并聯(lián)機床又稱為虛擬軸機床或并聯(lián)機器人，是機器人技術(shù)與機床技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的高科技產(chǎn)品屉来。國際學(xué)術(shù)界和工程界高度重視并聯(lián)機床的研究與開發(fā)蓬抄，相繼推出了幾種結(jié)構(gòu)相似而名稱各異的原型樣機。本文詳細介紹并聯(lián)機床的研究進程凉当，并與讀者分享國內(nèi)外研究的最新成果枣申，文章還進一步探討并聯(lián)機床的研究方向。
在今年4月舉辦的CIMT展會上看杭，哈爾濱量具刃具集團數(shù)控設(shè)備公司展出了一種具有新的突破意義的并聯(lián)結(jié)構(gòu)機床LINKS-EXE700忠藤。該并聯(lián)機床特點是結(jié)構(gòu)進一步簡化挟伙，加工范圍增大，覆蓋空間x軸方向2m模孩、y軸方向1m尖阔、z軸方向0.5m，動作快速榨咐，x会贝、y軸的快速進給分別達到125米m/min、加速度3g誊殊，z軸方向45m/min跺鬼、加速度1g，剛性和精度提高鱼练，五軸聯(lián)動數(shù)控編程與使用常規(guī)化墩沸，可以加工五面體，在工件特別裝夾的情況下响攘，還可作六面加工址嘴，這是目前任何機床結(jié)構(gòu)都做不到的。進行不同功能配置后千有，可廣泛應(yīng)用于航天蚀弹、航空、汽車胶向、模具工業(yè)作切削减叫、磨削、焊接裕坊、鉚接包竹、打毛刺和裝配之用，可以單機使用籍凝，也可以配置成生產(chǎn)線周瞎。
并聯(lián)機床的結(jié)構(gòu)完全不同于所有的傳統(tǒng)機床。傳統(tǒng)機床結(jié)構(gòu)是按笛卡爾坐標(biāo)沿三個坐標(biāo)線方向運動和繞這三個坐標(biāo)轉(zhuǎn)動依次串聯(lián)疊加來形成所需刀具的運動軌跡饵蒂，其所有的幾何精度誤差声诸、力的傳遞和剛度的損失，都會是串聯(lián)累積的退盯。在近二十年出現(xiàn)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)機床彼乌，通過多桿結(jié)構(gòu)在空間同時運動來移動主軸頭，與串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比得问，具有更為簡單囤攀、剛度高、動態(tài)性能更好等一系列優(yōu)點宫纬，世界范圍內(nèi)大概有二焚挠、三十家在從事這方面的研發(fā)，中國機床工具業(yè)也有七漓骚、八個團隊在進行研發(fā)工作挖毅。
并聯(lián)機床的研究進程
并聯(lián)機床(Parallel Kinematic Machine，簡稱PKM)又稱為虛擬軸機床或并聯(lián)機器人衬咐，是機器人技術(shù)與機床技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的高科技產(chǎn)品倡搞，具有高精度、高剛性晨偿、高速度哥峡、高加速度、高柔性诊踢、高靈活性惋蛉、推力大、重量輕等優(yōu)異性能脸鸿。1994年美國Ingersoll公司和G&L公司首次在IMTS上展出了并聯(lián)機床鹅但。自其在IMTS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显艘。這種新型機床完全打破了傳統(tǒng)機床結(jié)構(gòu)的概念协熙，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)動炭庙，大大提高了機床的剛度饲窿，使加工精度和加工質(zhì)量都有較大的改進。
另外焕蹄，由于其進給速度的提高免绿，從而使高速、超高速加工更容易實現(xiàn)擦盾。由于這種機床具有高剛度嘲驾、高承載能力、機械結(jié)構(gòu)簡單迹卢、制造成本低辽故、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)用腐碱，因此受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注誊垢。由并聯(lián)、串聯(lián)同時組成的混聯(lián)式數(shù)控機床症见，不但具有并聯(lián)機床的優(yōu)點喂走，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)展的瓶頸兵故，而并聯(lián)式平臺便成為最佳的候選對象帮色。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)點折甸。
- 結(jié)構(gòu)簡單瑟哺、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，主要由滾珠絲杠闷邑、虎克鉸弹梁、球鉸、伺服電機等通用組件組成峦拥，這些通用組件可由專門廠家生產(chǎn)动院，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，容易組裝和搬運歧坚。
- 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)點芽堪，其結(jié)構(gòu)負荷流線短，而負荷分解的拉嘱悄、壓力由六只連桿同時承受隅本，以材料力學(xué)的觀點來說，在外力一定時兼呵，懸臂量的應(yīng)力與變形都最大兔辅，兩端插入(build-in)次之，再來是兩端簡支撐(simply-supported)击喂，其次是受壓的二力結(jié)構(gòu)维苔，應(yīng)力與變形都最小的是受張力的二力結(jié)構(gòu)，故其擁有高剛性懂昂。其剛度重量比高于傳統(tǒng)的數(shù)控機床介时。
- 加工速度高，慣性低
- 如果結(jié)構(gòu)所承受的力會改變方向凌彬，(介于張力與壓力之間)沸柔，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)動铲敛，因此機器很容易高速化褐澎，且擁有低慣性。
- 加工精度高
