哈量新一代并联机床LINKS_EXE700

２００４年，Ｔｒｉｃｅｐｔ并联机床发明创始人纽曼先生组建了Ｅｘｅｃｈｏｎ公司，发明了新一代Ｅｘｅｃｈｏｎ并联机床技术。

新一代并联机床技术突破了阻碍并联机床发展与广泛应用的诸多瓶颈和障碍，性能指标与易用性均大幅优于Ｔｒｉｃｅｐｔ技术。

该项技术通过了ＰＣＴ（国际专利合作协议组织）的审定，并在所有ＰＣＴ协议参与国家和地区（包括中国）申请并获得了发明专利。

哈量ＬＩＮＫＳ－ＥＸＥ７１００是在结合哈量原有并联机床经验积累，加上引进使用Ｅｘｅｃｈｏｎ并联机床最新专利技术的基础上设计制造的新一代并联机床，在机床动态性能、刚性、精度以及用户编程操作简易性方面都达到了很高水平。

１ＬＩＮＫＳ－ＥＸＥ７００并联机床特点１．１运动关节及机构自由度数量对机床性能的影响并联运动结构从外观来看，像是很多“手臂”一端彼此相连，另一端与基座相连。

这种设计要求各关节是多自由度的。

并联运动机床（ＰＫＭ）手臂的数目取决于动平台运动轴的设计数量，但是不论哪种设计，遵循的目标都应将灵活性与刚性结合在一起。

因关节点结构复杂，既要刚性好、无间隙，又要成本低，是设计并联机床的突出问题。

这个技术问题限制了市场上的并联机床数量，这也是为什么关节点少、自由度少的并联机床成为目前最成功的并联机床的原因。

Ｔｒｉｃｅｐｔ并联机床使用了相对少的关节和自由度数，正是Ｔｒｉｃｅｐ当年在世界并联机床市场能占７０％份额的原因。

１．２Ｔｒｉｃｅｐｔ并联机床的缺陷Ｔｒｉｃｅｐｔ并联机床的每一个关节点都有一个以上的自由度，像一个万向铰链。

各伸缩杆只承担轴向载荷，故必需设置中心管来实现约束更多的自由度。

中心管承受的荷载对中心管造成的挠曲和扭转，会严重影响机床的整体刚性。

为解决这一问题，在设计上应使挠曲和扭转对中心管精度和动态性能的影响降低到最小。

这种优化设计是把中心管的直径加粗，管壁减薄，可是这样一来机床的工作范围大大地缩小了。

唯一的解决办法是找出钢管壁厚与直径之间的均衡点。

轻型Ｔｒｉ－ｃｅｐｔ的管壁薄且轻，适于快速动态加工；重型的管壁厚，适于慢速加工。

然而管壁和刚性之间的关系不可能完全均衡，所以结果不是设计过轻，导致挠曲和扭转力过大，就是中心管自身重量过大而引起变形。

尽管Ｔｒｉｃｅｐｔ机床配有外部ＤＭＳ测量系统，用于消除温度和切削力产生的误差。

但是由于主轴和ＤＭＳ之间距离远，加之切削力和中心管自重的影响，就造成了ＤＭＳ读数和真实位置之间的偏差。

ＤＭＳ读数仅能补偿ＤＭＳ系统中的值，而ＤＭＳ系统下部由切削力和中心管自重造成的偏差依然得不到补偿。

１．３新型Ｅｘｅｃｈｏｎ并联机床的设计概念新型Ｅｘｅｃｈｏｎ并联机床技术解决了上述问题，突显了并联机床的所有目标，如高刚性与极好灵活性和动态性相结合，其核心部分设计见图１。

这个新概念的基本点是使用自由度不超过１的下部关节，以及在一个方向上具有直线和弯曲２种刚度的致动器。

这种设计构成一个坚实的结构，可以完全解决作用在机床各方向上的挠曲和扭矩力的影响（图２）。

哈量新一代并联机床LINKS-EXE700ＮｅｗｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｐａｒａｌｌｅｌｍａｃｈｉｎｅＬＩＮＫＳ－ＥＸＥ７００哈尔滨量具刃具集团有限责任公司谭光恒图１图２６个关节点１０个自由度图５这里描述的Ｅｘｅｃｈｏｎ设计实际上构成了一个金字塔形的运动三脚架。

这个结构通过３根通过单自由度关节连接到腕关节的２种刚度的致动器，将力从腕关节传递到上平台，不会损失任何刚性。

但是由于上平台关节角度的影响，只有在其中２个致动器的上关节为２自由度，并且第３个致动器的上关节为３自由度时，才可能实现这种在下端所有关节只有１个自由度，在所有致动器上具有两种刚度的设计。

