并聯機床的特點、研究現狀及其展望

并聯機床是基于空間并聯機構Stewart平臺原理開發的，是近年才出現的一種新概念機床，它是并聯機器人機構與機床結合的產物，是空間機構學、機械制造、數控技術、計算機軟硬技術和CAD/CAM技術高度結合的高科技產品。它克服了傳統機床串聯機構刀具只能沿固定導軌進給、刀具作業自由度偏低、設備加工靈活性和機動性不夠等固有缺陷，可實現多坐標聯動數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復雜特種零件的加工。

    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”，成為機床家族中最有生命力的新成員。1 并聯機床的特點整體而言，傳統的串聯機構機床，是屬于數學簡單而機構復雜的機床，而相對的，并聯機構機床則機構簡單而數學復雜，整個平臺的運動牽涉到相當龐大的數學運算，因此虛擬軸并聯機床是一種知識密集型機構。這種新型機床完全打破了傳統機床結構的概念，拋棄了固定導軌的刀具導向方式，采用了多桿并聯機構驅動，大大提高了機床的剛度，使加工精度和加工質量都有較大的改進。

    另外，由于其進給速度的提高，從而使高速、超高速加工更容易實現。由于這種機床具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度以及重量輕、機械結構簡單、制造成本低、標準化程度高等優點，在許多領域都得到了成功的應用，因此受到學術界的廣泛關注。由并聯、串聯同時組成的混聯式數控機床，不但具有并聯機床的優點，而且在使用上更具實用價值。

    隨著高速切削的不斷發展，傳統串聯式機構構造平臺的結構剛性與移動臺高速化逐漸成為技術發展的瓶頸，而并聯式平臺便成為最佳的候選對象，而相對于串聯式機床來說，并聯式工作平臺具有如下特點和優點：結構簡單、價格低。 機床機械零部件數目較串聯構造平臺大幅減少，主要由滾珠絲杠、虎克鉸、球鉸、伺服電機等通用組件組成，這些通用組件可由專門廠家生產，因而本機床的制造和庫存成本比相同功能的傳統機床低得多，容易組裝和搬運。結構剛度高。

    由于采用了封閉性的結構(closed-loop structure)使其具有高剛性和高速化的優點，其結構負荷流線短，而負荷分解的拉、壓力由六只連桿同時承受，以材料力學的觀點來說，在外力一定時，懸臂量的應力與變形都最大，兩端插入(build-in)次之，再來是兩端簡支撐(simply-supported)，其次是受壓的二力結構，應力與變形都最小的是受張力的二力結構，故其擁有高剛性。其剛度重量比高于傳統的數控機床。加工速度高，慣性低。 

    如果結構所承受的力會改變方向，(介于張力與壓力之間)，兩力構件將會是最節省材料的結構，而它的移動件重量減至最低且同時由六個致動器驅動，因此機器很容易高速化，且擁有低慣性。加工精度高。 由于其為多軸并聯機構組成，六個可伸縮桿桿長都單獨對刀具的位置和姿態起作用，因而不存在傳統機床(即串聯機床)的幾何誤差累積和放大的現象，甚至還有平均化效果(averaging effect)；其擁有熱對稱性結構設計，因此熱變形較小；故它具有高精度的優點。多功能靈活性強。 

    由于該機床機構簡單控制方便，較容易根據加工對象而將其設計成專用機床，同時也可以將之開發成通用機床，用以實現銑削、鏜削、磨削等加工，還可以配備必要的測量工具把它組成測量機，以實現機床的多功能。這將會帶來很大的應用和市場前景，在國防和民用方面都有著十分廣闊的應用前景。使用壽命長。 

    由于受力結構合理，運動部件磨損小，且沒有導軌，不存在鐵屑或冷卻液進入導軌內部而導致其劃傷、磨損或銹蝕現象。Stewart平臺適合于模塊化生產。 對于不同的機器加工范圍，只需改變連桿長度和接點位置，維護也容易，無須進行機件的再制和調整，只需將新的機構參數輸入。變換座標系方便。 

