2022年行業(yè)分析機(jī)床結(jié)構(gòu)的革命性變革分析

機(jī)床結(jié)構(gòu)的革命性變革分析并聯(lián)機(jī)床又稱為虛擬軸機(jī)床或并聯(lián)機(jī)器人，是機(jī)器人技術(shù)與機(jī)床技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的高科技產(chǎn)品。國(guó)際學(xué)術(shù)界和工程界高度重視并聯(lián)機(jī)床的討論與開發(fā)，相繼推出了幾種結(jié)構(gòu)相像而名稱各異的原型樣機(jī)。本文具體介紹并聯(lián)機(jī)床的討論進(jìn)程，并與讀者共享國(guó)內(nèi)外討論的最新成果，文章還進(jìn)一步探討并聯(lián)機(jī)床的討論方向。

在今年4月舉辦的CIMT展會(huì)上，哈爾濱量具刃具集團(tuán)數(shù)控設(shè)備公司展出了一種具有新的突破意義的并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床LINKS-EXE700。該并聯(lián)機(jī)床特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，加工范圍增大，掩蓋空間x軸方向2m、y軸方向1m、z軸方向0.5m，動(dòng)作快速，x、y軸的快速進(jìn)給分別達(dá)到125米m/min、加速度3g，z軸方向45m/min、加速度1g，剛性和精度提高，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控編程與使用常規(guī)化，可以加工五面體，在工件特殊裝夾的狀況下，還可作六面加工，這是目前任何機(jī)床結(jié)構(gòu)都做不到的。進(jìn)行不同功能配置后，可廣泛應(yīng)用于航天、航空、汽車、模具工業(yè)作切削、磨削、焊接、鉚接、打毛刺和裝配之用，可以單機(jī)使用，也可以配置成生產(chǎn)線。

并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)完全不同于全部的傳統(tǒng)機(jī)床。傳統(tǒng)機(jī)床結(jié)構(gòu)是按笛卡爾坐標(biāo)沿三個(gè)坐標(biāo)線方向運(yùn)動(dòng)和繞這三個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)依次串聯(lián)疊加來(lái)形成所需刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡，其全部的幾何精度誤差、力的傳遞和剛度的損失，都會(huì)是串聯(lián)累積的。在近二十年消失的并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床，通過(guò)多桿結(jié)構(gòu)在空間同時(shí)運(yùn)動(dòng)來(lái)移動(dòng)主軸頭，與串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比，具有更為簡(jiǎn)潔、剛度高、動(dòng)態(tài)性能更好等一系列優(yōu)點(diǎn)，世界范圍內(nèi)也許有二、三十家在從事這方面的研發(fā)，中國(guó)機(jī)床工具業(yè)也有七、八個(gè)團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行研發(fā)工作。

并聯(lián)機(jī)床的討論進(jìn)程

并聯(lián)機(jī)床(ParallelKinematicMachine，簡(jiǎn)稱PKM)又稱為虛擬軸機(jī)床或并聯(lián)機(jī)器人，是機(jī)器人技術(shù)與機(jī)床技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的高科技產(chǎn)品，具有高精度、高剛性、高速度、高加速度、高柔性、高敏捷性、推力大、重量輕等優(yōu)異性能。1994年美國(guó)Ingersoll公司和GL公司首次在IMTS上展出了并聯(lián)機(jī)床。自其在IMTS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。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，采納了多桿并聯(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、超高速加工更簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)。由于這種機(jī)床具有高剛度、高承載力量、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、制造成本低、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域都得到了勝利的應(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)，而且在使用上更具有用價(jià)值。

隨著高速切削的不斷進(jìn)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)高速化漸漸成為技術(shù)進(jìn)展的瓶頸，而并聯(lián)式平臺(tái)便成為最佳的候選對(duì)象。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)。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、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)大幅削減，主要由滾珠絲杠、虎克鉸、球鉸、伺服電機(jī)等通用組件組成，這些通用組件可由特地廠家生產(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，簡(jiǎn)單組裝和搬運(yùn)。

結(jié)構(gòu)剛度高

由于采納了封閉性的結(jié)構(gòu)(closed-loopstructure)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)，在外力肯定時(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。

加工速度高，慣性低

假如結(jié)構(gòu)所承受的力會(huì)轉(zhuǎn)變方向，(介于張力與壓力之間)，兩力構(gòu)件將會(huì)是最節(jié)約材料的結(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)器很簡(jiǎn)單高速化，且擁有低慣性。

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)刀具的位置和姿勢(shì)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(averagingeffect)；其擁有熱對(duì)稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此熱變形較??；故它具有高精度的優(yōu)點(diǎn)。

多功能敏捷性強(qiáng)。

由于該機(jī)床機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)潔掌握便利，較簡(jiǎn)單依據(jù)加工對(duì)象而將其設(shè)計(jì)成專用機(jī)床，同時(shí)也可以將之開發(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)用和巿場(chǎng)前景，在國(guó)防和民用方面都有著非常寬闊的應(yīng)用前景。

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。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，只需轉(zhuǎn)變連桿長(zhǎng)度和接點(diǎn)位置，維護(hù)也簡(jiǎn)單，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。

變換座標(biāo)系便利

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，特別便利。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(由于高剛性)，以及動(dòng)態(tài)誤差(由于低慣量)。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)，掌握器遇到奇異點(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)命令而造成掌握誤差，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力量，無(wú)法完成固定負(fù)載對(duì)象。

