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機床是裝備制造業(yè)的核心設備,，經過了長期的發(fā)展完善過程，自18世紀以來已經經歷了三個重要的發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)展，對生產過程的要求不斷提高,，特別是對資源環(huán)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(jié)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(yè)的研究熱點，從而引起了各國機床行業(yè)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(fā)的理論和技術基礎。 并聯機床的技術優(yōu)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(fā)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(tài)性能好、模塊化程度高,、易于重構以及機械結構簡單等優(yōu)點,。 并聯機床最明顯的優(yōu)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(yè)機械手串聯機構,。20世紀80年代,，機械手被應用于汽車產業(yè)并得到了巨大發(fā)展,。其主要應用是點焊、弧焊,、噴涂,、上下料作業(yè)。這些機械手工作在結構性環(huán)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(jié)串聯而成，作業(yè)空間大,，運動靈活,，適合于上下料、焊接作業(yè)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(yōu)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(jié)省鋼材,，在當今全球資源環(huán)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(guī)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(yōu)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(yōu)點極大地改善了機床的剛度重量比指標,，極大地節(jié)省了機床的材料消耗,，具有很好的發(fā)展前景。 并聯機床的研究開發(fā)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(fā)工作由機床企業(yè)、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(fā)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(fā)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(fā)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(yè)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(jié)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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發(fā)表于 2011-1-1 12:32:01
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