并联机床的发展现状与展望_陈文家

收稿日期:2001-06-06

作者简介:陈文家(1962-),男,江苏扬州人,中国科学院沈阳自动化研究所博士研究生。研究方向:机器人学、并联机床。

并联机床的发展现状与展望

陈文家,王洪光,房立金,赵明扬

(中国科学院机器人学开放研究实验室,辽宁沈阳　110015)

摘　要:论述并联机床的发展现状及与传统机床的区别。在对国内外典型并联机床样机的工作原理分析的基础上,指出目前并联机床研究中所面临的主要问题,并对并联机床的研究发展方向进行了展望。关　键　词:并联机床;发展现状;展望

中图分类号:TG5 文献标识码:A 文章编号:1001-4551(2001)04-0005-05

The State -of -The -Art and Prospects of Parallel Machine Tools CHE N Wen -jia ,WANG Hong -guang ,FANG Li -jin ,ZHAO Ming -yang

(Open research lab of Robo t ,Chinese Academy of sciences ,Shengyang 110015,China )

A bstract :In this paper ,the state -of -the -art of parallel machine tools and their difference from conventional machine tool are briefly addressed .On the basis of analysis and discussion on working theory about several kinds of parallel machine tool proto -types ,the main problems on development of parallel machine tool are mentioned ,in the mean while ,the further development trend are discussed .Key words :Parallel Machine Tool ;the state -of -the -art ;prospects

图1　典型的并联机床

原理简图

1　引　言

并联机床(亦称6(3)条腿机床、虚轴机床)是90年代中期问世的一种新型数控加工装备,其基本特征是安装工具的动平台由多个支路联接到固定平台,通过这些支路上的作动器(主动副)驱动动平台运动以改变工

具在空间的位置和姿态,从而实现工具相对工件的进给运动,如图1示。并联机床实质上是并联机器人技术与机床技术相结合的产物,它与传统结构形式的数控机床相比具有许多优点。传统机床中,驱动刀具与工件作相对运动的进给轴按照笛卡尔坐标布置,为串联、开链结构。为了实现5轴加工,需在传统的3轴机床上再增加两个轴来控制刀具的姿态,所有这些轴都按串联结构布置。当一个轴运动时,需带动串联运动链上后面的所有轴一起运动,因

此其运动惯性大,动态性能较差。同时,产生的切削力沿开链传递,使每一部件的缺陷都会对切削精度产生影响。这种机床的优点是各轴运动相互独立,运动控制比较简单。

基于并联机器人开发的并联机床,由于其运动平台由几个简单的串联运动链并行驱动,与传统串联结构的机床相比,具有如下优点[1]:

(1)系统刚度重量比大。因采用并联、闭链杆系结构,在准静态情况下传动构件理论上为仅受拉、压载荷的二力杆,故传动机构的单位重量具有很高的承载能力;

(2)响应速度快。运动部件惯性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的动态品质,允许动平台获得很高的进给速度和加速度,因而特别适合于各种高速数控作业;

(3)机械本体的体积精度较高。各关节误差能够相互抵消一部分,而串联结构机床各关节的误差是积累的;

(4)环境适应性强。易于可重构和模块化设

计,可构成形式多样的布局和自由度组合;

(5)技术附加值高。并联机床具有”硬件”简单、”软件”复杂的特点,是一种技术附加值很高的机电一体化产品。

因此,并联机床是一种具有良好应用前景的新一代制造装备。

2　并联机床的发展现状

国内外学术界和工程界对研究和开发并联机床都非常重视。1994年在芝加哥国际机床博览会(I MTS'94)上首次展出了称为“六足虫”(Hexapod)和“变异型”(VARIAX)的数控机床与加工中心并引起了轰动[2]。此后,各主要工业国家都投入了大量的人力和物力进行并联机床的研究与开发。如美国Ingersoll Milling公司、Giddings&Le wis公司和Hexal 公司,英国Geodetic Technology公司,俄罗斯Lapik公司,德国Mikromat公司、亚琛工业大学、汉诺威大学、斯图加特大学,挪威Multicraft公司,瑞士ETZH和I FW研究所,瑞典Neos机器人公司,意大利Comau 机床公司,丹麦Braunschweig公司,日本丰田公司、日立公司、三菱公司,韩国SENA TE CHNOLOGIE S公司等单位相继研制出不同结构形式的数控机床、激光加工和水射流机床、坐标测量机等基于并联机构的制造设备[3～6]。并联机床所涉及的基本理论问题同样引起了许多研究单位的重视,由美国国家科学基金会动议,1998年在意大利召开了第一届国际并联运动学机器专题研讨会,2000年在美国召开了第二届国际并联运动学机器专题研讨会。

