并联运动机床1
并联运动机床概述
并联运动机床概述并联运动机床是指多个工作台或刀架可以同时进行运动的一种机床。
它通过使用多个独立的工作台或刀架，使得机床在同一台机床上可以同时进行多个加工操作。
这种机床一般由主轴、驱动装置、工作台和控制系统组成。
并联运动机床在工业生产中具有广泛的应用，可以提高工作效率，节约生产成本，对于批量生产和多种类型产品的加工都具有较大的优势。
首先，从加工效率上来看，由于并联运动机床可以同时进行多个工艺操作，可以大大缩短加工时间。
例如，在铣床和镗床的组合机床中，通过同时进行铣削和镗削操作，可以使得零件的加工时间减少一半以上。
这对于生产效率提高有着明显的作用。
其次，从生产成本上来看，由于并联运动机床可以在同一台机床上完成多个工艺操作，减少了物料的输送和处理环节，降低了生产线的长度和设备数量，节约了生产空间。
同时，只需要一个操作工人，减少人工成本。
另外，并联运动机床的能耗也较低，不仅节能环保，还能降低生产成本。
此外，并联运动机床还有以下几个优点：一是具有高精度和高稳定性，可以保证产品的质量和稳定性。
二是具有较强的适应性，可以根据不同的加工要求进行调整和改装。
三是具有较好的安全性，由于多个工作台或刀架可以同时进行运动，避免了工件的迎剪和碰撞现象，减少了事故的发生。
不过，并联运动机床也存在一些不足之处。
首先，由于机床结构复杂，维护和保养难度较大。
其次，并联运动机床的控制系统需要进行复杂的编程和调试，需要专业的技术人员进行操作和维护。
另外，并联运动机床的投资成本较高，对于一些小企业来说可能承担不起。
综上所述，并联运动机床具有较高的加工效率和生产效果，对于提高企业的生产能力和竞争力有着积极的作用。
随着制造业的发展，越来越多的企业开始采用并联运动机床。
未来，随着科技的不断进步和机床制造技术的提高，相信并联运动机床会在产业生产中发挥越来越重要的作用。
基于EMC2的并联运动机床的控制系统设计与仿真
２１ ０ ０年 ８月
文 章 编 号 ：０ １ ３ ９ （０ ０ ０ — １ １ ０ １ ０ — ９ ７ ２ １ ）８ ０ ７ — ２
机 械 设 计 与 制 造
Ｍ ａ ｈ ｎｅ ｙ Ｄｅ ｉ ｎ ｃ ｉ ｒ ｓｇ ＆ Ｍａ ｕａ ｔ ｅ ｎ ｆ ｃｕｒ １ ７１
基 于 Ｅ ２的 并联 运 动机 床 的控 制 系统设 计 与仿 真 ＭＣ
Ｖ ＿
６ ａｉ ａ ｐ ￣ ｒ ｅ ｒｕ ｈｉｔ ｄ ｃｎ ｅｍ ｄ ｌｎｏＡＤ ｌ ｏ ｗ ｓ ｅ ｏｍ ｄｔ ｏ ｇ ｒ ｕ ｉ ｔ ｏ ｅ ｔ ＡＭＳｗ ｉ ｅ ｏ ｓ ａ ｓ ｈ ｅｉ ｅｓ ｄ ｊ ｔ ｎ ｈ ｎｏ ｇｈ ｉ ｈｃ ｄ ｍ ｎｔ ｅ ａ ｔ ｖ ｒ ｍｏ — ｈ ｒ ｔｔ ｈ ｎ ｅ ｔ
； 要基础 。 ；
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关键词 ： 并联机床 ； 运动学逆解模开型 ； 开放式控制系统； ＭＣ Ｅ ２
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基于ADAMS的并联机床运动学和动力学仿真
并联机床运动控制卡接口设计
第 ２ 卷 第 １ ２ 期 ２０ ０ ８年 １月
山 东 理 工 大 学 学 报 （ 然 科 学 版） 自
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＳ ａ ｄ ｎ ｉｅｓｔ ｆＴｅｈ ｏｏ ｙ Ｎａ ｕａ ｃｅ ｃ ｉｏ ） ｏ ｒ ａ ｈ ｎ ｏ ｇ Ｕｎｖ ｒ ｉ ｏ ｃ ｎ ｌｇ （ ｔ ｒ ｌ ｉｎ ｅＥｄｔ ｎ ｏ ｙ Ｓ ｉ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ＬＩ Ｈ ａ， Ｕ Ａ Ｎ ａ — ａ Ｕ ｕ Ｙ Ｘｉ ｎ ｙ ｏ， Ｗ Ａ Ｎ Ｇ ｏ —ｉ Ｙ ｕ ｌｎ，Ｍ Ａ ｉ — ｉ ｇ Ｍ ｎｇ ｍ ｎ
（ ｈ ｌｏ ｅ ｈａ ｃ ｌＥｎｇ ｎ ｅ ｉ Ｓｃ ｏｏ ｆＭ ｃ ｎｉａ ｉ ｅ ｒｎｇ， Ｓ ｎｄ ｈａ ｏｎｇ Ｕ ｎｉ ｒ ｉｙ ｏ ｅ ｈｎ ｏｇ Ｚｉｏ ２ ０４ Ｃｈｉａ） ｖｅ ｓｔ ｆＴ ｃ ｏｌ ｙ， ｂ ５５ ９， ｎ
Ａｂｓｒ ｃ ： Ａ ｃ ｏｒ ｉ ｔ ｔ ｅ ｗ ｏｒ ｈａ ａ ｔ ｒｓ ｉ ｎ ｅ ｕｉｅ ｅ ｓ ｏｆ ｐ ｒ ｌｅ ａ ｈｉ ｏ ｌＳ ｔａ ｔ ｃ ｄ ｎｇ ｏ ｈ ｋ ｃ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ａ ｄ ｒ ｑ ｒ ｍ ｎｔ ａ ａ ｌ ｌｍ ｃ ｎｅ ｔ ｏ ’ ＮＣ ｙ ｔ ｍ ，ａ ｋ ｎｄ ｏ ｏｔｏｎ ｃ ｔ ｏ１ｂｏ ｒ ａ ｅ ｎ ＰＣＩ ｂ ｓ ｄ ｓｇｎ ｄ ｂｙ ａ ｌ ｚｎｇ ｔ ｅ ｓｓｅ ｉ ｆｍ ｉ ｏｎ ｒ ａ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｕｓ ｗａ ｅ ｉ ｅ ｎａ ｙ ｉ ｈ ｆ ｎ ｔｏ ｓａ ｄ ｆａ ｕ ｅ ｆＴ ＩＣｏ ｐ ｒ ｔｏ ’ ｕ ｃｉ ｎ ｎ ｅ ｔ ｒ ｓ ｏ ｒ ｏ ａ ｉ ｎ ＳＤＳＰ ｃ ｉ Ｍ Ｓ ２ ＶＣ３ ｎ ｐ ｅ ｓ Ｃｏ ｐ ｒ ｔｏ Ｓ ＰＣＩ ｈｐ Ｔ ３０ ３ ａ ｄ Ｃｙ ｒ ｓ ｒ ｏ ａ ｉｎ’ ＣＹ ７ Ｃ０９ ４９ ４ ＰＶ ．Ｉ ａ ｅ １ｍ ｅ ｔｐ ｒ ｌｅ ａ ｈｉ ｅ ｔ ｏｌＳｒ ｑ ｒ ｍ ｅ ｔ ｎ ｒ ａ— ｉ ｅ ａ ｏｎｔｏ１ ｔｃ ｎ ｗ ｌ ｅ ａ ａ ｌ ｌｍ ｃ ｎ ｏ ’ ｅ ｕｉｅ ｎ ｓ ｉ ｅ ｌｔｍ ｎｄ ｃ ｒ ａ ｃ ｒ ｃ ｏ ｍ ｏｔｏｎ ｃ ｎｔ ｏ ａ ｔ． ｃ ｕ ａ ｙｔ ｉ ｏ ｒ ｌｐ ｒ ｓ Ｋ ｅ ｒ ｓ：ｐａ ａ ｌ ｌｍ ａ ｈ ｎｅ ｔ ｏｌ ｙ ｗｏ ｄ ｒ ｌｅ ｃ ｉ ｏ ；ＰＣＩ ｂｕ ｓ；ｍ ｏ ｉ ｎ ｃ ｔ ｏｌｂｏ ｒ ｔｏ ｏｎ ｒ ａ ｄ
一种新型并联机床的运动学分析及受力分析
ＦＡＮ Ｓ ｏ ｗｅ ＸＵ ｉ ｈｕ ｎ Ｌｊ ｕ
摘 要 ： 出 了 以 四 自 由度 空 间 并 联 机 构 作 为 主 进 给 机 构 。 以 双 向 移 动 工 作 台 实 现 多 坐 标 数 控 加 工 的 一 种 提 辅
新 型 并 联机 床 的 布 局 设 计 方 案 。该 并 联 机 床 具 有 工 作 空 间 大 、 实现 姿 态 角 大 、 置 与 姿 态 解耦 等 优 点 。 可 位 建 立 了主 进 给 机 构 的封 闭形 式 的运 动 学 方程 ， 出 了一 、 阶运 动 影 响 系数 矩 阵 。 通 过 建 立机 构 的静 力 平 导 二
机 床 （ ｒｕ ｉ Ｍａ ｈｎ ｏ １ ， ９ Ｖｉ ａ Ａｘｓ ｃ ｉｅＴ ｏ） 是 ０年 代 中期 问 世 ｔｌ 的数 控 机 床 新 结 构 ， 机 器 人 技 术 与 机 床 结 构 技 术 结 是 合 的产物 ， 原 型 是 并 联 机 器 人 操 作 机 … 。近 年 来 ， 其
国 内 外 研 究 者 在 这 一 领 域 进 行 了 大 量 的研 究 工 作 。但 目前 并 联 机 床 的 原 型 大 多 都 是 基 于 Ｓ ｅ ｒ 平 台 及 其 ｔｗａｔ 变 形 型 式 的 结 构 。 此 类 并 联 机 床 最 大 特 点 是 加 工 精 度
维普资讯
一
种 新 型 并 联 机 床 的 运 动 学 分 析 及 受 力 分 析
范 守 文 徐 弄 钜 Ｌ
１ 电 子 科 技 大 学 电 子 机 械 系 ， 川 成 都 ６ ０ ５ ２．四 川 大 学 ，四 川 成 都 ６ ０ ０ ． 四 １ ０ ４； １０ ０
新型三自由度并联机床概念设计与运动分析
１ 上虎 克铰 （ 动 平 台相 连 接 ） 两 个 转 轴 轴 ） 与 的 线 与下 虎克 铰 （ 静 平 台连 接 ） 两 个 转 轴 轴 线 相 与 的
互 平行 ；
与 两平 台 联 接 ， 间 有 一 平 动 机 构 使 平 台保 持 平 中 动 。通 过 三根 杆 的伸 缩 使 活 动 平 台带 动 磨 头 在 空
国 内有 许 多科 研 院 所 对 少 自由度 并 联 机 床 进
平台和三个长度相 等的定长杆 组成 ， 固定平 台、 运 动平 台和定长杆件通过 虎克铰相连 。该机构有 以
下 特点 ：
行了研究 ， 如东北大学研制的 ３ＰＴ型并联机床 ， 一１ ｒ Ｊ
应 用 于钢 铁 企 业 中 的钢 锭 修 磨 。其 固 定 平 台与 活
ｇ
∑ 一 ６ Ａｌ （一 ）
（） ４
￥４ １ ０ ０ ０ Ｌ ｏＯ 一ＬｉＯｉ￣） ＝（ ， ， ； ，ｃｓ ， ｓ ｓ ｎ ｎ
运动链 。分析时， 可将具有两个 自由度 的虎克铰用 两个转动副来等值代替。这样 ， 相当于有 ４个运动
１ ４期
王 海东 ， ： 型三 自由度 并联机床概念设计与运动分析 等 新
副 。这 ４个运 动 副均 以线矢 表示 ， 应用 螺旋 理论 ， 该
支链 的运 动 螺旋 可表示 为
￥１ １０ ０； ， ， ） ＝（ ， ， Ｏ ０ ０
１ 新 型三 自由度并联机床 的结构设计
由于 并联 机床 的设 计 是 以并 联机 构 为基 础 的 ， 而并 联机 构 的运 动关 节 中通 常 包 含 有 一 些 复 合 运 动副 ， 如球 副 、 克 铰 、 行 四杆 机构 等 。为 了构 造 虎 平 三 自由度 新 型 并 联 机 床 ， 首先 分 析 定 义 为 运动 副 的运动 特点 。
三支脚并联运动机床的特点及典型应用
（ ）一 次性 装 夹 完 成 多面 加 工 ２
机 床 的 灵 活性 很 强 ，其主 轴 矢 量 方 向可 以 覆盖 空 间
关节的 回转运动均采用轴承 ，没有球铰链 ，故关节
点结构简单 ， 制 造 容 易 ， 精 度保持性好 ， 维 修 方 便 。 图２ 所 示 为 关 节 点 结构示意 图， 回 转 座 ２ 过 通
轴 承 １ ６ 水 、 绕 平 轴 旋 转 ， 电 动 机 座 ４通 过 轴 承 ３、 ５ 竖 绕
（ ）应用 灵活 ４
三支脚并联机床既 可设计成
常规加工中心 ，又可安装于龙门架上 ，或装置于行 走轨道上 ，以小加 工大 ，加工精度均 由并联结构 自
身 保 证 ，即 根 据 用 户的 需 要 设 计不 同 的结 构 形 式 满
足 用 户加 工 需要 。
示 为 支 脚进 给 传 动示 意 图 。三 支脚 并 联机 床 的 所 有
难于 制 造 ，使其 成 为 所有 并 联 机 床 的突 出问题 ，三 支脚 并 联 机床 成 功 解 决 了这 一 技 术难 题 ，其 关节 点
的任意方向，这种独特 的性能使得并联机床从理论
上 能 够 在 一次 装 夹 便 可加 工工 件 的所 有 面 ，能够 在
一
次装夹内便可完成５ （ 面 甚至６ 面）的加工 ，轻松
一
触 。 ④为 保证 支 撑 工作 时 的稳 定 ，我们 设 计 了 定位 伸 缩杆 。伸缩 杆 可 随 着工 件 的调 节 上 下移 动 ，避 免 了工件 的 左右 摇摆 。
三维平动并联机床的运动分析
度计 算公 式 ＿ ４ ］ 。黄 真 等 用 螺 旋 理 论 重 新 定 义 公 共 约 束 ，
给 出阶 的计算 方法 ， 从 而 确 定 机 构 的 自 由度 。
建 立 如 图 ２所 示 的 分 支 坐 标 系 ． 该 支 链 的 运 动 螺 旋 系为 ：
１ 机构 及 其 自 由度
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３年 ５月
近年来 。 由 于 并 联 机 器 人 相 对 于 串 联 机 器 人 具 有
刚度大、 精 度高 、 惯性小 、 负 载 大 及 动 力 学 性 能 好 等 优 点 。 在 工 业 生 产 及 其 它 领 域 有 着 广 泛 的 应 用 前 景 。 在
少 自 由度 并 联 机 构 中 ． 三 自 由度 的 并 联 机 构 是 其 中 很 有 实 用 前 景 的 一 类 ， 它 能 满 足 大 多 情 况 下 的 工 作 要
研 究 并 联 机 构 的 工作 空 间 。 利 用 Ｓ ｉ ｍＭｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ 模 块 根 据 机 器人 的 结 构进 行 建 模 ， 跟 踪 支链 末 端轨 迹 ， 绘 制 并 计 算 并 联 机
构 的 工作 空 间 。 分析表明 ， 该 机 床 具 有 工作 空 间 大 、 无 空 洞 以及 截 面形 状 规 则 等 优 点 ， 适合长方体作业空间、 工 业搬 运 等 领
三 维 平 动 并 联 机 床 的 运 动 分 析
口 张 罪霏 口 吴洪 涛 口
南京
严
伟
１ ． 南 京 航 空 航 天 大学 机 电学 院
２ １ ０ ０ １ ６ ２ ２ ５ ０ ０ ０
２ ． 扬 州 恒佳 机 械有 限公 司 江苏扬州
摘
并联机床运动学自标定方法研究
并联机床运动学自标定方法研究机床运动学自标定方法是现代制造技术中重要的研究领域之一、并联机床作为一种特殊的机床结构，其运动学参数标定更加复杂。
本文将对并联机床运动学自标定方法进行研究，并进行详细介绍。
首先，我们需要了解并联机床的基本结构和运动学模型。
并联机床由多个平行连杆组成，每个连杆由旋转副连接，形成一个闭链运动系统。
在运动学模型中，需要确定每个连杆的长度和连接角度，以及工作台的位置和姿态。
这些参数决定了机床的运动学特性。
然而，并联机床的运动学参数往往无法直接测量，因此需要通过自标定方法来求解。
自标定方法的核心思想是通过机床的运动状态和姿态数据，在已知的参考点或者已知位置的情况下，通过数学模型和优化算法，反推机床自身的运动学参数。
目前，关于并联机床运动学自标定方法的研究有很多，下面将介绍几种常见的方法。
第一种方法是基于传感器数据的自标定方法。
该方法通过传感器测量机床的运动状态和姿态数据，如位置、速度、加速度等，然后将这些数据作为参数输入到数学模型中，通过优化算法求解机床的运动学参数。
该方法的优点是适用范围广，可以用于各种类型的并联机床。
缺点是需要准确的传感器测量数据，对传感器的要求较高。
第二种方法是基于机器视觉的自标定方法。
该方法利用摄像头或其他视觉传感器获取机床的运动状态和姿态数据，然后通过图像处理和计算机视觉算法，提取特征点或轮廓线，进而求解机床的运动学参数。
该方法的优点是非接触性，适用于各种环境和工况下的机床标定。
缺点是对图像处理和计算机视觉算法的要求较高。
第三种方法是基于强化学习的自标定方法。
该方法利用强化学习算法，在已知的参考点或已知位置下，通过多次尝试和优化，不断调整机床的参数，使得机床的运动状态和姿态数据与真实值尽可能接近。
该方法的优点是自动化程度高，对机床本身的要求较低。
缺点是求解时间较长，需要大量的试验数据。
总结来说，并联机床运动学自标定方法是一项复杂且具有挑战性的任务。
研究人员可以根据具体情况和需求选择合适的自标定方法，同时结合机床的特点和性能进行优化和改进。
