并聯(lián)機(jī)床(Parallel Machine Tools)，又稱(chēng)并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床(Parallel Structured Machine Tools)、虛擬軸機(jī)床(Virtual Axis Machine Tools)，也曾被稱(chēng)為六條腿機(jī)床、六足蟲(chóng)(Hexapods)。并聯(lián)機(jī)床是基于空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)Stewart平臺(tái)原理開(kāi)發(fā)的，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，是空間機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械制造、數(shù)控技術(shù)、計(jì)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。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、設(shè)備加工靈活性和機(jī)動(dòng)性不夠等固有缺陷，可實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工、裝配和測(cè)量多種功能，更能滿(mǎn)足復(fù)雜特種零件的加工。自其1994年在美國(guó)芝加哥機(jī)床展上首次面世即被譽(yù)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。

 

圖1 并聯(lián)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)仿真模擬圖

    1 并聯(lián)機(jī)床的特點(diǎn)

    整體而言，傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床，是屬于數(shù)學(xué)簡(jiǎn)單而機(jī)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)床，而相對(duì)的，并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床則機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單而數(shù)學(xué)復(fù)雜，整個(gè)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)牽涉到相當(dāng)龐大的數(shù)學(xué)運(yùn)算，因此虛擬軸并聯(lián)機(jī)床是一種知識(shí)密集型機(jī)構(gòu)。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，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(dòng)，大大提高了機(jī)床的剛度，使加工精度和加工質(zhì)量都有較大的改進(jìn)。另外，由于其進(jìn)給速度的提高，從而使高速、超高速加工更容易實(shí)現(xiàn)。由于這種機(jī)床具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度以及重量輕、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，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。由并聯(lián)、串聯(lián)同時(shí)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(diǎn)，而且在使用上更具實(shí)用價(jià)值。

    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(tái)的結(jié)構(gòu)剛性與移動(dòng)臺(tái)高速化逐漸成為技術(shù)發(fā)展的瓶頸，而并聯(lián)式平臺(tái)便成為最佳的候選對(duì)象，而相對(duì)于串聯(lián)式機(jī)床來(lái)說(shuō)，并聯(lián)式工作平臺(tái)具有如下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：

    (1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低

    機(jī)床機(jī)械零部件數(shù)目較串聯(lián)構(gòu)造平臺(tái)大幅減少，主要由滾珠絲杠、虎克鉸、球鉸、伺服電機(jī)等通用組件組成，這些通用組件可由專(zhuān)門(mén)廠(chǎng)家生產(chǎn)，因而本機(jī)床的制造和庫(kù)存成本比相同功能的傳統(tǒng)機(jī)床低得多，容易組裝和搬運(yùn)。

    (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(diǎn)，其結(jié)構(gòu)負(fù)荷流線(xiàn)短，而負(fù)荷分解的拉、壓力由六只連桿同時(shí)承受，以材料力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，在外力一定時(shí)，懸臂量的應(yīng)力與變形都最大，兩端插入(build-in)次之，再來(lái)是兩端簡(jiǎn)支撐(simply-supported)，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)，故其擁有高剛性。其剛度重量比高于傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床。

    (3) 加工速度高，慣性低

    如果結(jié)構(gòu)所承受的力會(huì)改變方向，(介于張力與壓力之間)，兩力構(gòu)件將會(huì)是最節(jié)省材料的結(jié)構(gòu)，而它的移動(dòng)件重量減至最低且同時(shí)由六個(gè)致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，因此機(jī)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(jī)構(gòu)組成，六個(gè)可伸縮桿桿長(zhǎng)都單獨(dú)對(duì)刀具的位置和姿態(tài)起作用，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，甚至還有平均化效果(averaging effect)；其擁有熱對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此熱變形較小；故它具有高精度的優(yōu)點(diǎn)。

    (5) 多功能靈活性強(qiáng)

