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1、,一、并联运动机床概述二、并联机床技术的研究和发展 三、并联机床的特点四、并联运动机床结构五、并联机构的应用,新概念并联运动机床,一、并联运动机床概述,1.新概念机床并联运动机床 并联机床(Parallel Machine Tools)，又称并联结构机床(Parallel Structured Machine Tools)，虚拟轴机床(Virtual Axis Machine Tools)，也曾被称为六条腿机床、六足虫(Hexapods)、21世纪的机床。如图1所示,立 柱,主轴部件,工作台,杆 件,滑 板,工作空间,并联机床是基于空间并联机构Stewart平台原理开发的，它是并联机器人机构与
2、机床结合的产物；它克服了传统机床串联机构刀具只能沿固定导轨进给、刀具作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有的缺陷；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。自其1994年在美国芝加哥机床展上首次面世即被誉为是“21世纪的机床”，成为机床家族中最有生命力的新成员。,2.传统机床的串联机构,虚轴机床与传统机床相比有许多优异的性能。一般传统机床可看作是一个空间串联机构，如图2所示，它的横梁、立柱等部件往往承受弯曲载荷，而弯曲载荷般要比拉压载荷造成更大的应力和变形，所以为了提高机床刚性，必须采用大截面的构件。另外，当机床运动自由度增多时。需增加相应的串联运动链
3、，机床的机械结构变得十分复杂。,动立柱立式加工中心,传统的机床(以动立柱立式加工中心为例，如图3所示)从基座(床身)至末端运动部件，经过床身到滑座(在床身上作X轴运动)；滑座到立柱(在滑座上作Y轴运动)；立柱到主轴箱(在立柱上作Z轴运动)的先后顺序，逐级串联相连接的。因此，当滑座在作X轴运动时，滑座上的轴和立柱上的轴也作了相应的空间运动，也即后置的轴必须随同前置的轴一起运动。这无疑增加了轴运动部件的质量。,同时，加工时主轴上刀具所受的切削力反力，也依次传递给立柱、滑座，最终传递给床身，也即末端所受的力按顺序依次串联地传至最前端。此外，这些作用力一般不通过构件重心，必然会产生弯矩和扭矩。因此，前
4、端构件不但要额外负担后端构件的重力(重量)，而且还要考虑承受切削力。这样一来，为了达到机床高刚度的要求，每部分结构件需具有相应的体积和材料。,总之，传统机床的串联结构特性，必然会导致移动部件的质量大、系统刚度低，而成为机床致命的弱点；特别是当机床运动速度高和工件质量大时，这些弱点更为突出。,3.虚轴机床的并联机构,虚轴机床的基本结构是一个动平台、一个定平台和六根长度可变的连杆,如图4所示。动平台上装有机床主轴和刀具，定平台(或者与定平台固连的工作台)上安装工件，六根杆实际是六个滚珠丝杠螺母副，它们将两个平台连在一起，同时将伺服电动机的旋转运动转换为直线运动，从而不断改变六根杆的长度，带动动平台
5、产生六自由度的空间运动，使刀具在工件上加工出复杂的三维曲面（如图5所示）。,由于这种机床上没有导轨、转台等表征坐标轴方向的实体构件，故称为虚轴机床(Virtual Axis Machine Tool)；由于其结构特点，又称为“并联运动机床”(Parallel Kinematic Machine，PKM)；同时由于其奇异的外形，西方刊物上还常称之为“六足虫”(Hexapod)。,如前所述，虚轴机床实际是一个空间并联连杆机构，其六根杆即为六根并联连杆，它们是机床的驱动部件和主要承力部件，由于这六根杆均为二力杆，只承受拉压载荷，所以其应力、变形显著减小，刚性大大提高。由于不必要采用大截面的构件，运动
6、部件的质量减小，从而可采用较高的运动速度和加速度。虚轴机床还被称为是“用数学建造的机床”。它靠复杂的控制运算和相对简单的运动机构来产生六自由度空间运动，大大简化了机床的机械结构，是一种高技术附加值的产品。,虚轴机床的制造成本可能低的原因：,（1）虚轴机床是用复杂的数学运算和相对简单的机械结构来实现复杂型面的加工，降低了结构制造成本；（2）虚轴机床具有轴对称的基本结构，其对称部件易于实现模块化设计和批量生产；（3）决定虚轴机床精度的关键部件是机床的六根杆及其两端铰链，易于采用滚珠丝杠、关节轴承等通用件、标准件；（4）并联结构各运动副分担工作载荷，驱动功率远小于同等规格的传统机床，伺服系统成本降低
7、。,二、并联机床技术的研究和发展,（1）并联机床的多样化结构 从并联机构的驱动方式上，可将并联机床分为内副驱动、外副驱动及内外副混合驱动三大类；根据并联机床机构的支链配置，可将并联机床分为纯并联型、串并联型、并串联型三种；根据末端执行器运动自由度的数目还可分为6自由度、5自由度、4自由度和3自由度并联机床等。以Stewart平台为基本构型的各类并联机床，包括美国某公司的VARIAX数控机床、英国某公司的Hexapods加工中心、清华大学VAMT1Y型虚拟轴机床原型样机等,（2）并联机床设计的理论研究概况,并联机床的设计除包括机床结构形式的概念设计外，还包括运动学设计、动力学设计、精度设计、数控
