并聯(lián)機(jī)床特點(diǎn)管理論文_優(yōu)秀論文

1、 并聯(lián)機(jī)床特點(diǎn)管理論文并聯(lián)機(jī)床是空間機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械制造、數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬技術(shù)和CAD/CAM技術(shù)高度結(jié)合的高科技產(chǎn)品。本文介紹了它的特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀, 并總結(jié)出了并聯(lián)機(jī)床的八個(gè)研究方向。并聯(lián)機(jī)床(ParallelMachineTools), 又稱并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床(ParallelStructuredMachineTools)、虛擬軸機(jī)床(VirtualAxisMachineTools), 也曾被稱為六條腿機(jī)床、六足蟲(Hexapods)。并聯(lián)機(jī)床是基于空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)Stewart平臺(tái)原理開發(fā)的, 是近年才出現(xiàn)的一種新概念機(jī)床, 它是并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)與機(jī)床結(jié)合的產(chǎn)物, 是空間機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械制造、數(shù)控技術(shù)、

2、計(jì)算機(jī)軟硬技術(shù)和CAD/CAM技術(shù)高度結(jié)合的高科技產(chǎn)品。它克服了傳統(tǒng)機(jī)床串聯(lián)機(jī)構(gòu)刀具只能沿固定導(dǎo)軌進(jìn)給、刀具作業(yè)自由度偏低、設(shè)備加工靈活性和機(jī)動(dòng)性不夠等固有缺陷, 可實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工、裝配和測(cè)量多種功能, 更能滿足復(fù)雜特種零件的加工。自其1994年在美國芝加哥機(jī)床展上首次面世即被譽(yù)為是“21世紀(jì)的機(jī)床”, 成為機(jī)床家族中最有生命力的新成員。圖1并聯(lián)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)仿真模擬圖1并聯(lián)機(jī)床的特點(diǎn)整體而言, 傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床, 是屬于數(shù)學(xué)簡單而機(jī)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)床, 而相對(duì)的, 并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床則機(jī)構(gòu)簡單而數(shù)學(xué)復(fù)雜, 整個(gè)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)牽涉到相當(dāng)龐大的數(shù)學(xué)運(yùn)算, 因此虛擬軸并聯(lián)機(jī)床是一種知識(shí)密集型機(jī)構(gòu)。這種新型機(jī)

3、床完全打破了傳統(tǒng)機(jī)床結(jié)構(gòu)的概念, 拋棄了固定導(dǎo)軌的刀具導(dǎo)向方式, 采用了多桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng), 大大提高了機(jī)床的剛度, 使加工精度和加工質(zhì)量都有較大的改進(jìn)。另外, 由于其進(jìn)給速度的提高, 從而使高速、超高速加工更容易實(shí)現(xiàn)。由于這種機(jī)床具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度以及重量輕、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點(diǎn), 在許多領(lǐng)域都得到了成功的應(yīng)用, 因此受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。由并聯(lián)、串聯(lián)同時(shí)組成的混聯(lián)式數(shù)控機(jī)床, 不但具有并聯(lián)機(jī)床的優(yōu)點(diǎn), 而且在使用上更具實(shí)用價(jià)值。隨著高速切削的不斷發(fā)展, 傳統(tǒng)串聯(lián)式機(jī)構(gòu)構(gòu)造平臺(tái)的結(jié)構(gòu)剛性與移動(dòng)臺(tái)高速化逐漸成為技術(shù)發(fā)展的瓶頸, 而并聯(lián)式平臺(tái)便成為最佳的