    由于沒有實體座標系，機床座標系與工件座標系的轉換全部靠軟件完成，非常方便。Stewart平臺應用于機床與機器人時，可以降低靜態誤差(因為高剛性)，以及動態誤差(因為低慣量)。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，而串聯工作平臺，控制器遇到奇異點時，將會計算出驅動裝置無法達成的驅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，無法完成固定負載對象。

    DCB510并聯機床2 并聯機床的研究現狀自從1965年Stewart提出著名的Stewart平臺機構，從此開始了基于Stewart并聯機構的虛擬機床研究。但開始，人們還只是對這種機構停留在理論分析上。1994年，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6條腿機床(又稱并聯機床)，在經過隨后持續三年的全球跟進浪潮后，在世界范圍內已逐漸降溫。這是因為并聯機床在理論和實踐上有一系列的難題，難以在短期內解決。目前，國內外有許多公司和研究單位在研究虛擬軸機床。我國的并聯機床研究起步較晚，但成果顯著。

    其中清華大學是國內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領域進行了深入研究，并于1997年12月25日與天津大學合作，共同開發出我國第一臺大型鏜銑類虛擬軸機床原型樣機-VAMT1Y。在虛擬軸機床設計理論與樣機建造等關鍵技術方面達到了國際先進水平，其中部分理論成果屬國際首創。目前正在進行虛擬軸機床系列化、實用化的研究，與多家機床骨干廠家進行了新型虛擬軸機床商品化樣機的研制工作，以期實現虛擬軸機床的產業化。

    其中與昆明機床股份有限公司、江東機床廠和大連機床廠聯合研制的三種不同構型的機床已經問世，并與2001年在CIMT上展出，有望在近期實現商品化。與昆明機床股份有限公司共同研制的XNZ63虛擬軸機床，可實現多坐標聯動數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復雜特種零件的加工，其綜合指標達到了國際先進水平。與江東機床廠聯合開發的一臺龍門式虛擬軸機床，結構采用雙柱龍門工作臺移動式，可完成4坐標聯動。與大連機床廠聯合研制的DCB-510五軸聯動串并聯機床，能夠通過并聯機構實現X、Y和Z方向的移動，采用傳統的串聯方式實現主軸頭的A和C方向的轉動。

    另外由天津大學設計并與天津市第一機床廠聯合研制的并聯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集團聯合研制的BJ-1并聯機床，現有機型技術參數為：①加工范圍：f400×250；②主軸轉速：0～8000 r/min；③電主軸功率：9kW；④桿系伺服電機功率：0.75kW；⑤重復性精度：0.002mm(靜態)；⑥定位精度：0.015mm；⑦體積：1800×1500×2300；⑧數控系統：研華工控機+六軸聯動卡。東北大學最新研制的DSX5-70型三桿虛擬軸機床是由三自由度的并聯機構和兩自由度的串聯機構混聯組成的五自由度虛擬軸機床。其中，兩自由度串聯機構置于運動平臺上，整個機構通過三桿的伸縮和兩驅動軸可實現五軸聯動，用以完成多種作業任務。

    由國防科技大學和香港科技大學聯合研制的銀河——2000虛擬軸機床是一種并聯式六自由度機床，是由傳統并聯機床發展而來的，在保持原并聯機構的諸多優點，如高剛度，高精度和高的運動速度外，用變異機構擴大了機床的運動范圍。瑞典Neos Robotics公司由于采用了并聯加串聯的方案，從低層次應用做起，逐步積累經驗和財力，向高層次應用發展，以及采用了三桿中央的中心管等正確的措施，其并聯機床產品早已進入實用，至今已創200余臺的驚世銷售業績。該公司展出的Tricept845加工中心，其體積定位精度達到±50µm，重復定位精度達±10µm，這兩個指標距離傳統機床雖還有較大的差距，但對并聯機床已屬重大的突破，具有實用價值。其進給速度已達90m/min，加速度已達2g，主軸功率為30～45kW，24,000～30,000r/min，采用瑞士IBAG公司電主軸、Siemens840D數控系統和Heidenhain的測量系統。該加工中心采用模塊化結構。三桿結構組件有0°、45°、90°三種布局可任選(即分別組成臥式、傾斜45°和立式加工中心)。德國Fraunhofer機床和成型技術研究所開發的6x型機床適于模具的高速加工，其主要技術參數為：工作臺：630×630，X，Y ，Z行程均為630mm，兩個轉動自由度范圍為30°，主軸最高速度為3000r/min，功率為16kW，腿的最大進給速度為30m/min，加速度為10m/s。

