并聯機床發展探討

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機床是裝備制造業的核心設備，經過了長期的發展完善過程，自18世紀以來已經經歷了三個重要的發展階段。在第一個階段機床采用的是集中的驅動傳動，由蒸汽機或直流電動機-發電機組集中提供能源，通過傳動系統將旋轉運動和動力輸送到每臺設備，單臺機床不能獨立工作。后來交流電動機的問世，使機床進入了第二個發展階段。機床改由一臺或多臺交流電動機驅動，克服了集中驅動方式的不足。第三個階段是機床的數字化控制和信息化階段在這一時期，電子和計算機技術與機械加工過程聯系起來，機床開始采用伺服驅動和數字控制。而這一類采用數字控制或計算機控制的機床也被人們稱為數控機床。 數控機床在高精密高效率機械加工領域扮演了重要的角色，特別是多軸聯動、可加工復雜零件的高檔數控機床更是成為競爭的制高點。西方國家也把高檔數控加工技術列為其技術出口限制范疇。 隨著制造技術的發展，對生產過程的要求不斷提高，特別是對資源環境方面的要求越來越高，要求機械加工過程更加高效、精密、清潔，更加節省資源。 并聯機床屬于新結構機床，其主要特征在于機床中采用了不同于傳統機床的并聯機構。1994年的芝加哥機床展覽會上，Giddings&Lewis公司和Ingersoll公司分別推出了基于并聯機構的六足機床。當時被媒體譽為“機床結構的重大革命”、“21世紀的數控加工裝備”。并聯機床逐步成為制造業的研究熱點，從而引起了各國機床行業的極大興趣和廣泛關注。 并聯機構在諸多領域的成功應用并聯機構本身的研究和應用很早就已經開始了。1947年，英國人Gough采用并聯機構設計了一種6自由度的輪胎測試機，這種機構被稱為六足結構(Hexapod)。1965年，Stewart的著名論文問世，他設計了一種含有3個支鏈的6自由度運動平臺，并提出將其應用于飛行模擬器。Stewart通過研究論文的方式第一次向世界展示了并聯機構，引起了學術界的興趣，人們也常將這類并聯機構稱為Stewart機構。1964年美國工程師Klaus Cappel提出了一個稱為八面體的六腿機構并利用并聯機構建造了世界上第一個飛行模擬器。至今，由并聯機構構造的多種運動模擬器得到了廣泛應用。 1978年，澳大利亞機構學家Hunt提出將并聯機構應用于機器人操作，并聯機構在機器人研究領域得到關注，在并聯機器人運動學求解算法、動力學性能分析、誤差建模與分析、并聯機器人機構設計及并聯機器人應用等方面進行了深入的研究，產生了很多理論和應用研究成果。這些成果同時也成為并聯機床研究與開發的理論和技術基礎。 并聯機床的技術優勢并聯機床以空間并聯機構為基礎，使將近兩個世紀以來以笛卡爾坐標直線位移為基礎的機床結構和運動學原理發生了根本變化。并聯機床以桁架桿系結構取代傳統機床的懸臂梁和兩支點梁結構來承載切削力和部件重力。具有剛度高、動態性能好、模塊化程度高、易于重構以及機械結構簡單等優點。 并聯機床最明顯的優勢是其桁架結構帶來的良好的剛度特性。典型的對比是工業機械手串聯機構。20世紀80年代，機械手被應用于汽車產業并得到了巨大發展。其主要應用是點焊、弧焊、噴涂、上下料作業。這些機械手工作在結構性環境中，按照事先示教編好的程序重復不斷地工作。機械手是由多個關節串聯而成，作業空間大，運動靈活，適合于上下料、焊接作業等場合。但機械手的剛度特性較差，難以達到很高的運動精度，也難以承受較大的載荷。這些缺點決定了機械手不能應用于機械加工。而并聯機床則從原理上就具有很好的剛度特性和承載能力，可滿足機械加工要求。 并聯機床的另一個優點是其模塊化結構。比如典型的6自由度Stewart機構是由6個完全相同的連桿分支支撐運動平臺。分支的模塊化特點使機床的設計加工等多方面得以簡化。