我国已在国家“九五”科技攻关计划和“863”高技术发展计划中对并联机床的研究与开发予以支持。中国科学院沈阳自动化研究所、清华大学、天津大学、哈尔滨工业大学、东北大学、河北工业大学等单位的研究人员也在积极从事并联机床领域的研究工作,并与相关企业合作研制了数台结构形式各异的样机[7～9]。

基于并联机器人的多坐标数控机床研究已成为机器人研究领域以及机床制造领域的研究热点。目前,国内外所推出的各种并联机床大多数都是单纯利用并联机构(尤其是其中的Ste wart平台机构)来构造机床(也有一些在并联机构的动平台上再串接一、两个转动关节以增加工具的姿态空间)。根据其相应的并联机构所具有的自由度主要有6自由度(6条腿)以及3自由度(3条腿)两类;按照各分支链的驱动方式可分为两种形式:一种形式为各分支链(定长杆)的一端通过滑块(或丝杠螺母副)沿固定平台导轨移动(简称“腿滑动”)来改变动平台的位置及姿态;另一种形式为通过各分支链杆长的伸缩(简称“腿伸缩”)来改变动平台的位置及姿态。

2.1　“腿伸缩”的6条腿机床

在现已推出的并联机床机型中,大多数属于这种类型。这类机床所采用的并联机构就是最典型的6自由度Stewart平台,如图1示。即动平台通过6条可伸缩的腿与固定平台相连,通过控制6条可伸缩腿的长度来驱动动平台运动以改变动平台在空间的位置和姿态。这种形式的典型代表为美国Inger-soll公司的“八面体六足虫”(Octahedral Hexapod),该公司的第一代产品VOH-1000为立式布局,其第二代产品HOH-600改为卧式布局,该型机床也是世界上首台卧式布局的基于6自由度Stewart平台的并联机床。卧式布局极大地改善了工件的可接近性,也改善了工作空间对机床所占体积之比。H OH -600型的X、Y、Z轴行程分别为600mm×600mm×800mm;A,B轴均为±15°;工作台为630mm×630mm 的分度转台,故可实现5轴四面加工。刀具的最大进给速度为30m/min,加速度为0.5g,主轴转速为0～20000r/min;最大功率为37.5kW;最大扭矩为49.1Nm。刀库放置在机床的左侧,容量为40或80把刀。换刀时刀库进入工作区,换刀后退出,无机械手,空间精度为0.02mm。德国Mikromat公司的6X型机床为立式布局的“腿伸缩”的6条腿机床,他们以主轴筒体取代了动平台,3条腿位于筒体上部,另3条腿位于筒体下部。如此连接有利于主轴有倾角时受力均匀,机床的固有频率很高,主轴运转极平稳。

国内开发的并联机床中也有几台属于这种类型,都采用了立式布局。清华大学与天津大学联合开发的VAMT1Y型虚拟轴机床原型样机于1997年底完成。哈尔滨工业大学在CI MT'99上展出了BJ 系列的“腿伸缩”6条腿机床。在CI MT'2001上,该校又与哈尔滨量具刃具厂联合推出了称为“新一代并联机床”的“腿伸缩”结构6条腿机床,据介绍该机床的加工范围为400×600mm;主轴最大姿态角27°;主轴电机功率为9kW;主轴转速10～8000r/min;重复精度为0.002mm;定位精度为0.015mm;机床外形尺寸为1800mm×1500m m×2300mm。在CIMT' 2001上还展出了一台由清华大学与昆明机床股份有限公司联合研制的XNZ63数控镗铣虚拟轴机床, XNZ63采用上下平台均分层的Stewart机构,如此安