并联机床的设计理论与关键技术
详解并联机床的设计理论与关键技术1 概述为了提高对生产环境的适应性，满足快速多变的市场需求，近年来全球机床制造业都在积极探索和研制新型多功能的制造装备与系统，其中在机床结构技术上的突破性进展当属90年代中期问世的并联机床(Parallel Machine Tool)，又称虚(拟)轴机床(Virtual Axis Machine Tool) 或并联运动学机器(Parallel Kinem atics Machine)。
并联机床实质上是机器人技术与机床结构技术结合的产物，其原型是并联机器人操作机。
与实现等同功能的传统五坐标数控机床相比，并联机床具有如下优点：刚度重量比大：因采用并联闭环静定或非静定杆系结构，且在准静态情况下，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。
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，因而特别适于各种高速数控作业。
环境适应性强：便于可重组和模块化设计，且可构成形式多样的布局和自由度组合。
在动平台上安装刀具可进行多坐标铣、钻、磨、抛光，以及异型刀具刃磨等加工。
装备机械手腕、高能束源或CCD摄像机等末端执行器，还可完成精密装配、特种加工与测量等作业。
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，因此可望获得高额的经济回报。
目前，国际学术界和工程界对研究与开发并联机床非常重视，并于90年代中期相继推出结构形式各异的产品化样机。
1994年在芝加哥国际机床博览会上，美国Ingersoll铣床公司、Giddings & Lewis公司和Hexal公司首次展出了称为“六足虫”(Hexapod)和“变异型”(VARIAX)的数控机床与加工中心，引起轰动。
此后，英国Geodetic公司，俄罗斯Lapik公司，挪威Multicraft公司，日本丰田、日立、三菱等公司, 瑞士ETZH和IFW研究所，瑞典Neos Robotics公司，丹麦Braunschweig公司，德国亚琛工业大学、汉诺威大学和斯图加特大学等单位也研制出不同结构形式的数控铣床、激光加工和水射流机床、坐标测量机和加工中心。
并联运动机床标准体系框架初探
及 工业应用领域也 均取得 了一定 进展
实现产业化 的必 要条件之一就 是要先实现标 准 化。要做好 并联 运动机床标 准化 工作 。必须 先 建立 标准体 系。根 据 ＧＢ ｒ１ ０ ６ ０ ９ 《 准 ｆ ３ １ —２ ０ 标 体 系表编 制原则和要 求》定 义 ，标准体 系是 “ 一 定范 围内的标准按其 内在联 系形成 的科学 的有机
构 已 不局 限 于 六 自 由度 结构 。 目前并 联 运 动机
床 上应 用 的并联 机 构 的 自由度 数 目主 要 有 ：六
安全 、卫生 、劳动 保护 ，Ｊ ０５ ５ ／９金属切 削机 床 ， Ｌ ７计 算 机 应 用 。Ｎ ４基 础 标 准 与 通 用 方 法 ， ６ Ｏ Ｎ１ ８工 业控 制 与计 算 机应 用 装 置 等等 。 如 果 以
０８
１具
０ ７
图 ３ 序列 结构 图
继承关 系结 构主要用在对 于同一事物 既有 国 家标准 、行业标准又有地 方标准及企 业标准 的情 况大量存 在的体 系 聚合 关系结构 反映 了体 系 中 整体与部 分 、部分 与部 分之 间的关系 ．主要用于
一
床床体 和 串联机 构 （ 混联 机床 有此 机构 ）组成 ， 数 控 系统 由 数控 软 件 和硬 件 组 成 ．其 中并 联 机 构 、数 控软件和数控硬 件又 由各 种类型 的组件 构
体 系表 的编 制原则 ： 目标 明确 、全面 成 套 、
对于 组成并联运动机 床标准体 系表 的标准 项
目．主要用于规 范机床及其组 件 的设计 、制造 和 检 验等工作 ．不 存在需要理清 时 间顺序 或空 间顺 序的情况 ：同时 ，各项标准 之间也较 少存在 上层 标准制约下层标 准的情况 从 组成上 ．可 以将并联运动机 床分 为机 械部
并联机床
并联机床一定义：并联机床(Parallel Machine Tools)，又称并联结构机床(Parallel Structured Machine Tools)、虚拟轴机床(Virtual Axis Machine Tools)，也曾被称为六条腿机床、六足虫(Hexapods)。
并联机床是基于空间并联机构Stewart平台原理开发的，是近年才出现的一种新概念机床，它是并联机器人机构与机床结合的产物，是空间机构学、机械制造、数控技术、计算机软硬技术和CAD/CAM技术高度结合的高科技产品。
它克服了传统机床串联机构刀具只能沿固定导轨进给、刀具作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工。
自其1994年在美国芝加哥机床展上首次面世即被誉为是“21世纪的机床”，成为机床家族中最有生命力的新成员。
