并聯(lián)機床的特點、研究現(xiàn)狀及展望

并聯(lián)機床是空間機構(gòu)學、機械制造、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。本文介紹了它的特點和研究現(xiàn)狀，并總結(jié)出了并聯(lián)機床的八個研究方向。

并聯(lián)機床(Parallel Machine Tools)，又稱并聯(lián)結(jié)構(gòu)機床(Parallel Structured Machine Tools)、虛擬軸機床(Virtual Axis Machine Tools)，也曾被稱為六條腿機床、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，是近年才出現(xiàn)的一種新概念機床，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、機械制造、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。它克服了傳統(tǒng)機床串聯(lián)機構(gòu)刀具只能沿固定導軌進給、刀具作業(yè)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(xiàn)多坐標聯(lián)動數(shù)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(lián)機床的特點

整體而言，傳統(tǒng)的串聯(lián)機構(gòu)機床，是屬于數(shù)學簡單而機構(gòu)復雜的機床，而相對的，并聯(lián)機構(gòu)機床則機構(gòu)簡單而數(shù)學復雜，整個平臺的運動牽涉到相當龐大的數(shù)學運算，因此虛擬軸并聯(lián)機床是一種知識密集型機構(gòu)。這種新型機床完全打破了傳統(tǒng)機床結(jié)構(gòu)的概念，拋棄了固定導軌的刀具導向方式，采用了多桿并聯(lián)機構(gòu)驅(qū)動，大大提高了機床的剛度，使加工精度和加工質(zhì)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(xiàn)。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(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、標準化程度高等優(yōu)點，在許多領域都得到了成功的應用，因此受到學術(shù)界的廣泛關注。由并聯(lián)、串聯(lián)同時組成的混聯(lián)式數(shù)控機床，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。


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，而并聯(lián)式平臺便成為最佳的候選對象，而相對于串聯(lián)式機床來說，并聯(lián)式工作平臺具有如下特點和優(yōu)點：

(1) 結(jié)構(gòu)簡單、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、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(chǎn)，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。

(2) 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，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，應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。其剛度重量比高于傳統(tǒng)的數(shù)控機床。

(3) 加工速度高，慣性低

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)，而它的移動件重量減至最低且同時由六個致動器驅(qū)動，因此機器很容易高速化，且擁有低慣性。

(4) 加工精度高

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，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)；其擁有熱對稱性結(jié)構(gòu)設計，因此熱變形較�。还仕�具有高精度的��(yōu)點。

(5) 多功能靈活性強


由于該機床機構(gòu)簡單控制方便，較容易根據(jù)加工對象而將其設計成專用機床，同時也可以將之開發(fā)成通用機床，用以實現(xiàn)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(xiàn)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。

(6) 使用壽命長

由于受力結(jié)構(gòu)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(nèi)部而導致其劃傷、磨損或銹蝕現(xiàn)象。

(7) Stewart平臺適合于模塊化生產(chǎn)

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(diào)整，只需將新的機構(gòu)參數(shù)輸入。

(8) 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(zhuǎn)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(tài)誤差(因為高剛性)，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，且其在工作空間上有著奇異點的限制，而串聯(lián)工作平臺，控制器遇到奇異點時，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，無法完成固定負載對象。