最新并联六杆机床

并联六杆机床

摘要

概念设计是并联机床设计的首要环节，其目的是在给定所需自由度条件下，寻求含一个主刚体(动平台)的并联机构杆副配置、驱动方式和总体布局的各种可能组合。

按照支链中所含伺服作动器数目不同，并联机床可大致分为并联、串并联和混联3种类型。前两者在一条支链中仅含一个或一个以上的作动器，以直接生成3～6个自由度；而后者则通过2个或多个少自由度并联或串联机构的串接组合生成所需的自由度。按照作动器在支链中的位置不同，并联机床可采用内副和外副驱动，且一般多采用线性驱动单元，如伺服电机—滚珠丝杠螺母副或直线电机等。机架结构的变化可使得并联机床的总体布局具有多样性，但同时也使工作空间的大小、形状以及运动灵活度产生很大差异。因此，在制定总体布局方案时，应采用概念设计与运动学设计交互方式，并根据特定要求做出决策。

通过更换末端执行器便可在单机上实现多种数控作业是并联机床的优点之一。然而由于受到铰约束、支链干涉、特别是位置与姿态耦合等因素的影响，致使动平台实现姿态能力有限是各种6自由度纯并联机构的固有缺陷，难于适应大倾角多坐标数控作业的需要。目前并联机床一个重要的发展趋势是采用混联机构分别实现平动和转动自由度。这种配置不但可使平动与转动控制解耦，而且具有工作空间大和可重组性强等优点。特别是由于位置正解存在解析解答，故为数控编程和误差补偿提供了极大的方便。应该强调，传统机床的发展已有数百年历史，任何希望从纯机构学角度创新而试图完全摒弃传统机床结构布局与制造工艺合理部分的设想都将是有失偏颇的。

本次设计的是由6根伸缩杆连接固定平台（机床的框架）和动平台（主轴部件），机床的6边形框架是固定平台，6根伸缩杆通过铰链成60度角分布在框架上，杆件的支撑点是固定的，而杆件的长度是可变的，即可伸缩的。6根伸缩杆的另一端，则通过铰链与装有主轴部件的动平台相连接，从而实现刀具的6个自由度运动。待加工零件固定在机床的工作台上，在整个加工过程中不作任何运动.ABSTRACT

This design is made up of 6telescopic rod is connected with a fixing platform ( machine frame ) and a moving platform ( spindle ), the machine on 6 sides of the frame is fixed platform,6 telescopic rod through a hinge at a 60 degree angle distribution in the frame, the support rod is fixed, and the rod of are variable in length, can be telescopic. 6 telescopic rod at the other end, through a hinge and a spindle of moving platform is connected, so as to realize the tool with 6degrees of freedom of motion. Parts to be processed is fixed on a working table of a machine tool, in the entire process without any movement

第1章绪论

1.1 课题背景与意义

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(ParallelMachineTool)，又称虚(拟)轴机床(VirtualAxisMachineTool)或并联运动学机器(ParallelKinematicsMachine)。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NeosRobotics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。与之相呼应，由美国Sandia国家实验室和国家标准局倡议，已于1996年专门成立了Hexapod用户协会，并在国际互联网上设立站点。近年来，与并联机床和并联机器人操作机有关的学术会议层出不

穷，例如第47～49届CIRP年会、1998～1999年CIRA大会、ASME第25届机构学双年会、第10届TMM世界大会均有大量文章涉及这一领域。由美国国家科学基金会动议，1998年在意大利米兰召开了第一届国际并联运动学机器专题研讨会，并决定第二届研讨会于2000年在美国密执安大学举行。1994～1999年期间，在历次大型国际机床博览会上均有这类新型机床参展，并认为可望成为21世纪高速轻型数控加工的主力装备。

我国已将并联机床的研究与开发列入国家“九五”攻关计划和863高技术发展计划，相关基础理论研究连续得到国家自然科学基金和国家攀登计划的资助。部分高校还将并联机床的研发纳入教育部211工程重点建设项目，并得到地方政府部门的支持且吸引了机床骨干企业的参与。在国家自然科学基金委员会的支持下，中国大陆地区从事这方面研究的骨干力量，于1999年6月在清华大学召开了我国第一届并联机器人与并联机床设计理论与关键技术研讨会，对并联机床的发展现状、未来趋势以及亟待解决的问题进行了研讨。

1.2 并联机床发展历史及现状

并联运动机床及虚拟轴机床普遍采用Stewart平台及其变形机构,它是现代机器人技术和现代机床技术的完美结合。并联机床使将近两个世纪以来以笛卡尔坐标直线位移为基础的机床结构和运动学原理发生了根本性的变革,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,完全打破了传统机床结构的概念。由于采Stewart平台结构,大大提高了机床的刚度,实现了高速超高速的机床加工,促使加工速度和加工质量显著提高。由于这种机床具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度、重量轻、机械结构简单、标准化程度高和模块化程度高等优点,在要求精密加工的航空航天、兵器、船舶、电子等领域得到了成功的应用。可以说:“虚拟轴数控机床被认为是20 世纪最具有革命性的机床设计的突破,代表了21世纪机床发展的方向。”

