并联机床：机床结构的革命性变革

三点水

并联机床又称为虚拟轴机床或并联机器人，是机器人技术与机床技术相结合产生的高科技产品。国际学术界和工程界高度重视并联机床的研究与开发，相继推出了几种结构相似而名称各异的原型样机。本文详细介绍并联机床的研究进程，并与读者分享国内外研究的最新成果，文章还进一步探讨并联机床的研究方向。


图1

在今年4月举办的CIMT展会上，哈尔滨量具刃具集团数控设备公司展出了一种具有新的突破意义的并联结构机床LINKS-EXE700。该并联机床特点是结构进一步简化，加工范围增大，覆盖空间x轴方向2m、y轴方向1m、z轴方向0.5m，动作快速，x、y轴的快速进给分别达到125米m/min、加速度3g，z轴方向45m/min、加速度1g，刚性和精度提高，五轴联动数控编程与使用常规化，可以加工五面体，在工件特别装夹的情况下，还可作六面加工，这是目前任何机床结构都做不到的。进行不同功能配置后，可广泛应用于航天、航空、汽车、模具工业作切削、磨削、焊接、铆接、打毛刺和装配之用，可以单机使用，也可以配置成生产线。
  
并联机床的结构完全不同于所有的传统机床。传统机床结构是按笛卡尔坐标沿三个坐标线方向运动和绕这三个坐标转动依次串联叠加来形成所需刀具的运动轨迹，其所有的几何精度误差、力的传递和刚度的损失，都会是串联累积的。在近二十年出现的并联结构机床，通过多杆结构在空间同时运动来移动主轴头，与串联结构相比，具有更为简单、刚度高、动态性能更好等一系列优点，世界范围内大概有二、三十家在从事这方面的研发，中国机床工具业也有七、八个团队在进行研发工作。
并联机床的研究进程
并联机床(Parallel Kinematic Machine，简称PKM)又称为虚拟轴机床或并联机器人，是机器人技术与机床技术相结合产生的高科技产品，具有高精度、高刚性、高速度、高加速度、高柔性、高灵活性、推力大、重量轻等优异性能。1994年美国Ingersoll公司和G&L公司首次在IMTS上展出了并联机床。自其在IMTS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。这种新型机床完全打破了传统机床结构的概念，抛弃了固定导轨的刀具导向方式，采用了多杆并联机构驱动，大大提高了机床的刚度，使加工精度和加工质量都有较大的改进。
  
另外，由于其进给速度的提高，从而使高速、超高速加工更容易实现。由于这种机床具有高刚度、高承载能力、机械结构简单、制造成本低、标准化程度高等优点，在许多领域都得到了成功的应用，因此受到学术界的广泛关注。由并联、串联同时组成的混联式数控机床，不但具有并联机床的优点，而且在使用上更具实用价值。
  