- 由于其為多軸并聯(lián)機構(gòu)組成伐蒋，六個可伸縮桿桿長都單獨對刀具的位置和姿態(tài)起作用工三，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)曲苛；其擁有熱對稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計舍娜，因此熱變形較腥饰帧；故它具有高精度的優(yōu)點谨敏。
- 多功能靈活性強赡析。
- 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)計成專用機床烫王，同時也可以將之開發(fā)成通用機床上绅，用以實現(xiàn)銑削崇审、鏜削靠鸦、磨削等加工，還可以配備必要的測量工具把它組成測量機任汪，以實現(xiàn)機床的多功能苔巍。這將會帶來很大的應(yīng)用和巿場前景，在國防和民用方面都有著十分廣闊的應(yīng)用前景枷窿。
- 使用壽命長避归。
- 由于受力結(jié)構(gòu)合理，運動部件磨損小管呵，且沒有導(dǎo)軌梳毙，不存在鐵屑或冷卻液進入導(dǎo)軌內(nèi)部而導(dǎo)致其劃傷、磨損或銹蝕現(xiàn)象捐下。Stewart平臺適合于模塊化生產(chǎn)账锹。對于不同的機器加工范圍，只需改變連桿長度和接點位置坷襟，維護也容易奸柬，無須進行機件的再制和調(diào)整，只需將新的機構(gòu)參數(shù)輸入婴程。
- 變換座標(biāo)系方便
- 由于沒有實體座標(biāo)系廓奕，機床座標(biāo)系與工件座標(biāo)系的轉(zhuǎn)換全部靠軟件完成，非常方便档叔。Stewart平臺應(yīng)用于機床與機器人時桌粉，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)衙四。而Stewart平臺的劣勢在于其工作空間較小铃肯，且其在工作空間上有著奇異點的限制，而串聯(lián)工作平臺牲羊，控制器遇到奇異點時磅芬，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，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蛮血，無法完成固定負載對象着癞。
并聯(lián)機床的國內(nèi)外研究成果
1997年歐洲國際機床展覽會(EMO'97)上已有美好员、英、德等國廠商展出了10余臺并聯(lián)機床役霍。歐洲“創(chuàng)新制造計劃(IMI)”聯(lián)盟將并聯(lián)機床納入名為“航空制造快速反應(yīng)”的研究計劃之中略尘。日本也有10多家公司和研究機構(gòu)在研制和生產(chǎn)并聯(lián)機床。在1997年召開的第47屆國際機械加工技術(shù)科學(xué)研究會(CIRP)年會上磷尊，機床設(shè)計委員會(MTC)將并聯(lián)機床列為1998年大會的主題報告內(nèi)容怯漾。2002年4月在德國召開的并聯(lián)機床專題國際研討會(PKS'2002)上，各國專家學(xué)者發(fā)表了有關(guān)并聯(lián)機床的最新研究成果豹女。目前摹削，國際學(xué)術(shù)界和工程界高度重視并聯(lián)機床的研究與開發(fā)，對這種新型數(shù)控加工裝備的應(yīng)用前景和巿場潛力非常樂觀拷肌，紛紛投入大量人力物力競相開發(fā)到旦，相繼推出了幾種結(jié)構(gòu)相似而名稱各異的原型樣機。
并聯(lián)機床的研究始自1965年Stewart提出著名的Stewart平臺機構(gòu)巨缘，從此開始了基于Stewart并聯(lián)機構(gòu)的虛擬機床研究添忘。但開始，人們還只是對這種機構(gòu)停留在理論分析上若锁。1994年搁骑，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)三年的全球跟進浪潮后又固，在世界范圍內(nèi)已逐漸降溫仲器。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)解決口予。目前娄周，國內(nèi)外有許多公司和研究單位在研究虛擬軸機床。中國的并聯(lián)機床研究起步較晚沪停，但成果顯著煤辨。
其中清華大學(xué)是國內(nèi)最早開始進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)域進行了深入研究盒止，并于1997年12月25日與天津大學(xué)合作侥锨，共同開發(fā)出中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)方面達到了國際先進水平扑跌，其中部分理論成果屬國際首創(chuàng)扇殃。
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)問世创皿，并于2001年在CIMT上展出投戴，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虛擬軸機床爸蝠，可實現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控加工梢跳、裝配和測量多種功能砍毡，更能滿足復(fù)雜特種零件的加工，其綜合指標(biāo)達到了國際先進水平仲峡。與江東機床廠聯(lián)合開發(fā)的一臺龍門式虛擬軸機床聂袱，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)動酵逾。與大連機床廠聯(lián)合研制的DCB-510五軸聯(lián)動串并聯(lián)機床欠捶，能夠通過并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)X、Y和Z方向的移動尝盼，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)動吞滞。
