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機(jī)床是裝備制造業(yè)的核心設(shè)備,，經(jīng)過了長期的發(fā)展完善過程，自18世紀(jì)以來已經(jīng)經(jīng)歷了三個重要的發(fā)展階段,。在第一個階段機(jī)床采用的是集中的驅(qū)動傳動,，由蒸汽機(jī)或直流電動機(jī)-發(fā)電機(jī)組集中提供能源,，通過傳動系統(tǒng)將旋轉(zhuǎn)運動和動力輸送到每臺設(shè)備,，單臺機(jī)床不能獨立工作。后來交流電動機(jī)的問世,，使機(jī)床進(jìn)入了第二個發(fā)展階段,。機(jī)床改由一臺或多臺交流電動機(jī)驅(qū)動，克服了集中驅(qū)動方式的不足,。第三個階段是機(jī)床的數(shù)字化控制和信息化階段在這一時期,，電子和計算機(jī)技術(shù)與機(jī)械加工過程聯(lián)系起來，機(jī)床開始采用伺服驅(qū)動和數(shù)字控制,。而這一類采用數(shù)字控制或計算機(jī)控制的機(jī)床也被人們稱為數(shù)控機(jī)床,。 數(shù)控機(jī)床在高精密高效率機(jī)械加工領(lǐng)域扮演了重要的角色，特別是多軸聯(lián)動,、可加工復(fù)雜零件的高檔數(shù)控機(jī)床更是成為競爭的制高點。西方國家也把高檔數(shù)控加工技術(shù)列為其技術(shù)出口限制范疇,。 隨著制造技術(shù)的發(fā)展,，對生產(chǎn)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(jī)械加工過程更加高效,、精密,、清潔，更加節(jié)省資源,。 并聯(lián)機(jī)床屬于新結(jié)構(gòu)機(jī)床,，其主要特征在于機(jī)床中采用了不同于傳統(tǒng)機(jī)床的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。1994年的芝加哥機(jī)床展覽會上,，Giddings&Lewis公司和Ingersoll公司分別推出了基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六足機(jī)床,。當(dāng)時被媒體譽為“機(jī)床結(jié)構(gòu)的重大革命”、“21世紀(jì)的數(shù)控加工裝備”,。并聯(lián)機(jī)床逐步成為制造業(yè)的研究熱點,，從而引起了各國機(jī)床行業(yè)的極大興趣和廣泛關(guān)注。 并聯(lián)機(jī)構(gòu)在諸多領(lǐng)域的成功應(yīng)用并聯(lián)機(jī)構(gòu)本身的研究和應(yīng)用很早就已經(jīng)開始了,。1947年,，英國人Gough采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計了一種6自由度的輪胎測試機(jī)，這種機(jī)構(gòu)被稱為六足結(jié)構(gòu)(Hexapod),。1965年,，Stewart的著名論文問世，他設(shè)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(yīng)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(lián)機(jī)構(gòu)，引起了學(xué)術(shù)界的興趣,，人們也常將這類并聯(lián)機(jī)構(gòu)稱為Stewart機(jī)構(gòu),。1964年美國工程師Klaus Cappel提出了一個稱為八面體的六腿機(jī)構(gòu)并利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)建造了世界上第一個飛行模擬器。至今,，由并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)造的多種運動模擬器得到了廣泛應(yīng)用,。 1978年，澳大利亞機(jī)構(gòu)學(xué)家Hunt提出將并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于機(jī)器人操作,，并聯(lián)機(jī)構(gòu)在機(jī)器人研究領(lǐng)域得到關(guān)注,，在并聯(lián)機(jī)器人運動學(xué)求解算法、動力學(xué)性能分析,、誤差建模與分析,、并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計及并聯(lián)機(jī)器人應(yīng)用等方面進(jìn)行了深入的研究，產(chǎn)生了很多理論和應(yīng)用研究成果,。這些成果同時也成為并聯(lián)機(jī)床研究與開發(fā)的理論和技術(shù)基礎(chǔ),。 并聯(lián)機(jī)床的技術(shù)優(yōu)勢并聯(lián)機(jī)床以空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，使將近兩個世紀(jì)以來以笛卡爾坐標(biāo)直線位移為基礎(chǔ)的機(jī)床結(jié)構(gòu)和運動學(xué)原理發(fā)生了根本變化。并聯(lián)機(jī)床以桁架桿系結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)機(jī)床的懸臂梁和兩支點梁結(jié)構(gòu)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(gòu)以及機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點,。 并聯(lián)機(jī)床最明顯的優(yōu)勢是其桁架結(jié)構(gòu)帶來的良好的剛度特性。典型的對比是工業(yè)機(jī)械手串聯(lián)機(jī)構(gòu),。20世紀(jì)80年代,，機(jī)械手被應(yīng)用于汽車產(chǎn)業(yè)并得到了巨大發(fā)展。其主要應(yīng)用是點焊,、弧焊,、噴涂、上下料作業(yè),。這些機(jī)械手工作在結(jié)構(gòu)性環(huán)境中,，按照事先示教編好的程序重復(fù)不斷地工作。機(jī)械手是由多個關(guān)節(jié)串聯(lián)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(jī)械手的剛度特性較差，難以達(dá)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(jī)械手不能應(yīng)用于機(jī)械加工。而并聯(lián)機(jī)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(jī)械加工要求,。 并聯(lián)機(jī)床的另一個優(yōu)點是其模塊化結(jié)構(gòu)。比如典型的6自由度Stewart機(jī)構(gòu)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(jī)床的設(shè)計加工等多方面得以簡化,。