此外，并聯機床桁架結構的特點使機床具有良好的剛度重量比，單位剛度的機構本體重量得以大大減小，可大量節省鋼材，在當今全球資源環境日益緊張的形勢下意義重大。 傳統數控機床主要是簡單的串聯直角坐標軸，或帶有一兩個旋轉坐標軸的結構。機床的運動關系比較清晰，運動學求解也較為簡單。坐標軸之間沒有復雜的耦合關系，操作直觀簡單。但是為了滿足機械加工的精度，要求各坐標軸具有很高的剛度，因此機床的尺寸和重量都比較大。 與傳統機床不同，并聯機床的刀具軌跡是“虛軸”運動的結果，“實軸”(桿件)需要按照一定的運動學解算規律進行運動才能得到要求的虛軸”軌跡。因此并聯機床從運動機理上就是“多軸聯動”的。這也是并聯機床與傳統機床相比所具有的一個優勢。并聯機床可以方便地實現空間復雜軌跡的運動，用于模具等復雜零件的加工。 并聯機床桁架結構的優點極大地改善了機床的剛度重量比指標，極大地節省了機床的材料消耗，具有很好的發展前景。 并聯機床的研究開發與應用在并聯機床研究方面，歐洲開展得最為深入，其研究開發工作由機床企業、大學和其它研究機構共同協作進行。1998年起在德國定期舉辦與并聯機床密切相關的國際會議(Parallel Kinematics Seminar PKS)，至今已進行了5屆，成為并聯機床研究領域最重要的國際會議之一。在并聯機床研究初期，其典型的機構形式是Stewart平臺機構。Stewart平臺是由安裝在基座上的6根可伸縮的連桿支撐一個運動平臺而構成，每個連桿的兩端通過鉸鏈與基座和運動平臺相連接。運動平臺具有6個空間運動自由度，可實現平臺的移動和轉動。國外典型產品的代表有Ingersoll公司的OctahedralHexapod,Hexel公司的Tornado，德國Mikromat公司的6X型機床，日本OKUMA公司的并聯機床等。 并聯機床在我國也得到廣泛關注和重視。1997年在國家“九五”科技攻關計劃中立項支持了中科院沈陽自動化研究所提出的并聯機床研究項目，該所與清華大學、華中理工大學及大連機床集團聯合研制成功五軸聯動并聯結構數控機床。 此外我國在國家自然科學基金、863及其它多種科技計劃中也對并聯機床有關研究給予了廣泛支持，促進了并聯機床研究的發展，研制出多種并聯機床。如大連機床集團與清華大學聯合研制的DCB-510并聯機床，齊齊哈爾第二機床廠與清華大學共同研制的大型龍門式五軸聯動混聯機床等。 2008年哈爾濱量具刃具集團有限責任公司引進使用Exechon公司并聯機床最新專利技術推出了新一代并聯機床LINKS-700，標志著我國并聯結構數控機床研究開發的新階段。在LINKS-700中使用了Exechon公司的最新并聯結構單元，有效提高了機床的剛度和精度指標。從并聯結構總體形式上可以看出，LINKS-700機床中的并聯單元是早期并聯結構單元Tricept TR845的改進形式。 在并聯機床設計開發過程中，首先需要從原理上完成機床機構的運動學求解問題，并在運動控制中實時地使用運動學解算結果，因此對并聯機床的數控系統提出了較高的要求。在機床結構設計方面，為了方便工件裝夾，多數機床采用了基座和運動平臺倒置的形式，將運動平臺置于基座的下方，而基座則設計成一個更大的固定部件用以提供良好的基礎支撐。倒置形式的不足之處是帶來了機床總體積和總重量的增加。標準的Stewart并聯平臺機構存在著作業空間較小的問題。設計人員在并聯結構設計中結合不同機床的具體特點，對并聯機構進行了相應的改變，設計出了多種不同形式的并聯結構機床。 減少機床并聯部分的自由度數目有利于在其結構設計中采用低副結構，進而有利于提高機床關節部件的剛度和運動精度。將并聯單元作為機床的一個“部件”來設計，機床的總體工作空間將由串聯部分和并聯部分共同組成，因此實際上也可以回避并聯機構本身帶來的工作空間過小的問題。  