    由于該機(jī)床機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單控制方便，較容易根據(jù)加工對(duì)象而將其設(shè)計(jì)成專(zhuān)用機(jī)床，同時(shí)也可以將之開(kāi)發(fā)成通用機(jī)床，用以實(shí)現(xiàn)銑削、鏜削、磨削等加工，還可以配備必要的測(cè)量工具把它組成測(cè)量機(jī)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的多功能。這將會(huì)帶來(lái)很大的應(yīng)用和市場(chǎng)前景，在國(guó)防和民用方面都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

    (6) 使用壽命長(zhǎng)

    由于受力結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)動(dòng)部件磨損小，且沒(méi)有導(dǎo)軌，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。

    (7) Stewart平臺(tái)適合于模塊化生產(chǎn)

    對(duì)于不同的機(jī)器加工范圍，只需改變連桿長(zhǎng)度和接點(diǎn)位置，維護(hù)也容易，無(wú)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。

    (8) 變換座標(biāo)系方便

    由于沒(méi)有實(shí)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，非常方便。

    Stewart平臺(tái)應(yīng)用于機(jī)床與機(jī)器人時(shí)，可以降低靜態(tài)誤差(因?yàn)楦邉傂?，以及動(dòng)態(tài)誤差(因?yàn)榈蛻T量)。而Stewart平臺(tái)的劣勢(shì)在于其工作空間較小，且其在工作空間上有著奇異點(diǎn)的限制，而串聯(lián)工作平臺(tái)，控制器遇到奇異點(diǎn)時(shí)，將會(huì)計(jì)算出驅(qū)動(dòng)裝置無(wú)法達(dá)成的驅(qū)動(dòng)命令而造成控制誤差，但Stewart平臺(tái)在奇異位置會(huì)失去支撐部分方向的力或力矩的能力，無(wú)法完成固定負(fù)載對(duì)象。

2 并聯(lián)機(jī)床的研究現(xiàn)狀

圖2 DCB510并聯(lián)機(jī)床

    自從1965年Stewart提出著名的Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu)，從此開(kāi)始了基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的虛擬機(jī)床研究。但開(kāi)始，人們還只是對(duì)這種機(jī)構(gòu)停留在理論分析上。1994年，在美國(guó)芝加哥IMTS博覽會(huì)上首次展出并引起世界轟動(dòng)的并聯(lián)6條腿機(jī)床(又稱(chēng)并聯(lián)機(jī)床)，在經(jīng)過(guò)隨后持續(xù)三年的全球跟進(jìn)浪潮后，在世界范圍內(nèi)已逐漸降溫。這是因?yàn)椴⒙?lián)機(jī)床在理論和實(shí)踐上有一系列的難題，難以在短期內(nèi)解決。

    目前，國(guó)內(nèi)外有許多公司和研究單位在研究虛擬軸機(jī)床。我國(guó)的并聯(lián)機(jī)床研究起步較晚，但成果顯著。其中清華大學(xué)是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)始進(jìn)行虛擬軸機(jī)床研究的單位之一，對(duì)虛擬軸機(jī)床以及多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，并于1997年12月25日與天津大學(xué)合作，共同開(kāi)發(fā)出我國(guó)第一臺(tái)大型鏜銑類(lèi)虛擬軸機(jī)床原型樣機(jī)-VAMT1Y。在虛擬軸機(jī)床設(shè)計(jì)理論與樣機(jī)建造等關(guān)鍵技術(shù)方面達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，其中部分理論成果屬?lài)?guó)際首創(chuàng)。目前正在進(jìn)行虛擬軸機(jī)床系列化、實(shí)用化的研究，與多家機(jī)床骨干廠(chǎng)家進(jìn)行了新型虛擬軸機(jī)床商品化樣機(jī)的研制工作，以期實(shí)現(xiàn)虛擬軸機(jī)床的產(chǎn)業(yè)化。其中與昆明機(jī)床股份有限公司、江東機(jī)床廠(chǎng)和大連機(jī)床廠(chǎng)聯(lián)合研制的三種不同構(gòu)型的機(jī)床已經(jīng)問(wèn)世，并與2001年在CIMT上展出，有望在近期實(shí)現(xiàn)商品化。與昆明機(jī)床股份有限公司共同研制的XNZ63虛擬軸機(jī)床，可實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工、裝配和測(cè)量多種功能，更能滿(mǎn)足復(fù)雜特種零件的加工，其綜合指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。與江東機(jī)床廠(chǎng)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一臺(tái)龍門(mén)式虛擬軸機(jī)床，結(jié)構(gòu)采用雙柱龍門(mén)工作臺(tái)移動(dòng)式，可完成4坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。與大連機(jī)床廠(chǎng)聯(lián)合研制的DCB-510五軸聯(lián)動(dòng)串并聯(lián)機(jī)床，能夠通過(guò)并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)X、Y和Z方向的移動(dòng)，采用傳統(tǒng)的串聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)主軸頭的A和C方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。另外由天津大學(xué)設(shè)計(jì)并與天津市第一機(jī)床廠(chǎng)聯(lián)合研制的并聯(lián)機(jī)床也獲得成功并達(dá)到實(shí)用化水平。

