并联机床发展探讨

机床是装备制造业的核心设备，经过了长期的发展完善过程，自18世纪以来已经经历了三个重要的发展阶段。在第一个阶段机床采用的是集中的驱动传动，由蒸汽机或直流电动机-发电机组集中提供能源，通过传动系统将旋转运动和动力输送到每台设备，单台机床不能独立工作。后来交流电动机的问世，使机床进入了第二个发展阶段。机床改由一台或多台交流电动机驱动，克服了集中驱动方式的不足。第三个阶段是机床的数字化控制和信息化阶段在这一时期，电子和计算机技术与机械加工过程联系起来，机床开始采用伺服驱动和数字控制。而这一类采用数字控制或计算机控制的机床也被人们称为数控机床。 数控机床在高精密高效率机械加工领域扮演了重要的角色，特别是多轴联动、可加工复杂零件的高档数控机床更是成为竞争的制高点。西方国家也把高档数控加工技术列为其技术出口限制范畴。 随着制造技术的发展，对生产过程的要求不断提高，特别是对资源环境方面的要求越来越高，要求机械加工过程更加高效、精密、清洁，更加节省资源。 并联机床属于新结构机床，其主要特征在于机床中采用了不同于传统机床的并联机构。1994年的芝加哥机床展览会上，Giddings&Lewis公司和Ingersoll公司分别推出了基于并联机构的六足机床。当时被媒体誉为“机床结构的重大革命”、“21世纪的数控加工装备”。并联机床逐步成为制造业的研究热点，从而引起了各国机床行业的极大兴趣和广泛关注。 并联机构在诸多领域的成功应用并联机构本身的研究和应用很早就已经开始了。1947年，英国人Gough采用并联机构设计了一种6自由度的轮胎测试机，这种机构被称为六足结构(Hexapod)。1965年，Stewart的著名论文问世，他设计了一种含有3个支链的6自由度运动平台，并提出将其应用于飞行模拟器。Stewart通过研究论文的方式第一次向世界展示了并联机构，引起了学术界的兴趣，人们也常将这类并联机构称为Stewart机构。1964年美国工程师Klaus Cappel提出了一个称为八面体的六腿机构并利用并联机构建造了世界上第一个飞行模拟器。至今，由并联机构构造的多种运动模拟器得到了广泛应用。 1978年，澳大利亚机构学家Hunt提出将并联机构应用于机器人操作，并联机构在机器人研究领域得到关注，在并联机器人运动学求解算法、动力学性能分析、误差建模与分析、并联机器人机构设计及并联机器人应用等方面进行了深入的研究，产生了很多理论和应用研究成果。这些成果同时也成为并联机床研究与开发的理论和技术基础。 并联机床的技术优势并联机床以空间并联机构为基础，使将近两个世纪以来以笛卡尔坐标直线位移为基础的机床结构和运动学原理发生了根本变化。并联机床以桁架杆系结构取代传统机床的悬臂梁和两支点梁结构来承载切削力和部件重力。具有刚度高、动态性能好、模块化程度高、易于重构以及机械结构简单等优点。 并联机床最明显的优势是其桁架结构带来的良好的刚度特性。典型的对比是工业机械手串联机构。20世纪80年代，机械手被应用于汽车产业并得到了巨大发展。其主要应用是点焊、弧焊、喷涂、上下料作业。这些机械手工作在结构性环境中，按照事先示教编好的程序重复不断地工作。机械手是由多个关节串联而成，作业空间大，运动灵活，适合于上下料、焊接作业等场合。但机械手的刚度特性较差，难以达到很高的运动精度，也难以承受较大的载荷。这些缺点决定了机械手不能应用于机械加工。而并联机床则从原理上就具有很好的刚度特性和承载能力，可满足机械加工要求。 并联机床的另一个优点是其模块化结构。比如典型的6自由度Stewart机构是由6个完全相同的连杆分支支撑运动平台。分支的模块化特点使机床的设计加工等多方面得以简化。