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并聯機床面臨的主要技術問題及解決思路探討
% y% v: o0 w& D; H0 O# R并聯機床由Stewart機構或其演化機構構成，具有并聯桁架結構的特點，理論上具有較好的剛度重量比和較強的承載能力，也具有很高的運動精度，但在實際系統設計過程中發現，實現其理論上的精度和剛度指標是困難的。這些困難主要來自機構關節部分的設計，即在實踐中難以實現理想的高精度運動關節。
4 W5 a$ Q8 f5 a. t) d) [; q此外，雖然并聯機床的桁架結構可以提高并聯機構部分的剛度重量比，但是如果從機床總體的角度來衡量，則會發現大多數并聯機床都是采用倒置的并聯機構形式，都需要一個龐大的支撐架作為機床的床身。因此實際上機床總的體積和重量并沒有明顯減少。
盡管并聯機床仍存在許多不足之處，甚至有些技術問題至今尚沒有得到全面和根本上的解決，但是，作為一種處于成長過程中的新形式機床，隨著研究工作的深入，許多技術難點正在逐步得到解決。
* o- ~- {8 j4 S機床的關節運動精度問題
& i/ n4 S+ H3 H/ A1994年，當并聯機床首次在機床展覽會上出現時，人們對并聯機床的認識還不夠深入，對其技術難點的認識不夠充分。隨著研發應用過程的深入，人們逐步加深了對并聯機床的了解，逐步開始理性地看待并聯機床的潛在優勢和所面臨的技術難題。歸納起來，并聯機床所面臨的突出技術問題主要體現在兩個方面：
首先是并聯機床的精度問題，其次是并聯機床的工作空間問題。而影響并聯機床精度的主要因素包括兩方面，即分支兩端運動關節的精度以及并聯機構參數的標定。并聯機床運動平臺和桿件的結構剛度是比較容易保證的，主要運動副為球關節，而這種關節的設計和實現則比較困難。要求能夠靈活地轉動同時又要在工作空間范圍內高精度地傳遞力和運動。如果關節的運動是非線性的，則會對平臺的精度造成較大的影響，即使關節間隙做到很小，其運動中心坐標也會在一個小的空間內波動，形成誤差。
- [  O% m  J  J8 S* j, Z, Z) j并聯機構關節的研制成為并聯機床研究中最重要的技術問題之一。另外，并聯機床需要對所有并聯機構關節的三維坐標進行精確標定，獲得準確的關節中心點的三維坐標，進而得到準確的分支桿長度數據，保證運動學計算結果的正確性。
1 X  v! r* M9 e2 x在機床驅動和運動控制方面，假設關節的運動具有良好的重復性，即關節中心始終是在一個穩定的中心點上轉動，這時也同樣需要通過標定得到這個中心點的坐標值。但是由于關節的運動中心是一個虛擬點，無法直接測量，只能采用間接的測量方法，這不僅增加了標定環節的困難，也將最終導致整個機床誤差的增加。
) i& [! C! S: s: ~/ K實際上，并聯機構關節并不能始終位于理想中心位置轉動，而是在某個小的空間內作不規則的擺動。并聯機床走向實用化，首先要研究解決的正是上述關節設計和關節參數標定兩方面問題。
機床的有效工作空間問題
并聯機床的工作空間是影響其應用的另一個重要因素。與機械手及傳統機床機構相比，并聯機床的工作空間要小很多。如果我們定義機械手或并聯機床的工作空間與其自身尺寸的比值為“有效空間比”，則并聯機床的有效空間比要小很多。
