21世紀的機床--并聯(lián)機床
并聯(lián)機床(Parallel Machine Tools)柳恐,又稱并聯(lián)結(jié)構(gòu)機床(Parallel Structured Machine Tools)胎撇、虛擬軸機床(Virtual Axis Machine Tools),也曾被稱為六條腿機床秉犹、六足蟲(Hexapod 并聯(lián)機床(Parallel Machine Tools)蛉谜,又稱并聯(lián)結(jié)構(gòu)機床(Parallel Structured Machine Tools)、虛擬軸機床(Virtual Axis Machine Tools)崇堵,也曾被稱為六條腿機床型诚、六足蟲(Hexapods)。并聯(lián)機床是基于空間并聯(lián)機構(gòu)Stewart平臺原理開發(fā)的鸳劳,是近年才出現(xiàn)的一種新概念機床狰贯,它是并聯(lián)機器人機構(gòu)與機床結(jié)合的產(chǎn)物,是空間機構(gòu)學(xué)念澜、機械制造吼闽、數(shù)控技術(shù)、計算機軟硬技術(shù)和CAD/CAM技術(shù)高度結(jié)合的高科技產(chǎn)品禾样。它克服了傳統(tǒng)機床串聯(lián)機構(gòu)刀具只能沿固定導(dǎo)軌進給驱香、刀具作業(yè)自由度偏低、設(shè)備加工靈活性和機動性不夠等固有缺陷怨瑰,可實現(xiàn)多坐標聯(lián)動數(shù)控加工示奉、裝配和測量多種功能,更能滿足復(fù)雜特種零件的加工惨琼。自其1994年在美國芝加哥機床展上首次面世即被譽為是“21世紀的機床”皇铝,成為機床家族中最有生命力的新成員。
并聯(lián)機床的特點:
整體而言涧馋,傳統(tǒng)的串聯(lián)機構(gòu)機床锡胡,是屬于數(shù)學(xué)簡單而機構(gòu)復(fù)雜的機床,而相對的蚜懦,并聯(lián)機構(gòu)機床則機構(gòu)簡單而數(shù)學(xué)復(fù)雜拼缝,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)彰亥。這種新型機床完全打破了傳統(tǒng)機床結(jié)構(gòu)的概念咧七,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)動任斋,大大提高了機床的剛度继阻,使加工精度和加工質(zhì)量都有較大的改進。另外废酷,由于其進給速度的提高瘟檩,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墨辛、高承載能力卓研、高速度、高精度以及重量輕睹簇、機械結(jié)構(gòu)簡單奏赘、制造成本低、標準化程度高等優(yōu)點太惠,在許多領(lǐng)域都得到了成功的應(yīng)用钮药,因此受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。由并聯(lián)逼读、串聯(lián)同時組成的混聯(lián)式數(shù)控機床尺果,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青先。
隨著高速切削的不斷發(fā)展捌秩,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委鸯,而相對于串聯(lián)式機床來說脓大,并聯(lián)式工作平臺具有如下特點和優(yōu)點:
結(jié)構(gòu)簡單、價格低控屡。 機床機械零部件數(shù)目較串聯(lián)構(gòu)造平臺大幅減少,主要由滾珠絲杠辫田、虎克鉸峻维、球鉸、伺服電機等通用組件組成嚎论,這些通用組件可由專門廠家生產(chǎn)桐猬,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,容易組裝和搬運刽肠。
結(jié)構(gòu)剛度高溃肪。 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)負荷流線短音五,而負荷分解的拉惫撰、壓力由六只連桿同時承受,以材料力學(xué)的觀點來說躺涝,在外力一定時厨钻,懸臂量的應(yīng)力與變形都最大,兩端插入(build-in)次之坚嗜,再來是兩端簡支撐(simply-supported)夯膀,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),故其擁有高剛性诱建。其剛度重量比高于傳統(tǒng)的數(shù)控機床蝴蜓。
加工速度高,慣性低武骆。 如果結(jié)構(gòu)所承受的力會改變方向榛舍,(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)侦需,而它的移動件重量減至最低且同時由六個致動器驅(qū)動南椒,因此機器很容易高速化,且擁有低慣性坊蕴。
加工精度高呐取。 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)起作用扫觅,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)象拂炉,甚至還有平均化效果(averaging effect);其擁有熱對稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計硅枷,因此熱變形較泻祷椤;故它具有高精度的優(yōu)點太迈。
多功能靈活性強针执。 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)計成專用機床围辙,同時也可以將之開發(fā)成通用機床我碟,用以實現(xiàn)銑削、鏜削姚建、磨削等加工矫俺,還可以配備必要的測量工具把它組成測量機,以實現(xiàn)機床的多功能掸冤。這將會帶來很大的應(yīng)用和市場前景厘托,在國防和民用方面都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。
使用壽命長稿湿。 由于受力結(jié)構(gòu)合理铅匹,運動部件磨損小,且沒有導(dǎo)軌饺藤,不存在鐵屑或冷卻液進入導(dǎo)軌內(nèi)部而導(dǎo)致其劃傷伊群、磨損或銹蝕現(xiàn)象。
Stewart平臺適合于模塊化生產(chǎn)策精。 對于不同的機器加工范圍舰始,只需改變連桿長度和接點位置崇棠,維護也容易,無須進行機件的再制和調(diào)整惶芒,只需將新的機構(gòu)參數(shù)輸入燎匪。
變換座標系方便。 由于沒有實體座標系赠搓,機床座標系與工件座標系的轉(zhuǎn)換全部靠軟件完成购畴,非常方便。
Stewart平臺應(yīng)用于機床與機器人時验沮,可以降低靜態(tài)誤差(因為高剛性)铣才,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牡增,且其在工作空間上有著奇異點的限制旱樊,而串聯(lián)工作平臺,控制器遇到奇異點時柑耙,將會計算出驅(qū)動裝置無法達成的驅(qū)動命令而造成控制誤差述茂,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,無法完成固定負載對象雷鸟。
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