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。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、虎克铰、球铰、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。

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，其结构负荷流线短，而负荷分解的拉、压力由六只连杆同时承受，以材料力学的观点来说，在外力一定时，悬臂量的应力与变形都最大，两端插入(build-in)次之，再来是两端简支撑(simply-supported)，其次是受压的二力结构，应力与变形都最小的是受张力的二力结构，故其拥有高刚性。其刚度重量比高于传统的数控机床。

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，而它的移动件重量减至最低且同时由六个致动器驱动，因此机器很容易高速化，且拥有低惯性。

加工精度高。由于其为多轴并联机构组成，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，甚至还有平均化效果(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。

多功能灵活性强。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。

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。

二国内外发展状况

1 并联机床发展

并联机床(Parallel Machine Tools)又称为并联结构机床(Parallel Structured Machine Tools)、虚拟

轴机床(Virtua1．Axis Machine Too1)，也曾被称为六条腿机床、六足虫(Hexapods)，在国际上一般称为

Parallel Kinematic Machine(PKM)，PKM似乎已经成为目前国际上对并联机床约定俗成的称呼，它们都

是以Stewart平台为基础的．它的出现不仅引起了世界各国的广泛关注，而且被誉为“机床结构的重大革

命”，制造业给予高度的重视．

并联机床以空间并联机构为基础，充分利用计算机数字控制的潜力，以软件取代部分硬件，以电气装

置和电子器件取代部分机械传动’，使将近两个世纪以来以笛卡尔坐标直线位移为基础韵机床结构和运动

学原理发生了根本变化H]．

并联机床与传统机床的区别主要表现在：传统机床布局的特点是以

床身、立柱、横梁作为支承部件，主轴部件和工作台的滑板沿支承部件上

的直线导轨移动，按照x、Y、Z坐标运动叠加的串联运动学原理形成刀头

点的加工表面轨迹；并联机床布局的特点是，以机床框架为固定平台的若

干杆件组成空间并联机构，主轴部件安装在并联机构的动平台上，改变杆

件的长度或移动杆件的支点，按照并联运动学原理形成刀头点的加工表

面轨迹．

与传统串联机床相比并联机床具有如下优点[2．1]：①并联机构的执行

构件的误差不再是简单的线性累加，工作头更容易获得高的精度；②并联

机构的执行机构运动灵活，很容易实现多自由度联动，从而更易于实现空

间曲面的加工；③并联机床反解容易，轨迹规划简单，易于控制；④并联机图1 Stewart平台机构床结构简单，零件总数较少，成本容易控制；⑤并联机床中的主妻变形构件以承受拉压力为主，而且由于闭

环力流封闭，使机床具有较高的刚度重量比；⑥并联机床移动部件质量小，响应速度快，动态性能好，更适于高速加工；⑦并联机床的模块化程度高，易于重构；⑧并联机床硬件简单，软件复杂，具有更高的技

术附加值．因此，并联机床是新一代机床结构的重要发展方向．

1965年，Stewart_5 提出一种新型6自由度的空间并联机构，它由上下两个平台和6个并联的伸缩杆

组成，每个伸缩杆和上下平台之间通过两个球铰链连接，称为Stewart平台．如图1所示．经过30多年的

不断改进和发展，Stewart平台演变出不同运动学原理和结构的空间并联机构，并在许多科学研究和工业

领域获得了广泛应用．其主要的应用领域有L6]：运动模拟器、工业机器人、医用机器人、微定位机器人、天文

望远镜、绳索机器人、并联机床等．

2 国外并联机床研究现状

国外对并联机床的研究是从20世纪80年代开始的，并于20世纪90年代相继推出了形式各异的产

品化样机．1994年在芝加哥国际机床博览会上，美国的Giddings& Lewis公司和Geodetics公司分别推

出了各自的并联机床，在机床行业引起了轰动 J．

Giddings&Lewis公司的Variax型并联机床如图2所示，机床的6根驱动杆2根一组交叉成“X”型，

杆件长度的伸缩，使带有主轴部件的上平台完成加工零件所需的运动．该机床占地面积为7800 mmX 8180 mm，而工作空间只有700 mmX 700 mmX 750 mm，工作台面积630 mmX 630 mm，从空间利用的角度看，其结构不尽合理．加之由于主轴部件配置为内铣型，安装工件也不太方便，因此没有在生产中获得应

用．后来该机床提供给英国诺丁汉大学工学院作为进行“航空工业敏捷制造”项目研究的设备．

随后，美国Ingersoll公司(1994年)相继推出了采用并联机构的V0H一1000型立式加工中心(见图3)

和H0H一600型卧式加工中心(EMO97)，这两台机床在结构上都作了较大改进，从内铣型改为外铣型，并

明显缩小了主轴部件的体积，减轻了运动部件的质量，安装工件也比较方便，对并联机床的发展产生很大

影响．图4为HOH一600型的外观，该机床的底座采用基本构件组成的八面体绗架结构，据称这种结构刚

性很好，力流封闭，机床安装时不用打基础．该机床连杆的最大进给速度为30 m／min，加速度为0．5 g，主

轴转速为0~20000 r／min，最大功率为37．5 kW，最大扭矩为49．1 Nm，自带刀库，能自动换刀 ]．由于Giddings& Lewis和Geodetics这两家公司的创新探索，对促进各国大学和研究机构开展并联

机床研究起到了积极地推动作用．各有关单位纷纷研制各种并联机构的原型样机，召开并联机床的国际研

讨会，开设专门的信息交流网站．

2000年前后，并联机床在运动学原理、机床设计方法、制造工艺、控制技术、动态性能研究和工业应用