另外由天津大學(xué)設(shè)計并與天津巿第一機床廠聯(lián)合研制的并聯(lián)機床也獲得成功并達到實用化水平。哈工大與齊齊哈爾第二機床企業(yè)集團聯(lián)合研制了BJ-1并聯(lián)機床东涡。東北大學(xué)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冯吓。
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)式六自由度機床倘待，是由傳統(tǒng)并聯(lián)機床發(fā)展而來的疮跑，在保持原并聯(lián)機構(gòu)的諸多優(yōu)點，如高剛度凸舵，高精度和高的運動速度外祖娘，用變異機構(gòu)擴大了機床的運動范圍。
國外啊奄，瑞典Neos Robotics公司由于采用了并聯(lián)加串聯(lián)的方案渐苏，從低層次應(yīng)用做起，逐步積累經(jīng)驗和財力菇夸，向高層次應(yīng)用發(fā)展琼富，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)品早已進入實用泻漏。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翎噩，其主要技術(shù)參數(shù)為：工作臺：630×630，X哆念，Y治弯，Z行程均為630mm，兩個轉(zhuǎn)動自由度范圍為30°桨拉，主軸最高速度為3000r/min凡盔，功率為16kW，腿的最大進給速度為30m/min涎捆，加速度為10m/s幅瑞。
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灯葡、Z軸運動蒙便，而刀具在下不動叭痰，可回轉(zhuǎn)換刀，但不作任何直線運動的立式車床尼可，中國習(xí)稱為“倒立車”)斥滤。它具有如下優(yōu)點：①外形緊湊。車床不象加工中心勉盅，工件相對刀具的移動范圍較小佑颇，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)草娜，現(xiàn)用三桿幾何機構(gòu)挑胸，可以獲得X、Y宰闰、Z三個自由度茬贵，冗余的一個自由度可用作自由上下料用。另外移袍，為了增加剛度解藻，Index采用兩根桿起一根桿作用的雙桿機構(gòu)，與中國天津第一機床總廠結(jié)構(gòu)類似葡盗。
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)塔銑床螟左。這可將低價的普通銑床升級為5軸聯(lián)動銑床。瑞士技術(shù)院(ETH)觅够、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虛擬軸機床胶背。迄今為止，我們了解的虛擬軸并聯(lián)機床有二自由度尽由、三自由度爹蒋、法面三自由度、純移動三自由度四自由度野戏、對稱五自由度和六自由度等類型遵非。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。
并聯(lián)機床的研究方向
研究并聯(lián)機床自由度計算陋抵、運動副類型焚怨、支鉸類型以及運動學(xué)分析、建模與仿真等問題撼柳。并聯(lián)機床運動空間的研究包括運動空間分析及仿真铺描、可達工作空間求解(如數(shù)值求解法、球坐標(biāo)搜索法等)促壕、機床干涉計算及位置分析等蟆导。
并聯(lián)機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括很多內(nèi)容，如機床的總體布局眷滤、安全機構(gòu)設(shè)計蜕煌、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(包括數(shù)控平臺建造派阱、數(shù)控系統(tǒng)編程、數(shù)控加工過程仿真等)斜纪、并聯(lián)機床剛度贫母、精度、柔度盒刚、靈巧度的研究腺劣。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因块，但這個特性引起的耦合問題橘原，相對的形成在動力分析上很大的困擾，因此對其研究應(yīng)予以足夠的重視涡上。
關(guān)于并聯(lián)機床精度的研究仍是國際難題趾断，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、系統(tǒng)輸出精度研究及機床制造后輸出數(shù)據(jù)處理和精度評價吩愧。并聯(lián)機床柔度的研究包括柔度分析芋酌、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)及其分布等拷拥。并聯(lián)機床誤差研究包括誤差分析众桨、建模及誤差精度保證、測量系統(tǒng)設(shè)計等問題祸遮。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朦盲，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)機床兩大類木锈。
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)结款；③動平臺模塊肪才；④機架模塊；⑤定位模塊昼薯；⑥驅(qū)動模塊网访；⑦控制和顯示模塊；⑧潤滑與冷卻模塊彪珠。新型虛擬軸數(shù)控機床的研究质法。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)計算與推理浸船。目前對于Stewart平臺的理論研究已取得一些關(guān)鍵結(jié)論妄迁，還需進一步研究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)李命。并聯(lián)機床控制的研究包括高速登淘、高精度的控制算法箫老，刀具運動軌跡的直接控制、開放式數(shù)控系統(tǒng)等黔州。虛擬軸機床的最大特點是機械結(jié)構(gòu)簡單而控制復(fù)雜耍鬓，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。
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