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1、虚拟轴机床,虚拟轴机床(Virtual Axis Machine Tools)又称并联机床，是机器人技术和机床技术相结合的产物。 这种新型机床完全打破了传统机床结构的概念，抛弃了固定导轨的导向模式，采用了多杆并联机构驱动，被认为是20世纪最具有革命性突破的机床设计。,目录,一、发展简史二、分类 三、主要结构四、特点五、关键技术六、存在的问题及设想七、发展趋势八、应用九、参考文献,一、发展简史,1890-1894空间机构理论研究,Gough平台式并联机构,1962 Whitehall和Gough六个长度可伸缩的并行线性支杆支撑两个平台的轮胎测试机,1965Stewart有6自由度并联机构的飞行模
2、拟器,1979Mac.Callion基于Stewart平台的机械手臂,1994Gidding &Lewis第一代八面体六足虫虚拟轴机床,二、分类,一、按并联机构的驱动方式分： 1. 内副驱动 2. 外副驱动 3. 内外副混合驱动二、按并联机构的支链配置分为： 1. 纯并联型（Stewart平台为基本构型 ） 2. 混合型 三、按末端执行器运动自由度数目分为： 1. 6自由度并联机床 2. 5自由度并联机床 3. 4自由度并联机床 4. 3自由度并联机床,四自由度并联机构,六自由度并联机构,三自由度并联机构,三、主要结构,下平台（静平台）：刚性箱体机架，上面装有固定工件的工作台上平台（动平台）：
3、用来安装主轴头，主轴头内有主驱动电机，能进行6轴（X、Y、Z、A、B、C）运动，有的虚拟轴机床还能进行8轴控制。轴向可调的6根伸缩杆：每根伸缩杆都由各自的伺服电机和滚珠丝杠驱动，一端固定在下平台机架上，而另一端则与上平台连接，通过6根杆的伸缩协调实现主轴的位置姿态控制。,杆 件,主轴部件,工作台,四、特点,传统机床,虚拟轴机床,1.机床结构,一般采用由床身、立柱、主轴箱、工作台串联而成的非对称“C”型布局。机床的轴线与笛卡尔坐标轴对称，无需进行坐标变换。,主要由框架和变长杆等简单构件组成，对于复杂的曲面加工，只要控制六杆的长度即可。,四、特点,传统机床,虚拟轴机床,2.机床刚度,因结构不对称，
4、而使机床受力、受热不均匀。不仅受拉压力，还受到弯矩和扭矩 。,呈对称的框架结构，主轴平台的受力由六根杆分摊承担，每根杆的受力要小得多，且只受拉压力，不受弯矩和扭矩。,四、特点,传统机床,工件、工作台等大质量部件一般都在运动，系统惯性大，使机床高速动态性能恶化,虚拟轴机床,工件、工作台不运动，只有主轴、刀具和杆在运动，运动部件少、质量轻、惯性小，减小了运动负荷，实现更快的动态响应，尤其在高速加工时，并联结构的优点更为显著,3.机床动态性能好,四、特点,传统机床,串联传动结构，主轴或工作台的运动由各传动轴依次传递，最后误差为累计误差,虚拟轴机床,并联传动结构，各个轴的误差形成的是平均值，加工精度较
5、高不依靠导轨的正交直线性和精度，可以将所有测量均置于不动的构架结构上结构刚度的提高，运动质量的减小也使加工精度提高,4.加工精度高,四、特点,传统机床,沿X、Y、Z三个方向的滑台式结构的导轨，消耗材料多、质量大需要保持导轨正交状态的部件需要支撑横向载荷的部件,虚拟轴机床,不需要床身式直线导轨及保持其正交状态的部件，不需要支撑横向载荷的部件材料消耗少，机床重量轻，制造成本低主要部件多为通用件，有较强的模块化功能，有利于针对不同的加工需要进行设备重组减少了投资，维修方便,5.经济性好,四、特点,传统机床,各轴可分别控制，笛卡尔坐标位置和速度的检测以及反馈较为简单，开环、闭环控制都相对简单。,虚拟轴
6、机床,通过连接刀具的动平台在空间改变位置和姿态实现加工刀具的运动由六个伺服电机驱动六个滚珠丝杠，调整各杆的长度进行控制对于不同形状的零件，只需改变相应伺服电机的控制指令，从而改变各杆的长度，实现刀具位姿的变化刀具调整方便，机床适应性强，但是控制复杂,6. 适应性好,硬件简单，软件复杂,整个平台的运动牵涉到相当庞大的数学运算,附加技术价值很高的机电一体化产品,五、关键技术,虚拟轴机床的设计技术 包括虚拟轴机床的运动分析、力学分析和由个伸缩杆的长度决定动平台位姿的理论及特例等。虚拟轴机床的控制技术 虚拟轴机床的控制系统不仅要实现六根杆定时发送，实现预定刀具运动轨迹的控制信号，而且还要实时处理六根杆