4、候選對(duì)象, 而相對(duì)于串聯(lián)式機(jī)床來說, 并聯(lián)式工作平臺(tái)具有如下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低機(jī)床機(jī)械零部件數(shù)目較串聯(lián)構(gòu)造平臺(tái)大幅減少, 主要由滾珠絲杠、虎克鉸、球鉸、伺服電機(jī)等通用組件組成, 這些通用組件可由專門廠家生產(chǎn), 因而本機(jī)床的制造和庫存成本比相同功能的傳統(tǒng)機(jī)床低得多, 容易組裝和搬運(yùn)。(2)結(jié)構(gòu)剛度高由于采用了封閉性的結(jié)構(gòu)(closed-loopstructure)使其具有高剛性和高速化的優(yōu)點(diǎn), 其結(jié)構(gòu)負(fù)荷流線短, 而負(fù)荷分解的拉、壓力由六只連桿同時(shí)承受, 以材料力學(xué)的觀點(diǎn)來說, 在外力一定時(shí), 懸臂量的應(yīng)力與變形都最大, 兩端插入(build-in)次之, 再來是兩端簡支撐(si

5、mply-supported), 其次是受壓的二力結(jié)構(gòu), 應(yīng)力與變形都最小的是受張力的二力結(jié)構(gòu), 故其擁有高剛性。其剛度重量比高于傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床。(3)加工速度高, 慣性低如果結(jié)構(gòu)所承受的力會(huì)改變方向, (介于張力與壓力之間), 兩力構(gòu)件將會(huì)是最節(jié)省材料的結(jié)構(gòu), 而它的移動(dòng)件重量減至最低且同時(shí)由六個(gè)致動(dòng)器驅(qū)動(dòng), 因此機(jī)器很容易高速化, 且擁有低慣性。(4)加工精度高由于其為多軸并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成, 六個(gè)可伸縮桿桿長都單獨(dú)對(duì)刀具的位置和姿態(tài)起作用, 因而不存在傳統(tǒng)機(jī)床(即串聯(lián)機(jī)床)的幾何誤差累積和放大的現(xiàn)象, 甚至還有平均化效果(averagingeffect)；其擁有熱對(duì)稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 因此熱變形較

6、??；故它具有高精度的優(yōu)點(diǎn)。(5)多功能靈活性強(qiáng)由于該機(jī)床機(jī)構(gòu)簡單控制方便, 較容易根據(jù)加工對(duì)象而將其設(shè)計(jì)成專用機(jī)床, 同時(shí)也可以將之開發(fā)成通用機(jī)床, 用以實(shí)現(xiàn)銑削、鏜削、磨削等加工, 還可以配備必要的測(cè)量工具把它組成測(cè)量機(jī), 以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的多功能。這將會(huì)帶來很大的應(yīng)用和市場前景, 在國防和民用方面都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。(6)使用壽命長由于受力結(jié)構(gòu)合理, 運(yùn)動(dòng)部件磨損小, 且沒有導(dǎo)軌, 不存在鐵屑或冷卻液進(jìn)入導(dǎo)軌內(nèi)部而導(dǎo)致其劃傷、磨損或銹蝕現(xiàn)象。(7)Stewart平臺(tái)適合于模塊化生產(chǎn)對(duì)于不同的機(jī)器加工范圍, 只需改變連桿長度和接點(diǎn)位置, 維護(hù)也容易, 無須進(jìn)行機(jī)件的再制和調(diào)整, 只需將新的機(jī)

7、構(gòu)參數(shù)輸入。(8)變換座標(biāo)系方便由于沒有實(shí)體座標(biāo)系, 機(jī)床座標(biāo)系與工件座標(biāo)系的轉(zhuǎn)換全部靠軟件完成, 非常方便。Stewart平臺(tái)應(yīng)用于機(jī)床與機(jī)器人時(shí), 可以降低靜態(tài)誤差(因?yàn)楦邉傂?, 以及動(dòng)態(tài)誤差(因?yàn)榈蛻T量)。而Stewart平臺(tái)的劣勢(shì)在于其工作空間較小, 且其在工作空間上有著奇異點(diǎn)的限制, 而串聯(lián)工作平臺(tái), 控制器遇到奇異點(diