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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(gè)重要的發(fā)展階段,。在第一個(gè)階段機(jī)床采用的是集中的驅(qū)動(dòng)傳動(dòng),,由蒸汽機(jī)或直流電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組集中提供能源,通過傳動(dòng)系統(tǒng)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力輸送到每臺(tái)設(shè)備,,單臺(tái)機(jī)床不能獨(dú)立工作,。后來交流電動(dòng)機(jī)的問世,使機(jī)床進(jìn)入了第二個(gè)發(fā)展階段,。機(jī)床改由一臺(tái)或多臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),,克服了集中驅(qū)動(dòng)方式的不足,。第三個(gè)階段是機(jī)床的數(shù)字化控制和信息化階段在這一時(shí)期,電子和計(jì)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(dòng)和數(shù)字控制,。而這一類采用數(shù)字控制或計(jì)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(dòng),、可加工復(fù)雜零件的高檔數(shù)控機(jī)床更是成為競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。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(duì)生產(chǎn)過程的要求不斷提高,特別是對(duì)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(huì)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(shí)被媒體譽(yù)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(diǎn),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(jì)了一種6自由度的輪胎測(cè)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(jì)了一種含有3個(gè)支鏈的6自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái),,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(gè)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(gè)飛行模擬器,。至今,,由并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)造的多種運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)求解算法、動(dòng)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(jì)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(shí)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(shì)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(gè)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)梁結(jié)構(gòu)來承載切削力和部件重力,。具有剛度高、動(dòng)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(diǎn)。 并聯(lián)機(jī)床最明顯的優(yōu)勢(shì)是其桁架結(jié)構(gòu)帶來的良好的剛度特性,。典型的對(duì)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(diǎn)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(gè)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成,作業(yè)空間大,,運(yùn)動(dòng)靈活,,適合于上下料、焊接作業(yè)等場(chǎng)合,。但機(jī)械手的剛度特性較差,,難以達(dá)到很高的運(yùn)動(dòng)精度,也難以承受較大的載荷,。這些缺點(diǎn)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(gè)優(yōu)點(diǎn)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(gè)完全相同的連桿分支支撐運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。分支的模塊化特點(diǎn)使機(jī)床的設(shè)計(jì)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(diǎn)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(shì)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(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的結(jié)構(gòu),。機(jī)床的運(yùn)動(dòng)關(guān)系比較清晰,,運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的結(jié)果,,“實(shí)軸”(桿件)需要按照一定的運(yùn)動(dòng)學(xué)解算規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)才能得到要求的虛軸”軌跡,。因此并聯(lián)機(jī)床從運(yùn)動(dòng)機(jī)理上就是“多軸聯(lián)動(dòng)”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(gè)優(yōu)勢(shì),。并聯(lián)機(jī)床可以方便地實(shí)現(xiàn)空間復(fù)雜軌跡的運(yùn)動(dòng),,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(diǎn)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(huì)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(huì)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(tái)機(jī)構(gòu)。Stewart平臺(tái)是由安裝在基座上的6根可伸縮的連桿支撐一個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)而構(gòu)成,,每個(gè)連桿的兩端通過鉸鏈與基座和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)相連接,。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有6個(gè)空間運(yùn)動(dòng)自由度,,可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。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(jì)劃中立項(xiàng)支持了中科院沈陽自動(dòng)化研究所提出的并聯(lián)機(jī)床研究項(xiàng)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(dòng)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(jì)劃中也對(duì)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(dòng)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(jì)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(yùn)動(dòng)學(xué)求解問題,,并在運(yùn)動(dòng)控制中實(shí)時(shí)地使用運(yùn)動(dòng)學(xué)解算結(jié)果,因此對(duì)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(jì)方面,,為了方便工件裝夾,多數(shù)機(jī)床采用了基座和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)倒置的形式,,將運(yùn)動(dòng)平臺(tái)置于基座的下方,,而基座則設(shè)計(jì)成一個(gè)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(tái)機(jī)構(gòu)存在著作業(yè)空間較小的問題,。設(shè)計(jì)人員在并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)合不同機(jī)床的具體特點(diǎn),對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的改變,,設(shè)計(jì)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(jì)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(yùn)動(dòng)精度,。將并聯(lián)單元作為機(jī)床的一個(gè)“部件”來設(shè)計(jì),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(shí)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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