并聯(lián)機(jī)床（Parallel Machine Tools），又稱并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床(Parallel Structured Machine Tools)、虛擬軸機(jī)床(Virtual Axis Machine Tools)押赋，也曾被稱為六條腿機(jī)床、六足蟲(Hexapods)若又。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)的仙冕，是近年才出現(xiàn)的一種新概念機(jī)床，它是并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)與機(jī)床結(jié)合的產(chǎn)物秩彤，是空間機(jī)構(gòu)學(xué)叔扼、機(jī)械制造、數(shù)控技術(shù)漫雷、計算機(jī)軟硬技術(shù)和CAD/CAM技術(shù)高度結(jié)合的高科技產(chǎn)品瓜富。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)自由度偏低降盹、設(shè)備加工靈活性和機(jī)動性不夠等固有缺陷与柑，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蓄坏，更能滿足復(fù)雜特種零件的加工价捧。

自其1994年在美國芝加哥機(jī)床展上首次面世即被譽為是“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涡戳。

1．并聯(lián)機(jī)床的特點

整體而言结蟋，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)床渔彰，而相對的嵌屎，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，整個平臺的運動牽涉到相當(dāng)龐大的數(shù)學(xué)運算胯挚，因此虛擬軸并聯(lián)機(jī)床是一種知識密集型機(jī)構(gòu)咒舰。這種新型機(jī)床完全打破了傳統(tǒng)機(jī)床結(jié)構(gòu)的概念蘸暮，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(jī)構(gòu)驅(qū)動埂帜，大大提高了機(jī)床的剛度懊据，使加工精度和加工質(zhì)量都有較大的改進(jìn)。

另外跑科，由于其進(jìn)給速度的提高接纽，從而使高速、超高速加工更容易實現(xiàn)贝渣。由于這種機(jī)床具有高剛度阶铝、高承載能力、高速度确告、高精度以及重量輕惊也、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低遇患、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點统台，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)注啡邑。由并聯(lián)贱勃、串聯(lián)同時組成的混聯(lián)式數(shù)控機(jī)床，不但具有并聯(lián)機(jī)床的優(yōu)點谤逼，而且在使用上更具實用價值贵扰。

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)展的瓶頸流部，而并聯(lián)式平臺便成為最佳的候選對象戚绕，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和優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單枝冀、價格低舞丛；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，主要由滾珠絲杠宾茂、虎克鉸、球鉸拴还、伺服電機(jī)等通用組件組成跨晴，這些通用組件可由專門廠家生產(chǎn)，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)床低得多症影，容易組裝和搬運曹是。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)點垦亲，其結(jié)構(gòu)負(fù)荷流線短房睁，而負(fù)荷分解的拉脑播、壓力由六只連桿同時承受，以材料力學(xué)的觀點來說侈吨，在外力一定時冗级，懸臂量的應(yīng)力與變形都最大，兩端插入（build-in）次之均膛，再來是兩端簡支撐（simply-supported）咸耍，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)服英，故其擁有高剛性努儒。其剛度重量比高于傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床。加工速度高探橱，慣性低申屹。

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)隧膏，而它的移動件重量減至最低且同時由六個致動器驅(qū)動哗讥，因此機(jī)器很容易高速化，且擁有低慣性私植。加工精度高忌栅。由于其為多軸并聯(lián)機(jī)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)起作用曲稼，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)象索绪，甚至還有平均化效果(averaging effect)。其擁有熱對稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計贫悄，因此熱變形較小瑞驱，故它具有高精度的優(yōu)點，多功能靈活性強(qiáng)窄坦。

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

由于受力結(jié)構(gòu)合理夕荆，運動部件磨損小哈滥，且沒有導(dǎo)軌糊扑，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)象喷总。Stewart平臺適合于模塊化生產(chǎn)樟闽。對于不同的機(jī)器加工范圍，只需改變連桿長度和接點位置洽腊，維護(hù)也容易褒醒，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)輸入池摧。變換座標(biāo)系方便焦除。

由于沒有實體座標(biāo)系，機(jī)床座標(biāo)系與工件座標(biāo)系的轉(zhuǎn)換全部靠軟件完成作彤，非常方便膘魄。Stewart平臺應(yīng)用于機(jī)床與機(jī)器人時，可以降低靜態(tài)誤差（因為高剛性）竭讳，以及動態(tài)誤差（因為低慣量）创葡。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绢慢，而串聯(lián)工作平臺灿渴，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胰舆，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骚露，無法完成固定負(fù)載對象。