2.并联机床的特点整体而言，传统的串联机构机床，是属于数学简单而机构复杂的机床，而相对的，并联机构机床则机构简单而数学复杂，整个平台的运动牵涉到相当庞大的数学运算，因此虚拟轴并联机床是一种知识密集型机构。
这种新型机床完全打破了传统机床结构的概念，抛弃了固定导轨的刀具导向方式，采用了多杆并联机构驱动，大大提高了机床的刚度，使加工精度和加工质量都有较大的改进。
另外，由于其进给速度的提高，从而使高速、超高速加工更容易实现。
由于这种机床具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度以及重量轻、机械结构简单、制造成本低、标准化程度高等优点，在许多领域都得到了成功的应用，因此受到学术界的广泛关注。
由并联、串联同时组成的混联式数控机床，不但具有并联机床的优点，而且在使用上更具实用价值。
随着高速切削的不断发展，传统串联式机构构造平台的结构刚性与移动台高速化逐渐成为技术发展的瓶颈，而并联式平台便成为最佳的候选对象，而相对于串联式机床来说，并联式工作平台具有如下特点和优点：结构简单、价格低。
并联机床(共10张PPT)
六杆并联机床
介绍一种结构新颖、高速加工用的并联运动机床。 它采用5杆并联机构和5环驱动的主轴部件，在并联运动 机构理论上有所突破，从而实现主轴部件的偏转角大于 90º，能够真正实现5轴联动、5面加工。
创新在于：首次采用5杆并联机构和5环驱动的主 轴部件，在并于90º，能够真正进行5面加工。
伺服电动机 万向铰链
环形铰链
主轴部件
滚珠丝杠
崭新的5杆配置使机床具有以下特点：
介绍一种结构1新)颖机、高床速加运工用动的并部联件运动的机床质。 量很小，采用功率小的驱动装置就可以达到很 高的加速度，所产生的惯性反作用力也非常小。 一次装夹，完成5面、5轴联动加工曲面的例子（汽车模型外形）如图所示。
2) 采用封闭框架结构和对称配置，使机床工作时产生的力 。
传统数控机床是按笛卡尔坐标将沿3个坐标轴线的移动 X、Y、Z 和绕3个坐标轴线转动 A、B、C的控制依次串联叠加，形成所需的刀具运动轨迹
尽可能相互抵消，从而保证机床的高动态性能。 。
1) 机床运动部件的质量很小，采用功率小的驱动装置就可以达到很高的加速度，所产生的惯性反作用力也非常小。 按笛卡尔坐标控制沿3个轴线的移动和绕2个轴线的转动 六轴联动的并联机床有六个自由度，可用于加工具有负杂曲面的零件。 并联机床（虚拟轴机床）：有六根驱动杆并行连接在固定平台和活动平台之间，每根杆的两端均采用球面支撑，刀具装在活动平台上。
并联机床的特性与应用
并联机床的特性与应用摘要：并联机床是机床技术与机器人结合的一项新产物，在技术的革新下，并联机床类型愈加多样，在工程界与学术界有着良好的发展前景。
关于并联机床，国内外也投入了大量的人力、物力、财力来研究，取得了良好的成效。
本文主要针对并联机床的类别、特征与应用进行分析。
关键词：并联机床；特性；应用并联机床是并联机器人机构和机床结合并建立在空间机构学、机械制造、数控技术和计算机的软硬件技术以及CAD和CAM等技术上的一种高科技产品，可以实现加工工件的多坐标的联动数控加工、装配和测量以及对各种复杂的特种零件的加工工作。
在设计上无导轨，克服了传统的数控机床刀具只能沿着固定导轨行进而造成的刀具作业自由度偏低、灵活性差和机动性不够的缺陷，被广泛应用于航天航空、船舶、国防和大型模具等大型复杂零件或特种零件的加工制造。
相较于传统的串联机床来说，并联机床具有以下特性：一、简单的结构形式和传统的串联结构的机床相比，并联机床的机床机械零部件数目大幅减少，其组成部件主要由滚珠丝杠、虎克铰、球铰以及伺服电机等组成。
其通用组件多可以由专门厂家进行生产制造，因而并联机床在制造和库存成本上都大幅降低，并且容易进行部件的组装和搬运。
二、良好的结构刚性封闭性结构的采用使得并联机床具有相对较高的刚性。
由于并联机床的结构负荷流线短，并且其负荷分解的拉力和压力是有六只连杆同时承受的，在外力一定的情况下，从材料力学的角度来看，在应力和变形方面，悬臂量的应力和变形最大，两端插入次之，随后依次是两端简支撑和受力的二力结构，最后是受张力的二力结构。
因而，并联机床拥有高刚性的特点，优于传统的串联机床。
三、加工速度高而且惯性低在设计上，并联机床的结构所承受的力能发生方向的改变，两力构件因此成为最能节省材料的结构，并且并联机床的移动件的组成数目减少且受六个致动器的同时驱动，机器运转达到高速化很容易，并且惯性相对较低。
四、良好的加工精度并联机床的组成是多轴并联机构，其六个可伸缩杠杆长都可以单独作用于刀具的位置和姿态，不会造成传统串联机床出现的几何误差积累和放大的问题，甚至还可以产生平均化效果，具有结构设计的热对称性，热变形相对较小，所以会产生工件加工的高精度。
并联机器人的发展、特点
基 于串联机构的机械其电机及传动系统都放在运动件上，增加了系统的惯性， 恶而串联机构的 正 解容易、逆解十分困难，由于在实时控制这些机构时要计算逆解，故并联机 构在这方面很有优势。