此外，并聯(lián)機(jī)床桁架結(jié)構(gòu)的特點使機(jī)床具有良好的剛度重量比,，單位剛度的機(jī)構(gòu)本體重量得以大大減小,，可大量節(jié)省鋼材，在當(dāng)今全球資源環(huán)境日益緊張的形勢下意義重大,。 傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床主要是簡單的串聯(lián)直角坐標(biāo)軸,，或帶有一兩個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的結(jié)構(gòu)。機(jī)床的運動關(guān)系比較清晰,，運動學(xué)求解也較為簡單,。坐標(biāo)軸之間沒有復(fù)雜的耦合關(guān)系,，操作直觀簡單。但是為了滿足機(jī)械加工的精度,，要求各坐標(biāo)軸具有很高的剛度,，因此機(jī)床的尺寸和重量都比較大。 與傳統(tǒng)機(jī)床不同,，并聯(lián)機(jī)床的刀具軌跡是“虛軸”運動的結(jié)果，“實軸”(桿件)需要按照一定的運動學(xué)解算規(guī)律進(jìn)行運動才能得到要求的虛軸”軌跡,。因此并聯(lián)機(jī)床從運動機(jī)理上就是“多軸聯(lián)動”的,。這也是并聯(lián)機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床相比所具有的一個優(yōu)勢。并聯(lián)機(jī)床可以方便地實現(xiàn)空間復(fù)雜軌跡的運動,，用于模具等復(fù)雜零件的加工,。 并聯(lián)機(jī)床桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點極大地改善了機(jī)床的剛度重量比指標(biāo)，極大地節(jié)省了機(jī)床的材料消耗,，具有很好的發(fā)展前景,。 并聯(lián)機(jī)床的研究開發(fā)與應(yīng)用在并聯(lián)機(jī)床研究方面，歐洲開展得最為深入,，其研究開發(fā)工作由機(jī)床企業(yè),、大學(xué)和其它研究機(jī)構(gòu)共同協(xié)作進(jìn)行。1998年起在德國定期舉辦與并聯(lián)機(jī)床密切相關(guān)的國際會議(Parallel Kinematics Seminar PKS),，至今已進(jìn)行了5屆,，成為并聯(lián)機(jī)床研究領(lǐng)域最重要的國際會議之一。在并聯(lián)機(jī)床研究初期,，其典型的機(jī)構(gòu)形式是Stewart平臺機(jī)構(gòu),。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(gòu)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(xiàn)平臺的移動和轉(zhuǎn)動。國外典型產(chǎn)品的代表有Ingersoll公司的OctahedralHexapod,Hexel公司的Tornado,，德國Mikromat公司的6X型機(jī)床,，日本OKUMA公司的并聯(lián)機(jī)床等。 并聯(lián)機(jī)床在我國也得到廣泛關(guān)注和重視,。1997年在國家“九五”科技攻關(guān)計劃中立項支持了中科院沈陽自動化研究所提出的并聯(lián)機(jī)床研究項目,，該所與清華大學(xué)、華中理工大學(xué)及大連機(jī)床集團(tuán)聯(lián)合研制成功五軸聯(lián)動并聯(lián)結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床,。 此外我國在國家自然科學(xué)基金,、863及其它多種科技計劃中也對并聯(lián)機(jī)床有關(guān)研究給予了廣泛支持，促進(jìn)了并聯(lián)機(jī)床研究的發(fā)展,，研制出多種并聯(lián)機(jī)床,。如大連機(jī)床集團(tuán)與清華大學(xué)聯(lián)合研制的DCB-510并聯(lián)機(jī)床，齊齊哈爾第二機(jī)床廠與清華大學(xué)共同研制的大型龍門式五軸聯(lián)動混聯(lián)機(jī)床等。 2008年哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司引進(jìn)使用Exechon公司并聯(lián)機(jī)床最新專利技術(shù)推出了新一代并聯(lián)機(jī)床LINKS-700,，標(biāo)志著我國并聯(lián)結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)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(lián)結(jié)構(gòu)單元，有效提高了機(jī)床的剛度和精度指標(biāo),。從并聯(lián)結(jié)構(gòu)總體形式上可以看出,，LINKS-700機(jī)床中的并聯(lián)單元是早期并聯(lián)結(jié)構(gòu)單元Tricept TR845的改進(jìn)形式。 在并聯(lián)機(jī)床設(shè)計開發(fā)過程中,，首先需要從原理上完成機(jī)床機(jī)構(gòu)的運動學(xué)求解問題,，并在運動控制中實時地使用運動學(xué)解算結(jié)果，因此對并聯(lián)機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)提出了較高的要求,。在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計方面,，為了方便工件裝夾，多數(shù)機(jī)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(shè)計成一個更大的固定部件用以提供良好的基礎(chǔ)支撐。倒置形式的不足之處是帶來了機(jī)床總體積和總重量的增加,。標(biāo)準(zhǔn)的Stewart并聯(lián)平臺機(jī)構(gòu)存在著作業(yè)空間較小的問題,。設(shè)計人員在并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計中結(jié)合不同機(jī)床的具體特點，對并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的改變,，設(shè)計出了多種不同形式的并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床,。 減少機(jī)床并聯(lián)部分的自由度數(shù)目有利于在其結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用低副結(jié)構(gòu)，進(jìn)而有利于提高機(jī)床關(guān)節(jié)部件的剛度和運動精度,。將并聯(lián)單元作為機(jī)床的一個“部件”來設(shè)計,，機(jī)床的總體工作空間將由串聯(lián)部分和并聯(lián)部分共同組成，因此實際上也可以回避并聯(lián)機(jī)構(gòu)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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