并聯(lián)機(jī)床的國(guó)內(nèi)外討論成果

1997年歐洲國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)(EMO'97)上已有美、英、德等國(guó)廠商展出了10余臺(tái)并聯(lián)機(jī)床。歐洲“創(chuàng)新制造方案(IMI)”聯(lián)盟將并聯(lián)機(jī)床納入名為“航空制造快速反應(yīng)”的討論方案之中。日本也有10多家公司和討論機(jī)構(gòu)在研制和生產(chǎn)并聯(lián)機(jī)床。在1997年召開的第47屆國(guó)際機(jī)械加工技術(shù)科學(xué)討論會(huì)(CIRP)年會(huì)上，機(jī)床設(shè)計(jì)委員會(huì)(MTC)將并聯(lián)機(jī)床列為1998年大會(huì)的主題報(bào)告內(nèi)容。2022年4月在德國(guó)召開的并聯(lián)機(jī)床專題國(guó)際研討會(huì)(PKS'2022)上，各國(guó)專家學(xué)者發(fā)表了有關(guān)并聯(lián)機(jī)床的最新討論成果。目前，國(guó)際學(xué)術(shù)界和工程界高度重視并聯(lián)機(jī)床的討論與開發(fā)，對(duì)這種新型數(shù)控加工裝備的應(yīng)用前景和巿場(chǎng)潛力特別樂(lè)觀，紛紛投入大量人力物力競(jìng)相開發(fā)，相繼推出了幾種結(jié)構(gòu)相像而名稱各異的原型樣機(jī)。

并聯(lián)機(jī)床的討論始自1965年Stewart提出聞名的Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu)，從今開頭了基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的虛擬機(jī)床討論。但開頭，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)已漸漸降溫。這是由于并聯(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)外有很多公司和討論單位在討論虛擬軸機(jī)床。中國(guó)的并聯(lián)機(jī)床討論起步較晚，但成果顯著。

其中清華高校是國(guó)內(nèi)最早開頭進(jìn)行虛擬軸機(jī)床討論的單位之一，對(duì)虛擬軸機(jī)床以及多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了深化討論，并于1997年12月25日與天津高校合作，共同開發(fā)出中國(guó)第一臺(tái)大型鏜銑類虛擬軸機(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)建筑等關(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國(guó)際首創(chuàng)。

昆明機(jī)床股份有限公司、江東機(jī)床廠和大連機(jī)床廠聯(lián)合研制的三種不同構(gòu)型的機(jī)床已經(jīng)問(wèn)世，并于2022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，更能滿意簡(jiǎn)單特種零件的加工，其綜合指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。與江東機(jī)床廠聯(lián)合開發(fā)的一臺(tái)龍門式虛擬軸機(jī)床，結(jié)構(gòu)采納雙柱龍門工作臺(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)，采納傳統(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)。

另外由天津高校設(shè)計(jì)并與天津巿第一機(jī)床廠聯(lián)合研制的并聯(lián)機(jī)床也獲得勝利并達(dá)到有用化水平。哈工大與齊齊哈爾其次機(jī)床企業(yè)集團(tuán)聯(lián)合研制了BJ-1并聯(lián)機(jī)床。東北高校研制的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。

由國(guó)防科技高校和香港科技高校聯(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)床進(jìn)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。

國(guó)外，瑞典NeosRobotics公司由于采納了并聯(lián)加串聯(lián)的方案，從低層次應(yīng)用做起，逐步積累閱歷和財(cái)力，向高層次應(yīng)用進(jìn)展，以及采納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)入有用。德國(guó)Fraunhofer機(jī)床和成型技術(shù)討論所開發(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)床用于車床，生產(chǎn)出了V100型三桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)的“倒立車”(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，但不作任何直線運(yùn)動(dòng)的立式車床，中國(guó)習(xí)稱為“倒立車”)。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：①形狀緊湊。車床不象加工中心，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采納兩根桿起一根桿作用的雙桿機(jī)構(gòu)，與中國(guó)天津第一機(jī)床總廠結(jié)構(gòu)類似。

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)的一般銑床升級(jí)為5軸聯(lián)動(dòng)銑床。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)稱五自由度和六自由度等類型。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。

并聯(lián)機(jī)床的討論方向

討論并聯(lián)機(jī)床自由度計(jì)算、運(yùn)動(dòng)副類型、支鉸類型以及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、建模與仿真等問(wèn)題。并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)空間的討論包括運(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)搜尋法等)、機(jī)床干涉計(jì)算及位置分析等。

并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括許多內(nèi)容，如機(jī)床的總體布局、平安機(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)建筑、數(shù)控系統(tǒng)編程、數(shù)控加工過(guò)程仿真等)、并聯(lián)機(jī)床剛度、精度、柔度、靈活度的討論。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)其討論應(yīng)予以足夠的重視。

關(guān)于并聯(lián)機(jī)床精度的討論仍是國(guó)際難題，包括機(jī)床系統(tǒng)硬件討論及機(jī)床制造前精度設(shè)計(jì)和精度描述、系統(tǒng)輸出精度討論及機(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)床柔度的討論包括柔度分析、柔度評(píng)價(jià)指標(biāo)及其在工作空間內(nèi)的分布等方面。靈活度主要討論靈活度指標(biāo)及其分布等。并聯(lián)機(jī)床誤差討論包括誤差分析、建模及誤差精度保證、測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)等問(wèn)題。并聯(lián)機(jī)床模塊設(shè)計(jì)與創(chuàng)建。依據(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。

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