1.2.1 并联机床组成原理的研究

研究并联机床自由度计算、运动副类型、支铰类型以及运动学分析、建模与仿真等问题。

1.2.2 并联机床运动空间的研究

包括运动空间分析及仿真、可达工作空间求解（如数值求解法、球坐标搜索法等）、机床干涉计算及位置分析等。

1.2.3 并联机床结构设计的研究

并联机床的结构设计包括很多内容，如机床的总体布局、安全机构设计、数控系统设计（包括数控平台建造、数控系统编程、数控加工过程仿真等）。

1.2.4 并联机床刚度、精度、柔度、灵巧度的研究

并联机构封闭回路的特性，使并联机床较传统串联结构机床具有更高的刚度，但这个特性引起的耦合问题，相对的形成在动力分析上很大的困扰，因此对其研究应予以足够的重视。关于并联机床精度的研究仍是国际难题，包括机床系统硬件研究（及机床制造前精度设计和精度描述）和系统输出精度研究（及机床制造后输出数据处理和精度评价）。并联机床柔度的研究包括柔度分析、柔度评价指标及其在工作空间内的分布等方面。灵巧度主要研究灵巧度指标及其分布等。

1.2.5 并联机床误差研究

包括误差分析、建模及误差精度保证、测量系统设计等问题。

1.2.6 并联机床模块设计与创建

根据工件加工的空间型和平面型，相应地把并联机床分为空间型并联机床和平面型并联机床两大类。并联机床按功能和结构可分为以下几个功能模块：

①执行模块；②机座模块（静平台模块）；③动平台模块；④机架模块；⑤定位模块；⑥驱动模块；⑦控制和显示模块；⑧润滑与冷却模块。

1.2.7 新型虚拟轴数控机床的研究

虚拟轴数控机床是“要用数学制造的机床”。因为这种机床的设计与运行要用到非常复杂的数学计算与推理。目前对于Stewart平台的理论研究已取得一些关键结论，还需进一步研究Stewart平台的综合分析，为虚拟轴数控机床的研制提供理论基础。

第2章并联运动机床的设计

2.1 机床中的并联机构

(1) 概念设计

概念设计是并联机床设计的首要环节，其目的是在给定所需自由度条件下，寻求含一个主刚体(动平台)的并联机构杆副配置、驱动方式和总体布局的各种可能组合。

按照支链中所含伺服作动器数目不同，并联机床可大致分为并联、串并联和混联3种类型。前两者在一条支链中仅含一个或一个以上的作动器，以直接生成3～6个自由度；而后者则通过2个或多个少自由度并联或串联机构的串接组合生成所需的自由度。按照作动器在支链中的位置不同，并联机床可采用内副和外副驱动，且一般多采用线性驱动单元，如伺服电机—滚珠丝杠螺母副或直线电机等。机架结构的变化可使得并联机床的总体布局具有多样性，但同时也使工作空间的大小、形状以及运动灵活度产生很大差异。因此，在制定总体布局方案时，应采用概念设计与运动学设计交互方式，并根据特定要求做出决策。

通过更换末端执行器便可在单机上实现多种数控作业是并联机床的优点之一。然而由于受到铰约束、支链干涉、特别是位置与姿态耦合等因素的影响，致使动平台实现姿态能力有限是各种6自由度纯并联机构的固有缺陷，难于适应大倾角多坐标数控作业的需要。目前并联机床一个重要的发展趋势是采用混联机构分别实现平动和转动自由度。这种配置不但可使平动与转动控制解耦，而且具有工作空间大和可重组性强等优点。特别是由于位置正解存在解析解答，故为数控编程和误差补偿提供了极大的方便。应该强调，传统机床的发展已有数百年历史，任何希望从纯机构学角度创新而试图完全摒弃传统机床结构布局与制造工艺合理部分的设想都将是有失偏颇的。

（2）运动学设计

并联机床运动学设计包括工作空间定义与描述，以及工作空间分析与综合两大内容。合理地定义工作空间是并联机床运动学设计的首要环节。与传统机床不同，并联机床的工作空间是各支链工作子空间的交集，一般是由多张空间曲面片围成的闭包。为了适合多坐标数控作业的需要，通常将灵活(巧)度工作空间的规则内接几何形体定义为机床的编程工作空间。对于纯6自由度并联机床，动平台实现位置和姿态的能力是相互耦合的，即随着姿态的增加，工作空间逐渐缩小。因此，为了实现动平台实现位姿能力的可视化，往往还需用位置空间或姿态空间进行降维描述。