并聯(lián)機床是基于空間并聯(lián)機構Stewart平臺原理開(kāi)發(fā)的,是近年才出現的一種新概念機床,它是并聯(lián)機器人機構與機床結合的產(chǎn)物,是空間機構學(xué)、機械制造、數控技術(shù)、計算機軟硬技術(shù)和CAD/CAM技術(shù)高度結合的高科技產(chǎn)品。它克服了傳統機床串聯(lián)機構刀具只能沿固定導軌進(jìn)給、刀具作業(yè)自由度偏低、設備加工靈活性和機動(dòng)性不夠等固有缺陷,可實(shí)現多坐標聯(lián)動(dòng)數控加工、裝配和測量多種功能,更能滿(mǎn)足復雜特種零件的加工。
自其1994年在美國芝加哥機床展上首次面世即被譽(yù)為是“21世紀的機床”,成為機床家族中最有生命力的新成員。1 并聯(lián)機床的特點(diǎn)整體而言,傳統的串聯(lián)機構機床,是屬于數學(xué)簡(jiǎn)單而機構復雜的機床,而相對的,并聯(lián)機構機床則機構簡(jiǎn)單而數學(xué)復雜,整個(gè)平臺的運動(dòng)牽涉到相當龐大的數學(xué)運算,因此虛擬軸并聯(lián)機床是一種知識密集型機構。這種新型機床完全打破了傳統機床結構的概念,拋棄了固定導軌的刀具導向方式,采用了多桿并聯(lián)機構驅動(dòng),大大提高了機床的剛度,使加工精度和加工質(zhì)量都有較大的改進(jìn)。
另外,由于其進(jìn)給速度的提高,從而使高速、超高速加工更容易實(shí)現。由于這種機床具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度以及重量輕、機械結構簡(jiǎn)單、制造成本低、標準化程度高等優(yōu)點(diǎn),在許多領(lǐng)域都得到了成功的應用,因此受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。由并聯(lián)、串聯(lián)同時(shí)組成的混聯(lián)式數控機床,不但具有并聯(lián)機床的優(yōu)點(diǎn),而且在使用上更具實(shí)用價(jià)值。
隨著(zhù)高速切削的不斷發(fā)展,傳統串聯(lián)式機構構造平臺的結構剛性與移動(dòng)臺高速化逐漸成為技術(shù)發(fā)展的瓶頸,而并聯(lián)式平臺便成為最佳的候選對象,而相對于串聯(lián)式機床來(lái)說(shuō),并聯(lián)式工作平臺具有如下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn):結構簡(jiǎn)單、價(jià)格低。機床機械零部件數目較串聯(lián)構造平臺大幅減少,主要由滾珠絲杠、虎克鉸、球鉸、伺服電機等通用組件組成,這些通用組件可由專(zhuān)門(mén)廠(chǎng)家生產(chǎn),因而本機床的制造和庫存成本比相同功能的傳統機床低得多,容易組裝和搬運。結構剛度高。
由于采用了封閉性的結構(closed-loop structure)使其具有高剛性和高速化的優(yōu)點(diǎn),其結構負荷流線(xiàn)短,而負荷分解的拉、壓力由六只連桿同時(shí)承受,以材料力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)說(shuō),在外力一定時(shí),懸臂量的應力與變形都最大,兩端插入(build-in)次之,再來(lái)是兩端簡(jiǎn)支撐(simply-supported),其次是受壓的二力結構,應力與變形都最小的是受張力的二力結構,故其擁有高剛性。其剛度重量比高于傳統的數控機床。加工速度高,慣性低。
如果結構所承受的力會(huì )改變方向,(介于張力與壓力之間),兩力構件將會(huì )是最節省材料的結構,而它的移動(dòng)件重量減至最低且同時(shí)由六個(gè)致動(dòng)器驅動(dòng),因此機器很容易高速化,且擁有低慣性。加工精度高。由于其為多軸并聯(lián)機構組成,六個(gè)可伸縮桿桿長(cháng)都單獨對刀具的位置和姿態(tài)起作用,因而不存在傳統機床(即串聯(lián)機床)的幾何誤差累積和放大的現象,甚至還有平均化效果(averaging effect);其擁有熱對稱(chēng)性結構設計,因此熱變形較小;故它具有高精度的優(yōu)點(diǎn)。多功能靈活性強。
由于該機床機構簡(jiǎn)單控制方便,較容易根據加工對象而將其設計成專(zhuān)用機床,同時(shí)也可以將之開(kāi)發(fā)成通用機床,用以實(shí)現銑削、鏜削、磨削等加工,還可以配備必要的測量工具把它組成測量機,以實(shí)現機床的多功能。這將會(huì )帶來(lái)很大的應用和市場(chǎng)前景,在國防和民用方面都有著(zhù)十分廣闊的應用前景。使用壽命長(cháng)。
由于受力結構合理,運動(dòng)部件磨損小,且沒(méi)有導軌,不存在鐵屑或冷卻液進(jìn)入導軌內部而導致其劃傷、磨損或銹蝕現象。Stewart平臺適合于模塊化生產(chǎn)。對于不同的機器加工范圍,只需改變連桿長(cháng)度和接點(diǎn)位置,維護也容易,無(wú)須進(jìn)行機件的再制和調整,只需將新的機構參數輸入。變換座標系方便。
由于沒(méi)有實(shí)體座標系,機床座標系與工件座標系的轉換全部靠軟件完成,非常方便。Stewart平臺應用于機床與機器人時(shí),可以降低靜態(tài)誤差(因為高剛性),以及動(dòng)態(tài)誤差(因為低慣量)。而Stewart平臺的劣勢在于其工作空間較小,且其在工作空間上有著(zhù)奇異點(diǎn)的限制,而串聯(lián)工作平臺,控制器遇到奇異點(diǎn)時(shí),將會(huì )計算出驅動(dòng)裝置無(wú)法達成的驅動(dòng)命令而造成控制誤差,但Stewart平臺在奇異位置會(huì )失去支撐部分方向的力或力矩的能力,無(wú)法完成固定負載對象。
DCB510并聯(lián)機床2 并聯(lián)機床的研究現狀自從1965年Stewart提出著(zhù)名的Stewart平臺機構,從此開(kāi)始了基于Stewart并聯(lián)機構的虛擬機床研究。但開(kāi)始,人們還只是對這種機構停留在理論分析上。1994年,在美國芝加哥IMTS博覽會(huì )上首次展出并引起世界轟動(dòng)的并聯(lián)6條腿機床(又稱(chēng)并聯(lián)機床),在經(jīng)過(guò)隨后持續三年的全球跟進(jìn)浪潮后,在世界范圍內已逐漸降溫。這是因為并聯(lián)機床在理論和實(shí)踐上有一系列的難題,難以在短期內解決。目前,國內外有許多公司和研究單位在研究虛擬軸機床。我國的并聯(lián)機床研究起步較晚,但成果顯著(zhù)。
其中清華大學(xué)是國內最早開(kāi)始進(jìn)行虛擬軸機床研究的單位之一,對虛擬軸機床以及多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究,并于1997年12月25日與天津大學(xué)合作,共同開(kāi)發(fā)出我國第一臺大型鏜銑類(lèi)虛擬軸機床原型樣機-VAMT1Y。在虛擬軸機床設計理論與樣機建造等關(guān)鍵技術(shù)方面達到了國際先進(jìn)水平,其中部分理論成果屬?lài)H首創(chuàng )。目前正在進(jìn)行虛擬軸機床系列化、實(shí)用化的研究,與多家機床骨干廠(chǎng)家進(jìn)行了新型虛擬軸機床商品化樣機的研制工作,以期實(shí)現虛擬軸機床的產(chǎn)業(yè)化。
其中與昆明機床股份有限公司、江東機床廠(chǎng)和大連機床廠(chǎng)聯(lián)合研制的三種不同構型的機床已經(jīng)問(wèn)世,并與2001年在CIMT上展出,有望在近期實(shí)現商品化。與昆明機床股份有限公司共同研制的XNZ63虛擬軸機床,可實(shí)現多坐標聯(lián)動(dòng)數控加工、裝配和測量多種功能,更能滿(mǎn)足復雜特種零件的加工,其綜合指標達到了國際先進(jìn)水平。與江東機床廠(chǎng)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一臺龍門(mén)式虛擬軸機床,結構采用雙柱龍門(mén)工作臺移動(dòng)式,可完成4坐標聯(lián)動(dòng)。與大連機床廠(chǎng)聯(lián)合研制的DCB-510五軸聯(lián)動(dòng)串并聯(lián)機床,能夠通過(guò)并聯(lián)機構實(shí)現X、Y和Z方向的移動(dòng),采用傳統的串聯(lián)方式實(shí)現主軸頭的A和C方向的轉動(dòng)。
另外由天津大學(xué)設計并與天津市第一機床廠(chǎng)聯(lián)合研制的并聯(lián)機床也獲得成功并達到實(shí)用化水平。哈工大與齊齊哈爾第二機床企業(yè)集團聯(lián)合研制的BJ-1并聯(lián)機床,現有機型技術(shù)參數為:①加工范圍:f400×250;②主軸轉速:0~8000 r/min;③電主軸功率:9kW;④桿系伺服電機功率:0.75kW;⑤重復性精度:0.002mm(靜態(tài));⑥定位精度:0.015mm;⑦體積: 1800×1500×2300;⑧數控系統:研華工控機+六軸聯(lián)動(dòng)卡。東北大學(xué)最新研制的DSX5-70型三桿虛擬軸機床是由三自由度的并聯(lián)機構和兩自由度的串聯(lián)機構混聯(lián)組成的五自由度虛擬軸機床。其中,兩自由度串聯(lián)機構置于運動(dòng)平臺上,整個(gè)機構通過(guò)三桿的伸縮和兩驅動(dòng)軸可實(shí)現五軸聯(lián)動(dòng),用以完成多種作業(yè)任務(wù)。
由國防科技大學(xué)和香港科技大學(xué)聯(lián)合研制的銀河——2000虛擬軸機床是一種并聯(lián)式六自由度機床,是由傳統并聯(lián)機床發(fā)展而來(lái)的,在保持原并聯(lián)機構的諸多優(yōu)點(diǎn),如高剛度,高精度和高的運動(dòng)速度外,用變異機構擴大了機床的運動(dòng)范圍。瑞典N(xiāo)eos Robotics公司由于采用了并聯(lián)加串聯(lián)的方案,從低層次應用做起,逐步積累經(jīng)驗和財力,向高層次應用發(fā)展,以及采用了三桿中央的中心管等正確的措施,其并聯(lián)機床產(chǎn)品早已進(jìn)入實(shí)用,至今已創(chuàng )200余臺的驚世銷(xiāo)售業(yè)績(jì)。該公司展出的Tricept845加工中心,其體積定位精度達到±50µm,重復定位精度達±10µm,這兩個(gè)指標距離傳統機床雖還有較大的差距,但對并聯(lián)機床已屬重大的突破,具有實(shí)用價(jià)值。其進(jìn)給速度已達90m/min,加速度已達2g,主軸功率為30~45kW,24,000~30,000r/min,采用瑞士IBAG公司電主軸、Siemens840D數控系統和Heidenhain 的測量系統。該加工中心采用模塊化結構。三桿結構組件有0°、45°、90°三種布局可任選(即分別組成臥式、傾斜45°和立式加工中心)。德國 Fraunhofer機床和成型技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)的6x型機床適于模具的高速加工,其主要技術(shù)參數為:工作臺:630×630,X,Y ,Z行程均為630mm,兩個(gè)轉動(dòng)自由度范圍為30°,主軸最高速度為3000r/min,功率為16kW,腿的最大進(jìn)給速度為30m/min,加速度為 10m/s。