" {' Z3 b* Z+ g3 F. ]: w0 N1 d不僅如此，在考察其有效工作空間時，如果將姿態空間和位置空間同時考慮，則并聯機床的有效工作空間還要更小。這是因為，在并聯機床工作空間的邊緣，運動平臺已經無法改變其姿態。實際使用時只能在其整個工作空間中選取既可滿足位置要求同時又能滿足姿態要求的子空間作為并聯機床的有效工作空間。
因此就其有效空間來衡量，并聯機床存在明顯不足。因此，采用基于Stewart機構類型的“純”并聯機構并不是最佳選擇。
. R3 z: l0 T( `$ Y在并聯機床設計中將傳統機床的導軌和龍門等結構與新型并聯結構混合使用，是解決上述問題的有效途徑之一。我們在五軸并聯結構數控機床設計中即采用了這一設計思想，有效解決了并聯機床有效工作空間過小的問題。
串/并聯混合結構設計
綜合分析并聯機床的發展歷程，采用少自由度并聯機構，結合傳統機床的串聯機構，構成混聯形式的新型機床是可行的技術途徑之一。雖然采用少自由度并聯機構帶來了機構約束方面的困難，但這類技術問題可以通過借鑒傳統數控機床的相關技術措施加以解決。
; a$ Y7 a- Y0 L5 p! }) |0 A( l2008年，哈爾濱量具刃具集團有限責任公司研制成功新一代并聯機床LINKS-700。這一成功案例也從一個側面表明，并聯機床研究正從早期的追求“純”并聯方式向具有實際應用前景的串并聯混合結構方式轉變，LINKS-700機床也正是這一發展趨勢的典型詮釋。
認識與結論
9 H' N- H& N# h2 q3 O# j通過本文以上部分的綜合分析，可歸納出如下主要結論：
傳統機床的串聯結構在機床的剛度重量比方面存在不足，以當前時代的資源環境條件需要產生新的技術變革。并聯機床的并聯結構則可以彌補傳統機床串聯結構帶來的諸多不足。
雖然目前并聯機床依然面臨諸多技術問題需要解決，但并聯機床作為新一代機床的代表，依然具有良好的發展前景。
綜合而言，并聯機床當前需要解決的主要問題仍然表現在機床精度、剛度和作業空間等方面。隨著研究工作的深入，不斷涌現出新的研究成果，但上述問題依然沒有得到全面徹底的解決。
  }0 B8 P7 k- l# t- p4 C( s采用串/并聯混合結構是解決并聯機床精度和工作空間等問題的有效途徑之一。
并聯機床關節參數的標定也是機床設計研制的重要內容之一，同時也是影響其走向應用的重要方面，需要在標定原理、標定工具以及技術方法等方面加以深入研究。
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zhongxueyong

您好，看了您的這個文章很長見識，但是我想知道一下并聯機構在什么地方應用呢？為什么要提高機床的精度啊？什么場合需要這么高的精度呢？

黃文濤

請問您知道有哪些專門介紹并聯機床的網站嗎？國外的也行，謝謝你！

zss123

請問您知道有哪些專門介紹并聯機床的網站嗎？國外的也行，謝謝你！

zga3318060

實際上，并聯機床在國外在飛機制造裝配線上運用還是比較多的

eddyzhang

http://www.parallemic.org/

glocier

不錯的介紹 很好

趙國光

現在國內的并聯機床唯一的缺點就是剛性不好，  要求精度高   主軸轉速高   加工范圍比較廣泛，國內還沒有成型的產品，就清華大學在研究喝制作，我以前裝配過并聯機床，有點了解

qiguangtu123

并聯機構真的很強大，我現在在做并聯機器人，希望以后能進入并聯機床行業