    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；②主軸轉(zhuǎn)速：0～8000 r/min；③電主軸功率：9kW；④桿系伺服電機(jī)功率：0.75kW；⑤重復(fù)性精度：0.002mm(靜態(tài))；⑥定位精度：0.015mm；⑦體積：1800×1500×2300；⑧數(shù)控系統(tǒng)：研華工控機(jī)+六軸聯(lián)動(dòng)卡。

    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，兩自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)置于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，整個(gè)機(jī)構(gòu)通過(guò)三桿的伸縮和兩驅(qū)動(dòng)軸可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，用以完成多種作業(yè)任務(wù)。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

    由國(guó)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，是由傳統(tǒng)并聯(lián)機(jī)床發(fā)展而來(lái)的，在保持原并聯(lián)機(jī)構(gòu)的諸多優(yōu)點(diǎn)，如高剛度，高精度和高的運(yùn)動(dòng)速度外，用變異機(jī)構(gòu)擴(kuò)大了機(jī)床的運(yùn)動(dòng)范圍。
瑞典N(xiāo)eos Robotics公司由于采用了并聯(lián)加串聯(lián)的方案，從低層次應(yīng)用做起，逐步積累經(jīng)驗(yàn)和財(cái)力，向高層次應(yīng)用發(fā)展，以及采用了三桿中央的中心管等正確的措施，其并聯(lián)機(jī)床產(chǎn)品早已進(jìn)入實(shí)用，至今已創(chuàng)200余臺(tái)的驚世銷(xiāo)售業(yè)績(jī)。該公司展出的Tricept845加工中心，其體積定位精度達(dá)到±50μm，重復(fù)定位精度達(dá)±10μm，這兩個(gè)指標(biāo)距離傳統(tǒng)機(jī)床雖還有較大的差距，但對(duì)并聯(lián)機(jī)床已屬重大的突破，具有實(shí)用價(jià)值。其進(jìn)給速度已達(dá)90m/min，加速度已達(dá)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(shù)控系統(tǒng)和Heidenhain的測(cè)量系統(tǒng)。該加工中心采用模塊化結(jié)構(gòu)。三桿結(jié)構(gòu)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(guó)Fraunhofer機(jī)床和成型技術(shù)研究所開(kāi)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(tái)：630×630，X，Y ，Z行程均為630mm，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)給速度為30m/min，加速度為10m/s。