此外，并联机床桁架结构的特点使机床具有良好的刚度重量比，单位刚度的机构本体重量得以大大减小，可大量节省钢材，在当今全球资源环境日益紧张的形势下意义重大。 传统数控机床主要是简单的串联直角坐标轴，或带有一两个旋转坐标轴的结构。机床的运动关系比较清晰，运动学求解也较为简单。坐标轴之间没有复杂的耦合关系，操作直观简单。但是为了满足机械加工的精度，要求各坐标轴具有很高的刚度，因此机床的尺寸和重量都比较大。 与传统机床不同，并联机床的刀具轨迹是“虚轴”运动的结果，“实轴”(杆件)需要按照一定的运动学解算规律进行运动才能得到要求的虚轴”轨迹。因此并联机床从运动机理上就是“多轴联动”的。这也是并联机床与传统机床相比所具有的一个优势。并联机床可以方便地实现空间复杂轨迹的运动，用于模具等复杂零件的加工。 并联机床桁架结构的优点极大地改善了机床的刚度重量比指标，极大地节省了机床的材料消耗，具有很好的发展前景。 并联机床的研究开发与应用在并联机床研究方面，欧洲开展得最为深入，其研究开发工作由机床企业、大学和其它研究机构共同协作进行。1998年起在德国定期举办与并联机床密切相关的国际会议(Parallel Kinematics Seminar PKS)，至今已进行了5届，成为并联机床研究领域最重要的国际会议之一。在并联机床研究初期，其典型的机构形式是Stewart平台机构。Stewart平台是由安装在基座上的6根可伸缩的连杆支撑一个运动平台而构成，每个连杆的两端通过铰链与基座和运动平台相连接。运动平台具有6个空间运动自由度，可实现平台的移动和转动。国外典型产品的代表有Ingersoll公司的OctahedralHexapod,Hexel公司的Tornado，德国Mikromat公司的6X型机床，日本OKUMA公司的并联机床等。 并联机床在我国也得到广泛关注和重视。1997年在国家“九五”科技攻关计划中立项支持了中科院沈阳自动化研究所提出的并联机床研究项目，该所与清华大学、华中理工大学及大连机床集团联合研制成功五轴联动并联结构数控机床。 此外我国在国家自然科学基金、863及其它多种科技计划中也对并联机床有关研究给予了广泛支持，促进了并联机床研究的发展，研制出多种并联机床。如大连机床集团与清华大学联合研制的DCB-510并联机床，齐齐哈尔第二机床厂与清华大学共同研制的大型龙门式五轴联动混联机床等。 2008年哈尔滨量具刃具集团有限责任公司引进使用Exechon公司并联机床最新专利技术推出了新一代并联机床LINKS-700，标志着我国并联结构数控机床研究开发的新阶段。在LINKS-700中使用了Exechon公司的最新并联结构单元，有效提高了机床的刚度和精度指标。从并联结构总体形式上可以看出，LINKS-700机床中的并联单元是早期并联结构单元Tricept TR845的改进形式。 在并联机床设计开发过程中，首先需要从原理上完成机床机构的运动学求解问题，并在运动控制中实时地使用运动学解算结果，因此对并联机床的数控系统提出了较高的要求。在机床结构设计方面，为了方便工件装夹，多数机床采用了基座和运动平台倒置的形式，将运动平台置于基座的下方，而基座则设计成一个更大的固定部件用以提供良好的基础支撑。倒置形式的不足之处是带来了机床总体积和总重量的增加。标准的Stewart并联平台机构存在着作业空间较小的问题。设计人员在并联结构设计中结合不同机床的具体特点，对并联机构进行了相应的改变，设计出了多种不同形式的并联结构机床。 减少机床并联部分的自由度数目有利于在其结构设计中采用低副结构，进而有利于提高机床关节部件的刚度和运动精度。将并联单元作为机床的一个“部件”来设计，机床的总体工作空间将由串联部分和并联部分共同组成，因此实际上也可以回避并联机构本身带来的工作空间过小的问题。