这样的设计使得整个并联结构的节点数减少至６个，自由度减至１０个。

样机实例见图３。

１．４编程使用通用化以往并联机床的编程和使用不同于常规机床，这也是并联机床推广应用的主要障碍之一。

而Ｅｘｅｃｈｏｎ新技术完全解决了这一问题。

Ｓｉｅｍｅｎｓ公司为Ｅｘｅｃｈｏｎ并联机床专门开发了坐标变换系统软件。

同样使用Ｓｉｅｍｅｎｓ通用数控系统，哈量新一代并联机床在编程和操作上已经与常规五坐标数控机床无异。

１．５主动测量补偿ＡＭＣ从事并联机床研究的人都很清楚并联机床的校准和标定是一个大问题。

Ｅｘｅｃｈｏｎ公司与ＯｐｔｉｋｏｓＱ公司合作开发了一项独特的校准系统。

这种专门的校准系统使测量Ｅｘｅｃｈｏｎ并联机床下平台主轴的真实位置成为可能。

并且能够校准、验证上部三角架的所有参数，并把参数传送到运动模型中，使得并联机床首次实现了全方位的误差补偿。

这个系统称为ＡＭＣ（主动测量补偿）。

它是把机床编成空间中的不同位置，通过把三脚架腿（致动器）和下平台之间的角度重新换算成实际的笛卡尔坐标位置，再把这些数据放到数据库中，进行重新计算、完成补偿整个机床运动系统的误差。

１．６虚拟工件的在线生产（ＩＬＰ）检验给并联机床安全编程、检验，开发一个系统，让它能够检查相对于实际工件和实际ＮＣ程序的工件程序是非常重要的。

这个系统不是那种只“检查”相对于虚拟机床和工件程序的仿真检查，而是能够与在实际的运动状态下和ＣＮＣ控制器里真实驱动下运行的一台仿真机床进行比较。

这是世界上第一次在ＮＣ机床真实的控制器中，以实际驱动传递的轴数据，实时地在屏幕上运行自己的程序。

此系统由ＯｐｔｉｋｏｓＱ公司开发并得到了芬兰ＶｉｓｕａｌＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓ公司和德国西门子自动化与驱动集团的支持。

ＡＭＣ与ＩＬＰ相结合的成果将会开启ＣＮＣ行业中的新天地（图４）。

１．７机床动态性能传统机床的固有频率随着机床主轴在座标系中位置不同而变化，这将给在高速加工时的最佳切削参数选择带来一定的麻烦。

如在某特定转速下，主轴处于不同位置，其最佳切削用量将不同，为确保正常切削，只能减少切深或走刀量、牺牲效率来减小振动，保证加工质量。

而Ｅｘｅｃｈｏｎ并联机床下平台主轴无论处于加工范围的任何位置，其振动特性都保持高度一致，图５所示为图３图４山特维克公司对ＥＸＥ７００机床的检测的条件和测量位置，用专用检测装置可分别测出刀具前端所受的力、加速度与振动频率之间的关系，经专用软件分析，得出图６所示处理结果，即切深与转速之间的关系。

从图６所示的试验结果可以看出，其重合度非常好。

这就为最佳切削参数的选择提供了保证。

１．８主要技术指标：执行机构行程：７００ｍｍ，加工空间见图７；主轴功率：１３ｋＷ；主轴转速：２００００ｒ／ｍｉｎ；Ｘ、Ｙ、Ｚ轴最大快移速度：１２５ｍ／ｍｉｎ、１２５ｍ／ｍｉｎ、４５ｍ／ｍｉｎ；Ｘ、Ｙ、Ｚ轴最大加速度：３ｇ、３ｇ、１ｇ；Ｘ、Ｙ、Ｚ轴重复精度：１０μｍ；４ｔｈ、５ｔｈ轴重复精度：２μｍ、５μｍ。

２哈量ＬＩＮＫＳＥＸＥ７００并联机床的应用优势哈量新一代并联机床同时兼有５轴联动、高速切削、快速定位、灵活移动、五面（六面）加工等一系列常规数控机床无法同时具有的多种功能，在数控加工领域具有常规数控机床系统无法比拟的优势和高性价比。