感谢观看
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美国Ingersoll公司于1987年、 美国Giddings&Lewis公司以 及英国Geodetic公司于1988 年开始进行并联机床的研制， 其中GiddingS&LewiS公司以 及Geodetic公司在芝加哥 IMTs’94国际展览会上展出 了此种机床，被誉为“本世 纪机床机构的最大变革与创 新”、“21世纪的机床”
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机 加
正 文
器 ，
文 字
人 是
您 思
的 想
的
发 提
炼 ，
展 请
言 简
、 意
赅 的
特 阐
述
点 您
的 观 点 。
并联机器人的发展
并联机器人的并联机构是由多个相同类型的运动链在运动平台和固定平台 之间并联而成‘幻。最早的并联机械是V.E. Gough于1949年设计的轮胎压 力试验机。1965年，D.Stewart为解决飞行员飞行训练模拟问题构思了一 种三杆六自由度并联机构，并对其运动学、工作空间、控制等问题进行了 研究。
并联机器人的特点
并联机器人与串联机器人相比，其缺点是活动空间小。 活动平台的运动远远不如串联机器人手部来得灵活， 并联结构的机器人，工作空间往往只是一个厚度不大 的蘑菇形空间，位于机构的活动平台上方。表示灵活 度的末端件三维转动的活动范围一般只在60度左右。 角度最大也超不过于正负90度
基于并联机床系统的机构运动分析
由 约 束 条 件 决 定 ， 不 受 约
Ａ＝ Ａ＝、 ／ １ ｌ ／３ ２ 【 ｌ ２ ０ ０ Ｊ Ｏ
Ａ ＝ ｘ／３ Ｒ／ ３ ２ ０
束 ， 独 立 的 。 构 运 动 平 台 存 在 一 个 独 立 沿 向 移 动 是 机 自由 度 和 两 个 独 立 的 转 动 自 由 度 ， 由机 构 决 定 ， 位 其 与 形 元 关 。 约 束 条 件 还 可 以 得 到 ， 然 ３球 副 的 运 动 必 由 虽 须 在 过 中 心 的 ３个 等 分 中 心 角 的 垂 面 上 ， 但 是 平 台 中
角 形 的 外 接 圆 半 径 分 别 为 和 ｒ 具 有 上 述 结 构 的 机 。 构 存 在 ３ 自 由 度 ， 只 要 分 析 ３条 腿 对 于 上 平 台 的 约 束 就 可 以 了 。 于 每 条 腿 都 是 由转 动 副 Ｒ、 动 副 Ｐ和 球 由 移
别 在 ｙ Ｏ、一 、 丁 和 ｙ ／ 三 个 垂 直 平 面 内 运 ＝ ｙ ／ ＝、 丁
研究 ［ ． 尔滨： 尔滨工业大学，０７ Ｄ］ 哈 哈 ２０ ． 『 ］ 陈丽 ． ｔ ａ ３ Ｓ ｗ ￣平 台 ６ Ｄ Ｆ并 联 机 器 人 完 整 动 力 学 模 型 的 ｅ －Ｏ 误 差存在 ， 然不 是很 大 ， 可见其 它 部件 的质量 与惯 虽 但 量 对平 台运 动时 的受 力还 是有 一定 影 响 的。
Ａ 的 绝 对 坐 标 为 ：
『 ］ 尺
—
这 种 机 构 在 方 向 余 弦 矩 阵 的 ９个 分 量 中 共 有 ７ 个
约 束 条 件 ， 而 只 有 两 个 独 立 的 ； 时 得 到 决 定 上 平 台 因 同
Ｊ ２ Ｒ／
— —
一
并联机构的标定
并联机床的标定方法主要有[ 129 ]: (1) 直接法, (2) 开环法, (3) 闭环法, (4) 任意性能评估检验法, (5) 序列法, (6) 样件法。
这些标定方法主要针对于刀具装卡在并联机构的某一运动平台上的
一类铣床,
如果铣切头安装在一活动悬臂梁上, 独立于并联机构, 主轴悬
臂梁可能处于不同的位置,因而需要对该型铣床结构参数的标定及刀具的定
根据测量方法的不同，目前大致有以下几种标定方法：
1.直接法。
采用高精度测量仪器测量机床部件的几何参数。
2.开环法。
这是并联机构传统的标定方法，该方法关键之
处在于利用高精度测量仪确定动平台的位姿，通过多个
位姿的测量辨识出机床的运动学参数。
3.闭环法。
闭环标定法是指标定过程中不仅可以包括动平
台位姿的测量，更多的是采用附加传感器对主，被动副相对运动的测量。
4.任意性能评估检验法。
例如采用传统的球杆仪在机床圆
周运动精度检测和机床误差自动诊断的同时就可以完成机床运动学参数的标定。
5.序列法。
其依据以定点为圆心，以定长为半径转动轨迹
包络为球面的原理对被动福进行标定，以机床为参考坐标系可以确定静平台运动副中心，以动平台为参考坐标系则可确定动平台运动副中心。
6.样件法。
在被标定机床上加工特殊的样机，在三坐标测
量机上测量其精度，把数据进行处理和优化，然后将其输入到并联机床控制系统，实现位置标定和补偿，。
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同时，加工时主轴上刀具所受的切削力反力， 也依次传递给立柱、滑座，最终传递给床身，也 即末端所受的力按顺序依次串联地传至最前端。 此外，这些作用力一般不通过构件重心，必 然会产生弯矩和扭矩。 因此，前端构件不但要额外负担后端构件的 重力(重量)，而且还要考虑承受切削力。这样一 来，为了达到机床高刚度的要求，每部分结构件 需具有相应的体积和材料。
