并联机床的研究现状和发展前景

并联机床的研究现状和发展前景

姓名：闫培如

班级：机械1301班

学号：S2*******

二零一四年五月二十八

并联机床的研究现状和发展前景

并联机床，又称为虚拟轴机床或并联运动学机器，是并联机器人技术和现代数控技术相结合的产物。它能够提供机器人的灵活与柔性，又具有机床的刚度和精度，是集多种功能与一体的新型机电设备。

从传动链角度来说，并联机床与传动串联机床的区别在于：串联机床一般是由底座、立柱、主轴箱和工作台等构件构成的“C”型结构，负载力全面地由一级传动构件传向下一级，每个传动链的构件都要固定机床的全部自由度，都要承受工作负载的全部力流，包括力和力矩，这样，为了满足机床的刚度和强度要求，构件的质量不可避免的增大，不但增加了材料和能源的消耗，而且制约了进给速度和加速度的提高。而并联机床的工作台是由多个传动链联合控制自由度，一方面通过避免横向力矩作用，另一方面，将工作负载均衡的分担到了六个伸缩杆上，极大的减轻的伸缩杆的工作负载，伸缩杆只需很小的尺寸便可满足刚度和强度要求。不但减轻了机床整体的质量，使得大幅度提高机床的进给速度和加速度成为可能，而且提高了机床刚度，对提高加工精度起到有利的一面。

并联机床特性分析

1 并联机床优点：

因为结构等原因，与实现同等功能的传统机床相比，并联机床具有如下优点：

(1) 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，由于伸缩杆与动平台和静平台之间使用万向联轴节（或球铰）相连，不存在横向力矩的作用，因此，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。

(2) 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，因而特别适用于各种高速数控作业。

(3) 精度高，并联机床由并联机构组成，各杆的杆长都单独对主轴的位置和姿态起作用，因而它不存在传统机床中串联机构的误差累积问题，从而其加工精度较高。

(4) 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，还可以完成精密装配、特种加工和测量等作业。

(5) 结构简单、维护维修方便，并联机床运动部件少，并且主要由通用元件（滚珠丝杠、

虎克铰、球铰、伺服电机等）组成，这些通用组件可由专门生产厂家生产，因而机床的库存和制造成本低，加之布局敞开性好，因此维修量小且维修方便。

(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。

(7) 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。正因为这样的特点，并联机床的坐标变换比较方便，没有实体坐标系，机床坐标系与工件坐标系的转换全部靠软件完成。

2 并联机床发展过程中存在的问题：

并联机床因为其种种优点，在当前世界各国引起了广泛的重视，但是因为当前一些技术性的问题，使并联机床的发展受到了一定的限制。主要表现在以下几个方面。

(1) 振动问题：并联机床随着其动平台位姿的不同，其振动频率相应函数不同，其振动频率相应频带宽度远大于传统机床的振动频带相应宽度，这样在使用过程中就不可避免的存在着共振现象。如何在高速切削时有效的避免共振现象，是并联机床走向实用化必须要解决的问题之一。另外，在理想条件下，并联机床伸缩杆所受力仅为轴向拉力和压力，但是，在实际情况下，考虑摩擦力、运动部件的重量和惯性力时，伸缩杆在球铰处所受力与伸缩杆的轴线有一定的夹角，这个夹角会随着动平台位姿的变化而变化，这也是在高速切削时引起共振的原因之一。

(2) 缺乏高效运动学正解求解方法：并联机构逆解简单，正解复杂。比如，在Stewart 平台中，当六根伸缩杆的长度固定时，可以唯一确定出动平台的位置，从而确定出刀具的轨迹，但是，当根据刀具的轨迹确定出动平台的位姿时，由动平台的一个位姿求解各伸缩杆的长度时，可能得出多个解，这样就给控制系统的运算和控制带来一定的难度。

(3) 关键基础零部件没有达到标准化、系列化的成果：并联机床由于其结构特点，有易于标准化、模块化的特点，但是，标准化、系列化工作在国内并没有引起相关的重视，造成并联机床的市场化存在着较大的问题。

(4) 受热补偿的问题是并联机床制造者面对的主要问题之一，也是制约机床精度的一个重要的误差来源，支链上的丝杠和球铰的快速运动产生大量的热，如何克服受热膨胀带来的问题也是设计者和制造者比较重视的问题。

(5) 控制软件的易操作性没有实现：并联机床的特点是“硬件”简单，而控制算法比较复杂，在控制方式上也与传统的机床有着很多的差别。由于传统数控机床的操作风格已经被广大相关工作人员所熟悉和接受，所以并联机床要走向实用化，首先要做的工作就是开发出

非常友好的操作界面，把复杂的控制算法隐藏在操作界面背后，并形成常规的类似常规机床G代码的数控编程语言。

(6) 国内外进行的研究都是针对并联机床特定环节的仿真与分析，不管是硬件结构，还是软件分析，并没有形成统一的理论和集成化的通用设计环境。并且不能很好的支持设计环境中的各个环节。

并联机床的发展趋势

1小型化、简单化

三轴并联机床的技术和理论问题基本上都已经解决。这种相对比较简单的的并联机床已经成为并联机床发展最快的一个分支，并率先走向商品化，最先在工业现场得到最广泛的应用。

2高速高效化

由于并联机床的主轴部件一般为电主轴单元，重量轻、体积小，再加上驱动主轴运动的并联进给机构所遇有的高速度，将非常有利于使刀具运动获得高速度和高加速度；另一方面，并联机床加工时，笨重的工件、夹具、工作台等都固定不动，而仅是主轴（刀具）相对于工件作高速多自由度运动，因此发挥好这一重要优势将使并联机床比传统结构机床更适合作高速和超高速加工，从而有力推动新一代并联高速和超高速机床的发展。

3机床元件标准化

并联机床结构简化的最大的特点是便于模块化和标准化，许多新型适用于并联机床的标准的模块元件的推出，为柔性制造系统的设备重组提供了良好的基础。当前，由于并联机床的规模化生产并没有很好的发展起来，机床元件的标准化正处于发展阶段，但必将随着并联机床的发展而发展起来。

4混联化

并联机床与传统的串联机床各有优缺点，将二者结合起来，克服缺点，发挥优点，这种新型混联机床的优点已经引起许多研究机构的注意，将成为并联机床最有潜力的发展分支之一。由可移动杆构成了并联结构形式，但刀具与主轴箱以及动平台的连接则采用传统的串联形式，这样，取长补短，分别克服了纯串联机床和纯并联机床的缺点，得到了很好的应用。5群组化

并联机床具有柔性化非常好的特点，利用当前网络化的发展，用多台并联机床组成大型柔性加工、测量、装配中心，使多台并联机床并行工作，或者使并联机床与串联机床并行联

合工作，可以发挥出并联机床最大的柔性化特点。

结语

并联机床具有精度高、速度高、刚度高的特点，并且便于重组和模块化设计，有望成为本世纪高速轻型数控加工的主力设备。目前世界各国对于并联机床的研究基本上都处于研究、试制和试用的阶段。与国外相比，国内对于并联机床的研究、设计已经应用等方面的关键技术的研究有待于进一步的加强，如对球铰的运动精度、运动精度的测量和控制。另外，对于并联机床运动规律以及运动精度的研究目前在我国还处于起步阶段，许多关键性的技术还有待研究，因此，面对并联机床这一具有很大发展前景的技术，我们必须很好的结合我国的国情开展研究工作，以逐步缩短我国同国外的差距。