机床家族中最有生命力的新成员并联机床下佛山

机床家族中最有生命力的新成员---并联机床（下）

2 并联机床的研究现状图2 DCB510并联机床

自从1965年Stewart提出著名的Stewart平台机构，从此开始了基于Stewart并联机构的虚拟机床研究。但开始，人们还只是对这种机构停留在理论分析上。1994年，在美国芝加哥IMTS博览会上首次展出并引起世界轰动的并联6条腿机床(又称并联机床)，在经过随后持续三年的全球跟进浪潮后，在世界范围内已逐渐降温。这是因为并联机床在理论和实践上有一系列的难题，难以在短期内解决。

目前，国内外有许多公司和研究单位在研究虚拟轴机床。我国的并联机床研究起步较晚，但成果显著。其中清华大学是国内最早开始进行虚拟轴机床研究的单位之一，对虚拟轴机床以及多个相关领域进行了深入研究，并于1997年12月25日与天津大学合作，共同开发出我国第一台大型镗铣类虚拟轴机床原型样机-VAMT1Y。在虚拟轴机床设计理论与样机建造等关键技术方面达到了国际先进水平，其中部分理论成果属国际首创。目前正在进行虚拟轴机床系列化、实用化的研究，与多家机床骨干厂家进行了新型虚拟轴机床商品化样机的研制工作，以期实现虚拟轴机床的产业化。其中与昆明机床股份有限公司、江东机床厂和大连机床厂联合研制的三种不同构型的机床已经问世，并与2001年在CIMT上展出，有望在近期实现商品化。与昆明机床股份有限公司共同研制的XNZ63虚拟轴机床，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工，其综合指标达到了国际先进水平。与江东机床厂联合开发的一台龙门式虚拟轴机床，结构采用双柱龙门工作台移动式，可完成4坐标联动。与大连机床厂联合研制的DCB-510五轴联动串并联机床，能够通过并联机构实现X、Y和Z方向的移动，采用传统的串联方式实现主轴头的A和C方向的转动。另外由天津大学设计并与天津市第一机床厂联合研制的并联机床也获得成功并达到实用化水平。

哈工大与齐齐哈尔第二机床企业集团联合研制的BJ-1并联机床，现有机型技术参数为：①加工范围：f400×250；②主轴转速：0～8000 r/min；③电主轴功率：9kW；④杆系伺服电机功率：0.75kW；⑤重复性精度：0.002mm(静态)；⑥定位精度：0.015mm；⑦体积：1800×1500×2300；⑧数控系统：研华工控机+六轴联动卡。

东北大学最新研制的DSX5-70型三杆虚拟轴机床是由三自由度的并联机构和两自由度的串联机构混联组成的五自由度虚拟轴机床。其中，两自由度串联机构置于运动平台上，整个机构通过三杆的伸缩和两驱动轴可实现五轴联动，用以完成多种作业任务。

由国防科技大学和香港科技大学联合研制的银河——2000虚拟轴机床是一种并联式六自由度机床，是由传统并联机床发展而来的，在保持原并联机构的诸多优点，如高刚度，高精度和高的运动速度外，用变异机构扩大了机床的运动范围。瑞典Neos Robotics公司由于采用了并联加串联的方案，从低层次应用做起，逐步积累经验和财力，向高层次应用发展，以及采用了三杆中央的中心管等正确的措施，其并联机床产品早已进入实用，至今已创200余台的惊世销售业绩。该公司展出的Tricept845加工中心，其体积定位精度达到±50μm，重复定位精度达±10μm，这两个指标距离传统机床虽还有较大的差距，但对并联机床已属重大的突破，具有实用价值。其进给速度已达90m/min，加速度已达2g，主轴功率为30～45kW，24,000～30,000r/min，采用瑞士IBAG公司电主轴、Siemens840D数控系统和Heidenhain的测量系统。该加工中心采用模块化结构。三杆结构组件有0°、45°、90°三种布局可任选(即分别组成卧式、倾斜45°和立式加工中心)。德国Fraunhofer机床和成型技术研究所开发的6x型机床适于模具的高速加工，其主要技术参数为：工作台：630×630，X，Y ，Z行程均为630mm，两个转动自由度范围为30°，主轴最高速度为3000r/min，功率为16kW，腿的最大进给速度为30m/min，加速度为10m/s。