    德國Index的美國分公司將并聯機床用于車床，生產出了V100型三桿并聯機構的“倒立車”(即主軸和工件在上作X、Z軸運動，而刀具在下不動，可回轉換刀，但不作任何直線運動的立式車床，我國習稱為“倒立車”)。它具有如下優點：①外形緊湊。車床不象加工中心，工件相對刀具的移動范圍較小，克服了并聯機構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)，現用三桿幾何機構，可以獲得X、Y、Z三個自由度，冗余的一個自由度可用作自由上下料用。另外，為了增加剛度，Index采用兩根桿起一根桿作用的雙桿機構，與我國天津第一機床總廠結構類似。V100安裝5英寸卡盤，其主要技術參數為：電主軸轉速為8000r/min，功率為26.48kW。X、Y、Z行程分別為1450mm、150mm、175mm，可自動上下料。

    美國Hexel公司將6桿并聯結構作成獨立部件應用于轉塔銑床。這可將低價的普通銑床升級為5軸聯動銑床。其主要技術參數為：工作臺直徑710mm，X、Y行程范圍為直徑305mm 的圓，Z軸178mm，A軸±25µm，最大進給速度為5.1m/min，重91kg。瑞士技術院(ETH)、機床與制造技術院(IWF)和機器人院(IFR)也聯合研制出了名為IWF的Hexaglide虛擬軸機床。迄今為止，我們了解的虛擬軸并聯機床有二自由度、三自由度、法面三自由度、純移動三自由度四自由度、對稱五自由度和六自由度等類型。虛擬軸數控并聯機床多用于虛擬軸六自由度數控機床。3 并聯機床的研究方向并聯機床組成原理的研究。 

    研究并聯機床自由度計算、運動副類型、支鉸類型以及運動學分析、建模與仿真等問題。并聯機床運動空間的研究。 包括運動空間分析及仿真、可達工作空間求解(如數值求解法、球坐標搜索法等)、機床干涉計算及位置分析等。并聯機床結構設計的研究。 

    并聯機床的結構設計包括很多內容，如機床的總體布局、安全機構設計、數控系統設計(包括數控平臺建造、數控系統編程、數控加工過程仿真等)。并聯機床剛度、精度、柔度、靈巧度的研究。并聯機構封閉回路的特性，使并聯機床較傳統串聯結構機床具有更高的剛度，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，因此對其研究應予以足夠的重視。

    關于并聯機床精度的研究仍是國際難題，包括機床系統硬件研究(及機床制造前精度設計和精度描述)和系統輸出精度研究(及機床制造后輸出數據處理和精度評價)。并聯機床柔度的研究包括柔度分析、柔度評價指標及其在工作空間內的分布等方面。靈巧度主要研究靈巧度指標及其分布等。并聯機床誤差研究。 包括誤差分析、建模及誤差精度保證、測量系統設計等問題。并聯機床模塊設計與創建。 根據工件加工的空間型和平面型，相應地把并聯機床分為空間型并聯機床和平面型并聯機床兩大類。

    并聯機床按功能和結構可分為以下幾個功能模塊：①執行模塊；②機座模塊(靜平臺模塊)；③動平臺模塊；④機架模塊；⑤定位模塊；⑥驅動模塊；⑦控制和顯示模塊；⑧潤滑與冷卻模塊。新型虛擬軸數控機床的研究。 虛擬軸數控機床是“要用數學制造的機床”。因為這種機床的設計與運行要用到非常復雜的數學計算與推理。目前對于Stewart平臺的理論研究已取得一些關鍵結論，還需進一步研究Stewart平臺的綜合分析，為虛擬軸數控機床的研制提供理論基礎。并聯機床控制的研究。 包括高速、高精度的控制算法，刀具運動軌跡的直接控制、開放式數控系統等。虛擬軸機床的最大特點是機械結構簡單而控制復雜，因此這方面的研究在并聯機床的研究中具有舉足輕重的作用。