德國Index的美國分公司將并聯(lián)機床用于車(chē)床,生產(chǎn)出了V100型三桿并聯(lián)機構的“倒立車(chē)”(即主軸和工件在上作X、Z軸運動(dòng),而刀具在下不動(dòng),可回轉換刀,但不作任何直線(xiàn)運動(dòng)的立式車(chē)床,我國習稱(chēng)為“倒立車(chē)”)。它具有如下優(yōu)點(diǎn):①外形緊湊。車(chē)床不象加工中心,工件相對刀具的移動(dòng)范圍較小,克服了并聯(lián)機構空間有效利用率低的弱點(diǎn)。②車(chē)床一般只需兩個(gè)自由度(X和Z軸),現用三桿幾何機構,可以獲得X、Y、Z三個(gè)自由度,冗余的一個(gè)自由度可用作自由上下料用。另外,為了增加剛度,Index采用兩根桿起一根桿作用的雙桿機構,與我國天津第一機床總廠(chǎng)結構類(lèi)似。V100安裝5英寸卡盤(pán),其主要技術(shù)參數為:電主軸轉速為8000r/min,功率為26.48kW。X、Y、Z行程分別為1450mm、150mm、175mm,可自動(dòng)上下料。
美國Hexel公司將6桿并聯(lián)結構作成獨立部件應用于轉塔銑床。這可將低價(jià)的普通銑床升級為5軸聯(lián)動(dòng)銑床。其主要技術(shù)參數為:工作臺直徑710mm,X、 Y行程范圍為直徑305mm 的圓,Z軸178mm,A軸±25µm,最大進(jìn)給速度為5.1m/min,重91kg。瑞士技術(shù)院(ETH)、機床與制造技術(shù)院(IWF)和機器人院 (IFR)也聯(lián)合研制出了名為IWF的Hexaglide虛擬軸機床。迄今為止,我們了解的虛擬軸并聯(lián)機床有二自由度、三自由度、法面三自由度、純移動(dòng)三自由度四自由度、對稱(chēng)五自由度和六自由度等類(lèi)型。虛擬軸數控并聯(lián)機床多用于虛擬軸六自由度數控機床。3 并聯(lián)機床的研究方向并聯(lián)機床組成原理的研究。
研究并聯(lián)機床自由度計算、運動(dòng)副類(lèi)型、支鉸類(lèi)型以及運動(dòng)學(xué)分析、建模與仿真等問(wèn)題。并聯(lián)機床運動(dòng)空間的研究。 包括運動(dòng)空間分析及仿真、可達工作空間求解(如數值求解法、球坐標搜索法等)、機床干涉計算及位置分析等。并聯(lián)機床結構設計的研究。
并聯(lián)機床的結構設計包括很多內容,如機床的總體布局、安全機構設計、數控系統設計(包括數控平臺建造、數控系統編程、數控加工過(guò)程仿真等)。并聯(lián)機床剛度、精度、柔度、靈巧度的研究。并聯(lián)機構封閉回路的特性,使并聯(lián)機床較傳統串聯(lián)結構機床具有更高的剛度,但這個(gè)特性引起的耦合問(wèn)題,相對的形成在動(dòng)力分析上很大的困擾,因此對其研究應予以足夠的重視。
關(guān)于并聯(lián)機床精度的研究仍是國際難題,包括機床系統硬件研究(及機床制造前精度設計和精度描述)和系統輸出精度研究(及機床制造后輸出數據處理和精度評價(jià))。并聯(lián)機床柔度的研究包括柔度分析、柔度評價(jià)指標及其在工作空間內的分布等方面。靈巧度主要研究靈巧度指標及其分布等。并聯(lián)機床誤差研究。包括誤差分析、建模及誤差精度保證、測量系統設計等問(wèn)題。并聯(lián)機床模塊設計與創(chuàng )建。根據工件加工的空間型和平面型,相應地把并聯(lián)機床分為空間型并聯(lián)機床和平面型并聯(lián)機床兩大類(lèi)。
并聯(lián)機床按功能和結構可分為以下幾個(gè)功能模塊:①執行模塊;②機座模塊(靜平臺模塊);③動(dòng)平臺模塊;④機架模塊;⑤定位模塊;⑥驅動(dòng)模塊;⑦控制和顯示模塊;⑧潤滑與冷卻模塊。新型虛擬軸數控機床的研究。虛擬軸數控機床是“要用數學(xué)制造的機床”。因為這種機床的設計與運行要用到非常復雜的數學(xué)計算與推理。目前對于Stewart平臺的理論研究已取得一些關(guān)鍵結論,還需進(jìn)一步研究Stewart平臺的綜合分析,為虛擬軸數控機床的研制提供理論基礎。并聯(lián)機床控制的研究。包括高速、高精度的控制算法,刀具運動(dòng)軌跡的直接控制、開(kāi)放式數控系統等。虛擬軸機床的最大特點(diǎn)是機械結構簡(jiǎn)單而控制復雜,因此這方面的研究在并聯(lián)機床的研究中具有舉足輕重的作用。 |