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)缚窿，從此開始了基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的虛擬機(jī)床研究棘幸。但開始，人們還只是對這種機(jī)構(gòu)停留在理論分析上妨舟。1994年问乌，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)，在經(jīng)過隨后持續(xù)三年的全球跟進(jìn)浪潮后邦叶，在世界范圍內(nèi)已逐漸降溫寂齐。這是因為并聯(lián)機(jī)床在理論和實踐上有一系列的難題，難以在短期內(nèi)解決尺笼。目前肃逐，國內(nèi)外有許多公司和研究單位在研究虛擬軸機(jī)床。我國的并聯(lián)機(jī)床研究起步較晚宇颊，但成果顯著撬替。

清華大學(xué)是國內(nèi)最早開始進(jìn)行虛擬軸機(jī)床研究的單位之一唾姊，對虛擬軸機(jī)床以及多個相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究传悍，并于1997年12月25日與天津大學(xué)合作梦柬，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。在虛擬軸機(jī)床設(shè)計理論與樣機(jī)建造等關(guān)鍵技術(shù)方面達(dá)到了國際先進(jìn)水平幻狈，其中部分理論成果屬國際首創(chuàng)磺送。目前正在進(jìn)行虛擬軸機(jī)床系列化、實用化的研究灿意，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)的研制工作估灿，以期實現(xiàn)虛擬軸機(jī)床的產(chǎn)業(yè)化。

昆明機(jī)床股份有限公司缤剧、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)問世馅袁，并于2001年在CIMT上展出，有望在近期實現(xiàn)商品化荒辕。與昆明機(jī)床股份有限公司共同研制的XNZ63虛擬軸機(jī)床汗销，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抵窒，更能滿足復(fù)雜特種零件的加工弛针，其綜合指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。與江東機(jī)床廠聯(lián)合開發(fā)的一臺龍門式虛擬軸機(jī)床李皇，結(jié)構(gòu)采用雙柱龍門工作臺移動式削茁，可完成4坐標(biāo)聯(lián)動。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)床掉房，能夠通過并聯(lián)機(jī)構(gòu)實現(xiàn)X茧跋、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)動鼠废。

另外由天津大學(xué)設(shè)計并與天津市第一機(jī)床廠聯(lián)合研制的并聯(lián)機(jī)床也獲得成功并達(dá)到實用化水平帜焰。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，現(xiàn)有機(jī)型技術(shù)參數(shù)為：①加工范圍：f400×250络蜘；②主軸轉(zhuǎn)速：0～8000r/min味爷；③電主軸功率：9kW；④桿系伺服電機(jī)功率：0.75kW与沪；⑤重復(fù)性精度：0.002mm（靜態(tài)）嫩属；⑥定位精度：0.015mm；⑦體積：1800×1500×2300陨柴；⑧數(shù)控系統(tǒng)：研華工控機(jī)+六軸聯(lián)動卡瞄惑。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。其中苞番，兩自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)置于運動平臺上漓楣，整個機(jī)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)锭化。

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)床链患，是由傳統(tǒng)并聯(lián)機(jī)床發(fā)展而來的巧鸭，在保持原并聯(lián)機(jī)構(gòu)的諸多優(yōu)點，如高剛度麻捻，高精度和高的運動速度外纲仍，用變異機(jī)構(gòu)擴(kuò)大了機(jī)床的運動范圍。瑞典Neos Robotics公司由于采用了并聯(lián)加串聯(lián)的方案贸毕，從低層次應(yīng)用做起郑叠，逐步積累經(jīng)驗和財力，向高層次應(yīng)用發(fā)展明棍，以及采用了三桿中央的中心管等正確的措施乡革，其并聯(lián)機(jī)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)績摊腋。該公司展出的Tricept845加工中心署拟，其體積定位精度達(dá)到±50μ；m歌豺，重復(fù)定位精度達(dá)±10μ推穷；m，這兩個指標(biāo)距離傳統(tǒng)機(jī)床雖還有較大的差距宁路，但對并聯(lián)機(jī)床已屬重大的突破酵抚，具有實用價值。其進(jìn)給速度已達(dá)90m/min猩肪，加速度已達(dá)2g遣睦，主軸功率為30～45kW，24,000～30,000r/min旷糟，采用瑞士IBAG公司電主軸芜醉、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)巾鹰。三桿結(jié)構(gòu)組件有0°屠睡、45°、90°三種布局可任選（即分別組成臥式其摘、傾斜45°和立式加工中心）受二。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均天，X画鉴，Y，Z行程均為630mm恢着，兩個轉(zhuǎn)動自由度范圍為30°桐愉，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从诲，加速度為10m/s狈究。

