸行程為630/630/500mm皮卸，A軸最大轉(zhuǎn)角140°礼文，C軸最大轉(zhuǎn)角380°。不過它是用滑板和定長桿來代替可伸縮桿猿池，每付定長桿由雙桿組成(也可用三桿組成)皿完，而且定長桿一端的鉸支固定在滑板上夫蚜，這樣雖然結(jié)構(gòu)稍微復雜一點办煞，但有利於提高機床的剛度和精度狈馏。此外，這種結(jié)構(gòu)形式滑板的驅(qū)動不僅可以用滾珠絲杠害恋，也可用直線電機直接驅(qū)動串缘说、并聯(lián)組合的混聯(lián)機床還有其它結(jié)構(gòu)形式，比如美國Cincinnati公司針對航空工業(yè)開發(fā)的龍門移動式高速數(shù)控銑床Hyper Mach赎丢，其X軸行程最長46m劣零，Y軸行程2m，由直線電機驅(qū)動福压，但仍為傳統(tǒng)的串聯(lián)機構(gòu)掏秩，其獨特之處在於采用了德國DST公司開發(fā)的Z3主軸頭。這種主軸頭由三軸并聯(lián)機構(gòu)和主軸部件組成荆姆，除了主軸可以高速轉(zhuǎn)動外蒙幻，主軸頭自身由并聯(lián)機構(gòu)驅(qū)動實現(xiàn)Z軸進給和繞A軸與B軸轉(zhuǎn)動(±40°)。

　　并聯(lián)機床的應用領(lǐng)域還在擴大胆筒，最近又把開發(fā)目標向車床擴展邮破。比如德國Index公司開發(fā)的V100倒置式立車，其主軸平臺在上仆救，由三桿并聯(lián)機構(gòu)驅(qū)動不僅可以實現(xiàn)X抒和、Z軸的移動，而且多出的一個自由度還可用於車床的自動上下料彤蔽。其轉(zhuǎn)塔刀架在主軸平臺下方摧莽，只轉(zhuǎn)動不移動。
理論和實踐都證明顿痪，并聯(lián)機床很適於高速加工復雜曲面零件镊辕，目前也正向?qū)嵱没较虬l(fā)展，但真正要在工廠中較普遍應用還需經(jīng)過艱苦的努力才能實現(xiàn)员魏。雖然串并聯(lián)組合的混聯(lián)結(jié)構(gòu)在擴大機床的工作空間斤间、特別是在增大主軸頭空間姿態(tài)角方面已取得較大成效，但并聯(lián)機床的承載能力乌换、特別是主軸頭在空間的位置精度還極待提高稿棚。這除了從運動學和動力學角度進行研究改進外，改善制約并聯(lián)機床剛度和精度的薄弱環(huán)節(jié)—關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的性能也是當務之急取阳，所以必須重視結(jié)構(gòu)尺寸小采缎、承載能力強和精度高的復合滾動關(guān)節(jié)的開發(fā)和生產(chǎn)。此外灌罐，運動學標定即精度補償也是提高并聯(lián)機床精度的重要手段敌菩，除上文所述使用高精度激光測量儀的外部標定方法外基恩，還可在機床內(nèi)部安裝傳感器獲取信息進行自標定(一般是在從動關(guān)節(jié)上安裝精度高和抗干擾能力強的檢測元件)。盡管還有上述種種問題需要解決疏拱，但并聯(lián)機床成為傳統(tǒng)高速加工機床的重要補充已為期不遠了斤杏。

　　可重構(gòu)機床

　　當前，數(shù)控機床為了滿足更多不同零件的加工工藝要求榕每，正在不斷增加加工功能腹呀，但在實際批量生產(chǎn)中，通用數(shù)控機床的功能利用率相當?shù)屠干小５聡唤淌谠鴮?2個國家370家批量生產(chǎn)的機械制造企業(yè)進行過調(diào)查起愈，發(fā)現(xiàn)有近80%的加工中心只利用其20%的功能。顯然一味采用復合加工功能的辦法來提高機床設(shè)備的生產(chǎn)柔性和生產(chǎn)效率并不一定經(jīng)濟合理译仗，因此人們又提出了可重構(gòu)機床(Reconfigurable Machine Tool)的概念抬虽。

　　顧名思義，可重構(gòu)機床的核心是使用過程中的可重構(gòu)性纵菌，用戶可以根據(jù)所生產(chǎn)產(chǎn)品的變化對機床的結(jié)構(gòu)阐污、布局乃至加工功能進行改變，而且每次重構(gòu)都要力求做到基本上無冗余功能产艾。顯而易見疤剑，機床的重構(gòu)需要通過改變某些功能部件才能實現(xiàn)，因此可重構(gòu)機床一定是模塊化機床闷堡，而且應當是以用戶為中心的模塊化機床隘膘。所謂以用戶為中心，是指組成機床的軟杠览、硬件模塊必須遵守國家或行業(yè)的而不是企業(yè)自訂的標準弯菊，特別是各模塊之間要具有標準化的接口，當然與制造系統(tǒng)的接口也應當是標準化的牺缰。

　　雖然可重構(gòu)機床理論上可以頻繁重構(gòu)田蕴，但實際應用中應盡可能減少重構(gòu)次數(shù)且重構(gòu)時要盡可能避免改變主要結(jié)構(gòu)，才符合經(jīng)濟性原則和有利於保持機床精度醋咒。這涉及可重構(gòu)機床可能的加工對象负稚、應具有的功能和功能模塊的劃分等許多重構(gòu)策略方面的問題，對這些問題尚需進行深入系統(tǒng)的研究晦苞。不過筆者還認為央改，可重構(gòu)機床可能更適合在大、中批量生產(chǎn)條件下使用浊娄。另方面也不難看出仑锥，使用可重構(gòu)機床的用戶要儲備一定備用的機床功能模塊，這可能會影響到它的推廣使用。有人認為建立若干地區(qū)性的機床功能倉儲服務中心可以解決這一問題德州，當然這還有待將來實踐的檢驗聪弊。

　　可重構(gòu)機床目前尚處于研究階段，迄今尚無公認的原型機制造出來窝革，美國密西根大學Yoram Koren等人提出的可重構(gòu)機床概念圖购城。盡管可重構(gòu)機床離實用化還有一段距離，但它作為可快速重組制造系統(tǒng)(RRMS)的一項重要單元技術(shù)聊闯，可快速形成對更新產(chǎn)品的批量生產(chǎn)能力工猜，肯定具有發(fā)展?jié)摿ΑC床制造商應未雨綢繆菱蔬，現(xiàn)在就給予足夠的關(guān)注。

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