２．１敏捷加工传统加工时常遇到工件找正的问题，这是一项耗时又耗钱的工作。

传统机床对此的解决方案是使用非常昂贵且不灵活的伺服控制夹具，或通过使用高级的脱机测量设备手工调整每个工件。

并联机床则可以轻松地使用测头测量，并结合五轴机床的高速运动性能，在加工前几秒钟内即可测完工件，建立新的工件坐标系。

这时工件可以以任何姿态放在机床工作台上的任何位置，只要保证在机床的加工范围内就可以了。

对于大型的和超大型的构件加工，这一点尤为重要。

目前，这种技术已经得到验证，并应用于波音飞机的生产中。

２．２一次装夹加工传统数控机床加工工件所有６个面，例如加工气缸盖，通常需要用多个夹具。

如果用传统的数控机床组成生产线，则需多次装夹工件，带来的问题之一是，由于多次装夹导致重复定位误差累积，引起Ｃｐ值下降，而且设计制造几个不同夹具的成本不菲。

并联机床灵活的运动姿态可实现主轴轴线处于笛卡尔坐标系空间的任何方向，并可以向空间任何方向运动。

这使得并联机床从理论上讲，能够在一次装夹内便可完成所有面（５面甚至６面）的加工。

加上可快捷地建图６图７立工件坐标系，无需使用高精度的工装，可大幅降低夹具制造成本，并消除了重复性定位误差，工件的Ｃｐ值高且稳定。

此项技术也已在众多国外用户的生产中得到了验证。

２．３复合角度加工随着汽车构架、发动机及其他部件的设计愈先进，对复杂加工与复合角度加工的需求也越来越多。

用传统数控机床加工这类工件，需要增加附加设备，或采用２轴转台、角度头或脱机使用的特殊装置。

但是所有这些附加设备都很昂贵，且难于校准维护，尤其是当工件仅有一个复合角度孔或多个复合角度孔，但各自轴线方向不同的情况时，很不经济。

并联机床实现这类加工非常容易，因此它十分适于未来汽车制造期望的所有复杂加工。

飞机、火车或建筑机械上的部件同样需要更先进的、现今传统机床无法做到的、而并联机床却很容易实现的加工技术。

此项技术同样在众多国外用户的生产中得到了验证。

２．４多重路径混合及消除拖刀纹楞传统数控机床加工纯平表面是一个棘手的问题。

如果采用多重路径加工，这要求机床的刚性和精度非常好。

尽管如此，实际上几乎也不可能避免出现路径之间的纹楞。

用传统机床主要有两种途径来解决这个问题，一是使用运动轨迹可覆盖整个表面的刀具，但要求机床功率更大、稳定性更好；二是给主轴调整出一个前倾角，让所有的路径按同一方向切削，耗时多。

并联机床的主轴与工件表面是否垂直是没有直接关系的，所以用一个确定的前倾角给并联机床进行编程即可。

这种加工方法的另一个优点是，在加工时刀具背面不接触工件，可增加了刀具的使用寿命，尤其是加工带余沙的铸件时，沙子不会溅到并且积留在刀背面和工件之间，减少了刀具的磨损。

这种技术仍属新技术，目前已在一些国外用户处测试，已取得非常好的效果。

３并联机床应用成功范例３．１ＧＭ第一个使用并联机床的汽车制造企业是ＧＭ公司，Ｈｙｄｒｏ公司是ＧＭ分供商中第一家使用并联机床加工ＧＭ公司汽车铝制框架的企业。

目前他们用５台带转台的Ｔｒｉ－ｃｅｐｔ并联机床来完成该项工作。

３．２ＢＭＷＢＭＷ是至今最大的并联机床用户。

他们使用并联机床生产其新５系和６系的轿车。

ＢＭＷ公司对并联机床进行了深入细致的分析，并得出了并联机床在所有方面表现卓越。

现今ＢＭＷ公司用了１０台Ｔｒｉｃｅｐｔ并联机床来完成前后车轴从原料到精加工件的全部加工。

根据该公司的统计数据，各项指标达到期望值且很多情况下比期望的更好。

３．３ＰＳＡ另一个非常成功的用户实例就是ＰＳＡ集团（标志和雪铁龙）。

他有一条由１３台带转台的Ｔｒｉｃｅｐｔ并联机床组成的生产线，大批量生产新型Ｐｅｕｇｅｏｔ（标志）４０７轿车的前后车轴。

这条生产线的生产质量和正常生产时间是相当高的。

ＰＳＡ目前在生产中已有２５台以上的并联机床。

３．４波音波音公司是第一个把并联机床用于实际加工的用户，并且自１９９６年起这台Ｔｒｉｃｅｐｔ机床就全天２４ｈ工作，现在它仍然在为波音７２７和７３７生产优质的地楞横梁。