并联运动机床解析
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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
并联运动机床解析
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
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。
并联运动机床解析
并联运动机床解析
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。
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。
并联运动机床解析
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。
并联运动机床解析
并联运动机床解析
并联运动机床解析
并联运动机床解析
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)。
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。
并联运动机床解析
并联运动机床解析
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。
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。
并联运动机床解析
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。
（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
并联运动机床Fra Baidu bibliotek析
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。
并联运动机床解析
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。
并联运动机床解析
二、并联机床技术的研究和发展
并联运动机床解析
立柱
滑板
主轴部件
杆件 工作空间
并联运动机床解析
工作台
并联运动机床解析
并联运动机床解析
并联运动机床解析
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；
并联运动机床解析
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）。
并联运动机床解析
（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。
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
并联运动机床解析
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
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。
并联运动机床解析
并联运动机床解析
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。
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。
并联运动机床解析
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。
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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)。
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。
并联运动机床解析
并联运动机床解析
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。
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。
并联运动机床解析
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。
（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
并联运动机床Fra Baidu bibliotek析
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。
并联运动机床解析
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。
并联运动机床解析
二、并联机床技术的研究和发展
并联运动机床解析
立柱
滑板
主轴部件
杆件 工作空间
并联运动机床解析
工作台
并联运动机床解析
并联运动机床解析
并联运动机床解析
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；
并联运动机床解析
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）。
并联运动机床解析
（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。