（3）并联机床的研究方向
• • • • • 并联机床组成原理的研究； 并联机床结构设计的研究； 并联机床刚度、精度、柔度、灵巧度的研究； 并联机床模块设计与创建； 并联机床控制系统的研究。
三、 并联机床的特点
1. 结构简单、价格低 机床机械零部件数目较串联构造平台大幅 减少，主要由滚珠丝杠、铰链、伺服电机等通 用组件组成，这些通用组件可由专门厂家生产， 因而本机床的制造和库存成本比相同功能的传 统机床低得多，容易组装和搬运。
2.传统机床的串联机构
虚轴机床与传统机床相比有许多优异的性 能。一般传统机床可看作是一个空间串联机构， 如图2所示，它的横梁、立柱等部件往往承受 弯曲载荷，而弯曲载荷—般要比拉压载荷造成 更大的应力和变形，所以为了提高机床刚性， 必须采用大截面的构件。 另外，当机床运动自由度增多时。需增加 相应的串联运动链，机床的机械结构变得十分 复杂。
由于该机床机构简单，控制方便，较容易 根据加工对象而将其设计成专用机床，同时也 可以将之开发成通用机床，用以实现铣削、镗 削、磨削等加工，还可以配备必要的测量工具 把它组成测量机，以实现机床的多功能。这将 会带来很大的应用和市场前景，在国防和民用 方面都有着十分广阔的应用前景。
6. 使用寿命长
由于受力结构合理，运动部件磨损小，且没有 导轨，不存在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其 划伤、磨损或锈蚀现象。 Stewart平台适合于模块化生产。 对于不同的 机器加工范围，只需改变连杆长度和接点位置，维 护也容易，无须进行机件的再制和调整，只需将新 的机构参数输入。
2. 结构刚度高
由于采用了封闭性的结构(closed-loop structure)使其具有高刚性和高速化的优点， 负荷分解的拉、压力由六只连杆同时承受，且 只承受拉压载荷，其应力、变形显著减小，故 其拥有高刚性。
3.加工速度高、惯性低
如果结构所承受的力会改变方向，(介于 张力与压力之间)，两力构件将会是最节省材料 的结构，它的移动件重量减至最低，因此机床 很容易高速化，且拥有低的惯性。
滑板 立柱
杆件 主轴部件 工作空间
工作台
并联机床是基于空间并联机构Stewart平台原理 开发的，它是并联机器人机构与机床结合的产物； 它克服了传统机床串联机构刀具只能沿固定导 轨进给、刀具作业自由度偏低、设备加工灵活性和 机动性不够等固有的缺陷； 可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种 功能，更能满足复杂特种零件的加工。 自其1994年在美国芝加哥机床展上首次面世即 被誉为是“21世纪的机床”，成为机床家族中最有 生命力的新成员。
（2） 并联机床设计的理论研究概况
并联机床的设计除包括机床结构形式的概念设计外， 还包括运动学设计、动力学设计、精度设计、数控系 统设计等方面，已经取得了诸多有价值的研究成果。 如：Raghavan得出Stewart平台运动学正解结论； Innocenti和Cheok等人提出运动学数值解法； Gosselin、Merlet和 Ji的工作空间几何解析法； Nguyen、Lee、Liu关于动力学建模，以及熊有伦 提出动力学优化设计策略； 建立的驱动部件误差与终端误差之间的关系； 多种运动学标定、提高机床加工精度的方法等。 这些研究成果为并联机床的设计和应用奠定了理 论基础。
虚轴机床的制造成本可能低的原因：
（1）虚轴机床是用复杂的数学运算和相对简单的 机械结构来实现复杂型面的加工，降低了结构制 造成本； （2）虚轴机床具有轴对称的基本结构，其对称部 件易于实现模块化设计和批量生产； （3）决定虚轴机床精度的关键部件是机床的六根 杆及其两端铰链，易于采用滚珠丝杠、关节轴承 等通用件、标准件； （4）并联结构各运动副分担工作载荷，驱动功率 远小于同等规格的传统机床，伺服系统成本降低。
二、并联机床技术的研究和发展
（1） 并联机床的多样化结构 从并联机构的驱动方式上，可将并联机床分为 内副驱动、外副驱动及内外副混合驱动三大类； 根据并联机床机构的支链配置，可将并联机床分 为纯并联型、串并联型、并串联型三种；根据末 端执行器运动自由度的数目还可分为6自由度、5 自由度、4自由度和3自由度并联机床等。 以Stewart平台为基本构型的各类并联机床， 包括美国某公司的VARIAX数控机床、英国某公司 的Hexapods加工中心、清华大学VAMT1Y型虚拟轴 机床原型样机等
新概念并联运动机床
一、并联运动机床概述 二、并联机床技术的研究和发展 三、并联机床的特点 四、并联运动机床结构 五、并联机构的应用
一、并联运动机床概述