德国Index的美国分公司将并联机床用于车床，生产出了V100型三杆并联机构的“倒立车”(即主轴和工件在上作X、Z轴运动，而刀具在下不动，可回转换刀，但不作任何直线运动的立式车床，我国习称为“倒立车”)。它具有如下优点：①外形紧凑。车床不象加工中心，工件相对刀具的移动范围较小，克服了并联机构空间有效利用率低的弱点。②车床一般只需两个自由度(X和Z轴)，现用三杆几何机构，可以获得X、Y、Z三个自由度，冗余的一个自由度可用作自由上下料用。另外，为了增加刚度，Index采用两根杆起一根杆作用的双杆机构，与我国天津第一机床总厂结构类似。V100安装5英寸卡盘，其主要技术参数为：电主轴转速为8000r/min，功率为26.48kW。X、Y、Z行程分别为1450mm、150mm、175mm，可自动上下料。美国Hexel公司将6杆并联结构作成独立部件应用于转塔铣床。这可将低价的普通铣床升级为5轴联动铣床。其主要技术参数为：工作台直径710mm，X、Y行程范围为直径305mm 的圆，Z轴178mm，A轴±25μm，最大进给速度为5.1m/min，重91kg。瑞士技术院(ETH)、机床与制造技术院(IWF)和机器人院(IFR)也联合研制出了名为IWF的Hexaglide虚拟轴机床。迄今为止，我们了解的虚拟轴并联机床有二自由度、三自由度、法面三自由度、纯移动三自由度四自由度、对称五自由度和六自由度等类型。虚拟轴数控并联机床多用于虚拟轴六自由度数控机床。

3 并联机床的研究方向

(1) 并联机床组成原理的研究

研究并联机床自由度计算、运动副类型、支铰类型以及运动学分析、建模与仿真等问题。

(2) 并联机床运动空间的研究

包括运动空间分析及仿真、可达工作空间求解(如数值求解法、球坐标搜索法等)、机床干涉计算及位置分析等。

(3) 并联机床结构设计的研究

并联机床的结构设计包括很多内容，如机床的总体布局、安全机构设计、数控系统设计(包括数控平台建造、数控系统编程、数控加工过程仿真等)。

(4) 并联机床刚度、精度、柔度、灵巧度的研究

并联机构封闭回路的特性，使并联机床较传统串联结构机床具有更高的刚度，但这个特性引起的耦合问题，相对的形成在动力分析上很大的困扰，因此对其研究应予以足够的重视。关于并联机床精度的研究仍是国际难题，包括机床系统硬件研究(及机床制造前精度设计和精度描述)和系统输出精度研究(及机床制造后输出数据处理和精度评价)。并联机床柔度的研究包括柔度分析、柔度评价指标及其在工作空间内的分布等方面。灵巧度主要研究灵巧度指标及其分布等。

(5) 并联机床误差研究

包括误差分析、建模及误差精度保证、测量系统设计等问题。

(6) 并联机床模块设计与创建

根据工件加工的空间型和平面型，相应地把并联机床分为空间型并联机床和平面型并联机床两大类。并联机床按功能和结构可分为以下几个功能模块：①执行模块；②机座模块(静平台模块)；③动平台模块；④机架模块；⑤定位模块；⑥驱动模块；⑦控制和显示模块；⑧润滑与冷却模块。

(7) 新型虚拟轴数控机床的研究

虚拟轴数控机床是“要用数学制造的机床”。因为这种机床的设计与运行要用到非常复杂的数学计算与推理。目前对于Stewart平台的理论研究已取得一些关键结论，还需进一步研究Stewart平台的综合分析，为虚拟轴数控机床的研制提供理论基础。

(8) 并联机床控制的研究

包括高速、高精度的控制算法，刀具运动轨迹的直接控制、开放式数控系统等。虚拟轴机床的最大特点是机械结构简单而控制复杂，因此这方面的研究在并联机床的研究中具有举足轻重的作用。

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