    德國(guó)Index的美國(guó)分公司將并聯(lián)機(jī)床用于車(chē)床，生產(chǎn)出了V100型三桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)的“倒立車(chē)”(即主軸和工件在上作X、Z軸運(yùn)動(dòng)，而刀具在下不動(dòng)，可回轉(zhuǎn)換刀，但不作任何直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的立式車(chē)床，我國(guó)習(xí)稱(chēng)為“倒立車(chē)”)。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：①外形緊湊。車(chē)床不象加工中心，工件相對(duì)刀具的移動(dòng)范圍較小，克服了并聯(lián)機(jī)構(gòu)空間有效利用率低的弱點(diǎn)。②車(chē)床一般只需兩個(gè)自由度(X和Z軸)，現(xiàn)用三桿幾何機(jī)構(gòu)，可以獲得X、Y、Z三個(gè)自由度，冗余的一個(gè)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(jī)構(gòu)，與我國(guó)天津第一機(jī)床總廠(chǎng)結(jié)構(gòu)類(lèi)似。V100安裝5英寸卡盤(pán)，其主要技術(shù)參數(shù)為：電主軸轉(zhuǎn)速為8000r/min，功率為26.48kW。X、Y、Z行程分別為1450mm、150mm、175mm，可自動(dòng)上下料。
美國(guó)Hexel公司將6桿并聯(lián)結(jié)構(gòu)作成獨(dú)立部件應(yīng)用于轉(zhuǎn)塔銑床。這可將低價(jià)的普通銑床升級(jí)為5軸聯(lián)動(dòng)銑床。其主要技術(shù)參數(shù)為：工作臺(tái)直徑710mm，X、Y行程范圍為直徑305mm 的圓，Z軸178mm，A軸±25μm，最大進(jìn)給速度為5.1m/min，重91kg。
瑞士技術(shù)院(ETH)、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。
迄今為止，我們了解的虛擬軸并聯(lián)機(jī)床有二自由度、三自由度、法面三自由度、純移動(dòng)三自由度四自由度、對(duì)稱(chēng)五自由度和六自由度等類(lèi)型。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

    (1) 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(jì)算、運(yùn)動(dòng)副類(lèi)型、支鉸類(lèi)型以及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、建模與仿真等問(wèn)題。

    (2) 并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)空間的研究

    包括運(yùn)動(dòng)空間分析及仿真、可達(dá)工作空間求解(如數(shù)值求解法、球坐標(biāo)搜索法等)、機(jī)床干涉計(jì)算及位置分析等。

    (3) 并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究

    并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括很多內(nèi)容，如機(jī)床的總體布局、安全機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)(包括數(shù)控平臺(tái)建造、數(shù)控系統(tǒng)編程、數(shù)控加工過(guò)程仿真等)。

    (4) 并聯(lián)機(jī)床剛度、精度、柔度、靈巧度的研究

    并聯(lián)機(jī)構(gòu)封閉回路的特性，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，但這個(gè)特性引起的耦合問(wèn)題，相對(duì)的形成在動(dòng)力分析上很大的困擾，因此對(duì)其研究應(yīng)予以足夠的重視。關(guān)于并聯(lián)機(jī)床精度的研究仍是國(guó)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(jì)和精度描述)和系統(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(píng)價(jià))。并聯(lián)機(jī)床柔度的研究包括柔度分析、柔度評(píng)價(jià)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。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

    (5) 并聯(lián)機(jī)床誤差研究

    包括誤差分析、建模及誤差精度保證、測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)等問(wèn)題。

    (6) 并聯(lián)機(jī)床模塊設(shè)計(jì)與創(chuàng)建

    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(lèi)。并聯(lián)機(jī)床按功能和結(jié)構(gòu)可分為以下幾個(gè)功能模塊：①執(zhí)行模塊；②機(jī)座模塊(靜平臺(tái)模塊)；③動(dòng)平臺(tái)模塊；④機(jī)架模塊；⑤定位模塊；⑥驅(qū)動(dòng)模塊；⑦控制和顯示模塊；⑧潤(rùn)滑與冷卻模塊。

    (7) 新型虛擬軸數(shù)控機(jī)床的研究

    虛擬軸數(shù)控機(jī)床是“要用數(shù)學(xué)制造的機(jī)床”。因?yàn)檫@種機(jī)床的設(shè)計(jì)與運(yùn)行要用到非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算與推理。目前對(duì)于Stewart平臺(tái)的理論研究已取得一些關(guān)鍵結(jié)論，還需進(jìn)一步研究Stewart平臺(tái)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)。

    (8) 并聯(lián)機(jī)床控制的研究

    包括高速、高精度的控制算法，刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的直接控制、開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)等。虛擬軸機(jī)床的最大特點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。