1. 新概念机床－并联运动机床 并联机床(Parallel Machine Tools)，又称 并联结构机床(Parallel Structured Machine Tools)，虚拟轴机床(Virtual Axis Machine Tools)，也曾被称为六条腿机床、六足虫 (Hexapods)、21世纪的机床。如图1所示
有效工作空间小 工件装卸不方便
伸缩杆
主轴部件 工作台
两根杆件 发生干涉
四、并联运动机床结构
1. 三杆 并联 机床
万向铰链
立柱 移动滑板 固定杆长 的杆件
球铰链
主轴部件
结构原理
• 机床底座上有 3 根按照 120°分布的立柱，立柱 的顶端借助框形横梁连接，以加强机床刚度。 • 机床由 3 组杆件通过球铰支撑主轴部件，每组由 两根固定杆长的杆件组成。 • 杆件的位移由滑板移动来实现，滑板由滚珠丝杆 （直线电机）驱动，沿立柱导轨上下移动。 • 主轴部件可以实现 3 个坐标的运动，除完成切削 加工工作外，还抓取待加工零件和放回加工完毕 的零件。
4. 加工精度高
由于采用多轴并联机构组成，六个可伸缩 杆杆长都单独对刀具的位置和姿态起作用，因 而不存在传统机床(即串联机床)的几何误差累 积和放大的现象，甚至还有均化效果 (averaging effect)；其拥有热对称性结构设 计，因此热变形较小；故它具有高精度的优点。
5. 多功能、灵活性强
动立柱立式加工中心
传统的机床(以动立柱立式加工中心为例， 如图3所示)从基座(床身)至末端运动部件，经 过床身到滑座(在床身上作X轴运动)；滑座到立 柱(在滑座上作Y轴运动)；立柱到主轴箱(在立 柱上作Z轴运动)的先后顺序，逐级串联相连接 的。 因此，当滑座在作X轴运动时，滑座上的 轴和立柱上的轴也作了相应的空间运动，也即 后置的轴必须随同前置的轴一起运动。这无疑 增加了轴运动部件的质量。
并联机构
直线电动机 沿导轨移动 万向饺
万向铰链
主轴
固定杆长 的杆件
万向铰链
电滚珠丝杆
电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集 成，具有减少传动环节、结构紧凑等一系列优 点。采用电滚珠丝杆可以大大简化数控机床的 结构。
电滚珠丝杆的结构
电动机转子
滚珠丝杆
滚珠螺母
2. 六杆 Stewart 平台的演化
Stewart 平台
增加刚度和工作空间
两层固 定平台
万向铰链 伸缩杆 两层动平台
立柱
工作台
机床配置和原理
• 机床底座上有 3 根按照 120°分布的立柱，立
柱顶端借助框形横梁连接，以加强机床刚度。
• 6 根伸缩杆分为3组分别通过万向铰链固定在立柱
的两侧，构成不同高度的两层上平台。
• 6 根伸缩杆同样在不同高度通过球铰链与主轴部 件连接，构成不同高度的两层下平台。 • 伸缩杆的长度变化驱动主轴部件，实现加工轨迹 所需的运动，工件固定在工作台上不动。
7. 变换座标系方便
由于没有实体座标系，机床座标系与工件座标 系的转换全部靠软件完成，非常方便。 Stewart平台应用于机床与机器人时，可以降 低静态误差(因为高刚性)，以及动态误差(因为低惯 量)。
存在的问题
• 工作空间小， 工作台面积与机床占地面积比 1：
50-100
• 工件装卸不方便
• 机床构件之间容易发生干涉
总之，传统机床的串联结构特性，必 然会导致移动部件的质量大、系统刚度 低，而成为机床致命的弱点；特别是当 机床运动速度高和工件质量大时，这些 弱点更为突出。
3.虚轴机床的并联机构
虚轴机床的基本结构是一个动平台、一个 定平台和六根长度可变的连杆,如图4所示。动 平台上装有机床主轴和刀具，定平台(或者与定 平台固连的工作台)上安装工件，六根杆实际是 六个滚珠丝杠螺母副，它们将两个平台连在一 起，同时将伺服电动机的旋转运动转换为直线 运动，从而不断改变六根杆的长度，带动动平 台产生六自由度的空间运动，使刀具在工件上 加工出复杂的三维曲面（如图5所示）。
机床立柱
驱动滑板 万向铰链 长度固定 的杆件 万向铰链
主轴部件
万向铰链
电主轴
万向铰链
Stewart 运动平台
伺服电动机
解码器万向铰链Fra bibliotek外层滚珠丝杆滚珠丝杆的结构
内层滚珠丝杆
5杆并联机构驱动的主轴部件
谢谢大家！
如前所述，虚轴机床实际是一个空间并联 连杆机构，其六根杆即为六根并联连杆，它们是 机床的驱动部件和主要承力部件，由于这六根杆 均为二力杆，只承受拉压载荷，所以其应力、变 形显著减小，刚性大大提高。由于不必要采用大 截面的构件，运动部件的质量减小，从而可采用 较高的运动速度和加速度。 虚轴机床还被称为是 “用数学建造的机 床”。它靠复杂的控制运算和相对简单的运动机 构来产生六自由度空间运动，大大简化了机床的 机械结构，是一种高技术附加值的产品。
由于这种机床上没有导轨、转台等表征坐 标轴方向的实体构件，故称为虚轴机床(Virtual Axis Machine Tool)；由于其结构特点，又称为 “并联运动机床”(Parallel Kinematic Machine， PKM)；同时由于其奇异的外形，西方刊物上 还常称之为“六足虫”(Hexapod)。