7、长度的测量反馈信号，以立即动态补偿刀具与工件的相对位置误差。所以，控制系统特别是软件的开发是此类机床的关键和难点。虚拟轴机床的误差分析技术 虚拟轴机床虽比传统机床具有更高的精度,但仍有影响加工精度的因素, 为此需要专门的误差分析、校准、调节方法。虚拟轴机床的制造技术 包括模块化技术、标准化技术、数字式交流伺服控制系统、精确定位的机电技术等。,六、存在的问题及设想,工作空间小， 工作台面积与机床占地面积比 1：50-100 工件装卸不方便机床构件之间容易发生干涉,实际上，实现其理论上的精度和刚度指标是困难的。这些困难主要来自机构关节部分的设计，即在实践中难以实现理想的高精度运动关节。,提高球铰链
8、精度的方法：1）减小制造误差：可以使用气压式球铰链和液压式球铰链2）误差补偿法,七、发展趋势,1.结构多样化 机床运动的自由度不同 驱动的基本方式不同（传递旋转运动或直线运动）,旋转驱动,直线驱动,六滑块机构的虚拟轴机床,七、发展趋势,2.小型化和简单化 德国汉诺威大学生产工程和机床研究所开发的用于汽车工业钢板激光加工的3杆操作机； 意大利COMAU机床公司和瑞典NEOS机器人公司分别研制的类似3杆机器人； 东北大学研制的修磨钢坯缺陷的3杆并联机器人,七、发展趋势,3.混联化 将并联机床与传统机床结合起来，克服缺点，发挥优点，形成串并联混合结构,3自由度并联机构加2自由度串联机构构成的5自由度
9、结构增加刚度和工作空间,新型大型龙门式五轴联动混联机床,XNZD2415 型龙门式五轴混联机床是通过齐齐哈尔二机床有限责任公司、清华大学和哈尔滨电机厂有限责任公司三方共同合作已研制成功。充分吸取并联机床的配置灵活与多样性和传统机床加工范围大的优点通过两自由度平行四边形并联机构形成基础龙门, 提高了整机刚性在并联平台上附加两自由度串联结构的A、C 轴摆角铣头, 配以工作台的纵向移动, 完成五轴联动功能其独特的构型为国际首创, 是我国多年来自主研发大型混联机构首次在工程中应用并获得突破性进展的产品。,新型大型龙门式五轴联动混联机床,技术参数: 1. 机床作业空间(长宽高):4500mm 1600m
10、m 1200mm 2. X 轴转角性能:90 3. Z轴转角性能:0 400(连续) 4. 主轴转速:700 10000r min 5. 工作台面尺寸(宽长):1500mm 4500mm 6. 铣头横向、垂向进给范围:1 2500 mm/min;10000mm/min(快速) 7. 工作台进给范围:1 2500mm/min;10000mm/min(快速) 8. 主轴锥孔:HSK63 9. 工作台承重:10000kg 10. 主轴电机功率:18kW(峰值功率28kW) 11. 机床总重:52000kg,新型大型龙门式五轴联动混联机床,机床结构及技术特点：1. 主轴的结构形式为电主轴。2. 主轴定
11、子及轴承配有循环冷却装置, 冷却液温度由冰柜恒温控制。3. 主轴前端与刀具接口尺寸是HSK-63。该系统具有结构简单, 换刀方便的优点。4. 纵向及垂向导轨采用高精度精密抗振直线导轨。5. 工作台进给及滑板进给为预压无间隙滚珠丝杠副传动。6. 机床润滑采用容积式周期自动集中润滑系统, 该系统使定量的润滑油按预定的周期对各润滑点供油, 不会产生污染和浪费, 省略回油装置, 简化机床结构。,七、发展趋势,4.群组化 将多台虚拟轴机床组成大型柔性加工、装配、测量等工作中心进行并行工作群组化并行工作机床,八、应用,基于虚拟机床模块化程度高、刚度高、移动部件质量小、速度快、结构简单以及精度高等优点，可在
12、虚拟轴机床的活动平台上装备机械手腕、电主轴、激光器、CCD摄像机等末端执行机构，在一定范围内可实现多坐标数控加工、装配、测量等多种功能。 特别适合于复杂型腔、三元叶轮、透平机叶片及航空航天业异性零件等复杂三维空间曲面的加工，还可以用于轻工机械、食品包装等领域，具有广阔的应用前景。 传统机床长久的发展及广泛的应用证明，迄今为止虚拟轴机床不可能全面取代传统机床，但是虚拟轴机床的优越性使其将会在一些专业领域成为传统机床强有力的补充者。,参考文献,1. 周凯,陶真,毛德柱.虚拟轴机床的发展趋势混联机床J.现代制造工程 ,2002-03-18 . 2. 李迎, 龚光容, 施祖康.虚拟轴机床的应用研究与发展趋势J.机械设计与制造工程,1999-05-30 .3. 荣烈润.虚拟轴机床21世纪数控加工设备J.机电一体化,2005-05-20.4. 马庆鑫,赵汝明,陈捷.新型大型龙门式五轴联动混联机床简介J.设备管理与维修,2005-10-06 .5. 朱立达,朱春霞,蔡光起.五轴混联机床运动学和动力学仿真J.制造技术与机床，2007-5-306王冰.五轴混联机床的关键技术研究D.燕山大学,2005年7.王小兵.一种新型混联机床的应用基础研究D.电子科技大学.2006年3月8.马利豪.新型重型龙门式五轴联动混联机床关键技术及研制J.中国科技奖励. 2008年第6期.,Thank you,