德國Index的美國分公司將并聯(lián)機(jī)床用于車床，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盏求、Z軸運動，而刀具在下不動亿眠，可回轉(zhuǎn)換刀碎罚，但不作任何直線運動的立式車床，我國習(xí)稱為“倒立車”）纳像。它具有如下優(yōu)點：①外形緊湊荆烈。車床不象加工中心，工件相對刀具的移動范圍較小竟趾，克服了并聯(lián)機(jī)構(gòu)空間有效利用率低的弱點憔购。②車床一般只需兩個自由度（X和Z軸），現(xiàn)用三桿幾何機(jī)構(gòu)回象，可以獲得X罚琅、Y、Z三個自由度东呻，冗余的一個自由度可用作自由上下料用南谈。另外，為了增加剛度草吠，Index采用兩根桿起一根桿作用的雙桿機(jī)構(gòu)国谬，與我國天津第一機(jī)床總廠結(jié)構(gòu)類似。V100安裝5英寸卡盤燎隅，其主要技術(shù)參數(shù)為：電主軸轉(zhuǎn)速為8000r/min程堤，功率為26.48kW，X扁奔、Y谍线、Z行程分別為1450mm、150mm暖谚、175mm拉氧，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)塔銑床舶得。這可將低價的普通銑床升級為5軸聯(lián)動銑床掰烟。其主要技術(shù)參數(shù)為：工作臺直徑710mm，X沐批、Y行程范圍為直徑305mm 的圓纫骑，Z軸178mm，A軸±25μ；m先馆，最大進(jìn)給速度為5.1m/min发框，重91kg。瑞士技術(shù)院（ETH）煤墙、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)床梅惯。迄今為止，我們了解的虛擬軸并聯(lián)機(jī)床有二自由度仿野、三自由度铣减、法面三自由度、純移動三自由度四自由度脚作、對稱五自由度和六自由度等類型葫哗。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

研究并聯(lián)機(jī)床自由度計算卓瞻、運動副類型笤吵、支鉸類型以及運動學(xué)分析、建模與仿真等問題更扰。并聯(lián)機(jī)床運動空間的研究包括運動空間分析及仿真叹倒、可達(dá)工作空間求解（如數(shù)值求解法、球坐標(biāo)搜索法等）装呢、機(jī)床干涉計算及位置分析等唯久。

并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括很多內(nèi)容，如機(jī)床的總體布局猩禀、安全機(jī)構(gòu)設(shè)計吕罩、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計（包括數(shù)控平臺建造、數(shù)控系統(tǒng)編程躯橡、數(shù)控加工過程仿真等）等跳、并聯(lián)機(jī)床剛度、精度廉屑、柔度萌狂、靈巧度的研究。并聯(lián)機(jī)構(gòu)封閉回路的特性怀泊，使并聯(lián)機(jī)床較傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床具有更高的剛度茫藏，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霹琼，因此對其研究應(yīng)予以足夠的重視务傲。

關(guān)于并聯(lián)機(jī)床精度的研究仍是國際難題，包括機(jī)床系統(tǒng)硬件研究及機(jī)床制造前精度設(shè)計和精度描述枣申、系統(tǒng)輸出精度研究及機(jī)床制造后輸出數(shù)據(jù)處理和精度評價售葡。并聯(lián)機(jī)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)及其分布等挟伙。并聯(lián)機(jī)床誤差研究包括誤差分析楼雹、建模及誤差精度保證、測量系統(tǒng)設(shè)計等問題尖阔。并聯(lián)機(jī)床模塊設(shè)計與創(chuàng)建贮缅。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)床兩大類疫题。

并聯(lián)機(jī)床按功能和結(jié)構(gòu)可分為以下幾個功能模塊：①執(zhí)行模塊焕鲸；②機(jī)座模塊(靜平臺模塊)；③動平臺模塊跺鬼；④機(jī)架模塊；⑤定位模塊鱼练；⑥驅(qū)動模塊墩沸；⑦控制和顯示模塊；⑧潤滑與冷卻模塊响攘。新型虛擬軸數(shù)控機(jī)床的研究址嘴。虛擬軸數(shù)控機(jī)床是“要用數(shù)學(xué)制造的機(jī)床”，因為這種機(jī)床的設(shè)計與運行要用到非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算與推理千有。目前對于Stewart平臺的理論研究已取得一些關(guān)鍵結(jié)論蚀弹，還需進(jìn)一步研究Stewart平臺的綜合分析，為虛擬軸數(shù)控機(jī)床的研制提供理論基礎(chǔ)胶向。并聯(lián)機(jī)床控制的研究包括高速减叫、高精度的控制算法，刀具運動軌跡的直接控制裕坊、開放式數(shù)控系統(tǒng)等包竹。虛擬軸機(jī)床的最大特點是機(jī)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(jī)床的研究中具有舉足輕重的作用籍凝。