随着高速切削的不断发展，传统串联式机构构造平台的结构刚性与移动台高速化逐渐成为技术发展的瓶颈，而并联式平台便成为最佳的候选对象。相对于串联式机床来说，并联式工作平台具有如下特点和优点。
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、虎克铰、球铰、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。
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，其结构负荷流线短，而负荷分解的拉、压力由六只连杆同时承受，以材料力学的观点来说，在外力一定时，悬臂量的应力与变形都最大，两端插入(build-in)次之，再来是两端简支撑(simply-supported)，其次是受压的二力结构，应力与变形都最小的是受张力的二力结构，故其拥有高刚性。其刚度重量比高于传统的数控机床。
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，而它的移动件重量减至最低且同时由六个致动器驱动，因此机器很容易高速化，且拥有低惯性。
加工精度高
由于其为多轴并联机构组成，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，甚至还有平均化效果(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。
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巿场前景，在国防和民用方面都有着十分广阔的应用前景。
使用寿命长。
由于受力结构合理，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。
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)。而Stewart平台的劣势在于其工作空间较小，且其在工作空间上有着奇异点的限制，而串联工作平台，控制器遇到奇异点时，将会计算出驱动装置无法达成的驱动命令而造成控制误差，但Stewart平台在奇异位置会失去支撑部分方向的力或力矩的能力，无法完成固定负载对象。
并联机床的国内外研究成果
1997年欧洲国际机床展览会(EMO'97)上已有美、英、德等国厂商展出了10余台并联机床。欧洲“创新制造计划(IMI)”联盟将并联机床纳入名为“航空制造快速反应”的研究计划之中。日本也有10多家公司和研究机构在研制和生产并联机床。在1997年召开的第47届国际机械加工技术科学研究会(CIRP)年会上，机床设计委员会(MTC)将并联机床列为1998年大会的主题报告内容。2002年4月在德国召开的并联机床专题国际研讨会(PKS'2002)上，各国专家学者发表了有关并联机床的最新研究成果。目前，国际学术界和工程界高度重视并联机床的研究与开发，对这种新型数控加工装备的应用前景和巿场潜力非常乐观，纷纷投入大量人力物力竞相开发，相继推出了几种结构相似而名称各异的原型样机。
并联机床的研究始自1965年Stewart提出著名的Stewart平台机构，从此开始了基于Stewart并联机构的虚拟机床研究。但开始，人们还只是对这种机构停留在理论分析上。1994年，在美国芝加哥IMTS博览会上首次展出并引起世界轰动的并联6条腿机床(又称并联机床)，在经过随后持续三年的全球跟进浪潮后，在世界范围内已逐渐降温。这是因为并联机床在理论和实践上有一系列的难题，难以在短期内解决。目前，国内外有许多公司和研究单位在研究虚拟轴机床。中国的并联机床研究起步较晚，但成果显著。
其中清华大学是国内最早开始进行虚拟轴机床研究的单位之一，对虚拟轴机床以及多个相关领域进行了深入研究，并于1997年12月25日与天津大学合作，共同开发出中国第一台大型镗铣类虚拟轴机床原型样机——VAMT1Y。在虚拟轴机床设计理论与样机建造等关键技术方面达到了国际先进水平，其中部分理论成果属国际首创。
昆明机床股份有限公司、江东机床厂和大连机床厂联合研制的三种不同构型的机床已经问世，并于2001年在CIMT上展出，有望在近期实现商品化。与昆明机床股份有限公司共同研制的XNZ63虚拟轴机床，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，其综合指标达到了国际先进水平。与江东机床厂联合开发的一台龙门式虚拟轴机床，结构采用双柱龙门工作台移动式，可完成4坐标联动。与大连机床厂联合研制的DCB-510五轴联动串并联机床，能够通过并联机构实现X、Y和Z方向的移动，采用传统的串联方式实现主轴头的A和C方向的转动。
另外由天津大学设计并与天津巿第一机床厂联合研制的并联机床也获得成功并达到实用化水平。哈工大与齐齐哈尔第二机床企业集团联合研制了BJ-1并联机床。东北大学研制的DSX5-70型三杆虚拟轴机床是由三自由度的并联机构和两自由度的串联机构混联组成的五自由度虚拟轴机床。
由国防科技大学和香港科技大学联合研制的银河—2000虚拟轴机床是一种并联式六自由度机床，是由传统并联机床发展而来的，在保持原并联机构的诸多优点，如高刚度，高精度和高的运动速度外，用变异机构扩大了机床的运动范围。
国外，瑞典Neos Robotics公司由于采用了并联加串联的方案，从低层次应用做起，逐步积累经验和财力，向高层次应用发展，以及采用了三杆中央的中心管等正确的措施，其并联机床产品早已进入实用。德国Fraunhofer机床和成型技术研究所开发的6x型机床适于模具的高速加工，其主要技术参数为：工作台：630×630，X，Y，Z行程均为630mm，两个转动自由度范围为30°，主轴最高速度为3000r/min，功率为16kW，腿的最大进给速度为30m/min，加速度为10m/s。
德国Index的美国分公司将并联机床用于车床，生产出了V100型三杆并联机构的“倒立车”(即主轴和工件在上作X、Z轴运动，而刀具在下不动，可回转换刀，但不作任何直线运动的立式车床，中国习称为“倒立车”)。它具有如下优点：①外形紧凑。车床不象加工中心，工件相对刀具的移动范围较小，克服了并联机构空间有效利用率低的弱点。②车床一般只需两个自由度(X和Z轴)，现用三杆几何机构，可以获得X、Y、Z三个自由度，冗余的一个自由度可用作自由上下料用。另外，为了增加刚度，Index采用两根杆起一根杆作用的双杆机构，与中国天津第一机床总厂结构类似。
美国Hexel公司将6杆并联结构作成独立部件应用于转塔铣床。这可将低价的普通铣床升级为5轴联动铣床。瑞士技术院(ETH)、机床与制造技术院(IWF)和机器人院(IFR)也联合研制出了名为IWF的Hexaglide虚拟轴机床。迄今为止，我们了解的虚拟轴并联机床有二自由度、三自由度、法面三自由度、纯移动三自由度四自由度、对称五自由度和六自由度等类型。虚拟轴数控并联机床多用于虚拟轴六自由度数控机床。
并联机床的研究方向
研究并联机床自由度计算、运动副类型、支铰类型以及运动学分析、建模与仿真等问题。并联机床运动空间的研究包括运动空间分析及仿真、可达工作空间求解(如数值求解法、球坐标搜索法等)、机床干涉计算及位置分析等。
并联机床的结构设计包括很多内容，如机床的总体布局、安全机构设计、数控系统设计(包括数控平台建造、数控系统编程、数控加工过程仿真等)、并联机床刚度、精度、柔度、灵巧度的研究。并联机构封闭回路的特性，使并联机床较传统串联结构机床具有更高的刚度，但这个特性引起的耦合问题，相对的形成在动力分析上很大的困扰，因此对其研究应予以足够的重视。
关于并联机床精度的研究仍是国际难题，包括机床系统硬件研究及机床制造前精度设计和精度描述、系统输出精度研究及机床制造后输出数据处理和精度评价。并联机床柔度的研究包括柔度分析、柔度评价指标及其在工作空间内的分布等方面。灵巧度主要研究灵巧度指标及其分布等。并联机床误差研究包括误差分析、建模及误差精度保证、测量系统设计等问题。并联机床模块设计与创建。根据工件加工的空间型和平面型，相应地把并联机床分为空间型并联机床和平面型并联机床两大类。
并联机床按功能和结构可分为以下几个功能模块：①执行模块；②机座模块(静平台模块)；③动平台模块；④机架模块；⑤定位模块；⑥驱动模块；⑦控制和显示模块；⑧润滑与冷却模块。新型虚拟轴数控机床的研究。虚拟轴数控机床是“要用数学制造的机床”，因为这种机床的设计与运行要用到非常复杂的数学计算与推理。目前对于Stewart平台的理论研究已取得一些关键结论，还需进一步研究Stewart平台的综合分析，为虚拟轴数控机床的研制提供理论基础。并联机床控制的研究包括高速、高精度的控制算法，刀具运动轨迹的直接控制、开放式数控系统等。虚拟轴机床的最大特点是机械结构简单而控制复杂，因此这方面的研究在并联机床的研究中具有举足轻重的作用。