8、系统设计等方面，已经取得了诸多有价值的研究成果。如：Raghavan得出Stewart平台运动学正解结论；Innocenti和Cheok等人提出运动学数值解法；Gosselin、Merlet和 Ji的工作空间几何解析法；Nguyen、Lee、Liu关于动力学建模，以及熊有伦提出动力学优化设计策略；建立的驱动部件误差与终端误差之间的关系；多种运动学标定、提高机床加工精度的方法等。这些研究成果为并联机床的设计和应用奠定了理论基础。,（3）并联机床的研究方向,并联机床组成原理的研究；并联机床结构设计的研究；并联机床刚度、精度、柔度、灵巧度的研究；并联机床模块设计与创建；并联机床控制系统的研究。,三、
9、并联机床的特点,1.结构简单、价格低 机床机械零部件数目较串联构造平台大幅减少，主要由滚珠丝杠、铰链、伺服电机等通用组件组成，这些通用组件可由专门厂家生产，因而本机床的制造和库存成本比相同功能的传统机床低得多，容易组装和搬运。,2.结构刚度高,由于采用了封闭性的结构(closed-loop structure)使其具有高刚性和高速化的优点，负荷分解的拉、压力由六只连杆同时承受，且只承受拉压载荷，其应力、变形显著减小，故其拥有高刚性。,3.加工速度高、惯性低,如果结构所承受的力会改变方向，(介于张力与压力之间)，两力构件将会是最节省材料的结构，它的移动件重量减至最低，因此机床很容易高速化，且拥有
10、低的惯性。,4.加工精度高,由于采用多轴并联机构组成，六个可伸缩杆杆长都单独对刀具的位置和姿态起作用，因而不存在传统机床(即串联机床)的几何误差累积和放大的现象，甚至还有均化效果(averaging effect)；其拥有热对称性结构设计，因此热变形较小；故它具有高精度的优点。,5.多功能、灵活性强,由于该机床机构简单，控制方便，较容易根据加工对象而将其设计成专用机床，同时也可以将之开发成通用机床，用以实现铣削、镗削、磨削等加工，还可以配备必要的测量工具把它组成测量机，以实现机床的多功能。这将会带来很大的应用和市场前景，在国防和民用方面都有着十分广阔的应用前景。,6.使用寿命长,由于受力结构合
11、理，运动部件磨损小，且没有导轨，不存在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其划伤、磨损或锈蚀现象。Stewart平台适合于模块化生产。对于不同的机器加工范围，只需改变连杆长度和接点位置，维护也容易，无须进行机件的再制和调整，只需将新的机构参数输入。,7.变换座标系方便,由于没有实体座标系，机床座标系与工件座标系的转换全部靠软件完成，非常方便。Stewart平台应用于机床与机器人时，可以降低静态误差(因为高刚性)，以及动态误差(因为低惯量)。,存在的问题,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,有效工作空间小 工件装卸不方便,伸缩杆,主轴部件,
12、工作台,两根杆件 发生干涉,四、并联运动机床结构,1.三杆并联机床,万向铰链,立 柱,主轴部件,球铰链,固定杆长的杆件,移动滑板,结构原理,机床底座上有 3 根按照 120分布的立柱，立柱的顶端借助框形横梁连接，以加强机床刚度。机床由 3 组杆件通过球铰支撑主轴部件，每组由两根固定杆长的杆件组成。杆件的位移由滑板移动来实现，滑板由滚珠丝杆（直线电机）驱动，沿立柱导轨上下移动。主轴部件可以实现 3 个坐标的运动，除完成切削加工工作外，还抓取待加工零件和放回加工完毕的零件。,并联机构,直线电动机沿导轨移动,万向铰链,固定杆长的杆件,主 轴,万向铰链,电滚珠丝杆,电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集
13、成，具有减少传动环节、结构紧凑等一系列优点。采用电滚珠丝杆可以大大简化数控机床的结构。,电滚珠丝杆的结构,电动机转子,滚珠丝杆,滚珠螺母,2.六杆 Stewart 平台的演化,Stewart 平台,增加刚度和工作空间,两层固定平台,两层固定平台,万向铰链,伸缩杆,工作台,两层动平台,两层动平台,立 柱,机床配置和原理,机床底座上有 3 根按照 120分布的立柱，立柱顶端借助框形横梁连接，以加强机床刚度。6 根伸缩杆分为3组分别通过万向铰链固定在立柱的两侧，构成不同高度的两层上平台。6 根伸缩杆同样在不同高度通过球铰链与主轴部件连接，构成不同高度的两层下平台。伸缩杆的长度变化驱动主轴部件，实现加工轨迹所需的运动，工件固定在工作台上不动。,驱动滑板,长度固定的杆件,机床立柱,万向铰链,主轴部件,万向铰链,电主轴,万向铰链,万向铰链,Stewart 运动平台,解码器,伺服电动机,万向铰链,外层滚珠丝杆,内层滚珠丝杆,滚珠丝杆的结构,5杆并联机构驱动的主轴部件,谢谢大家！,
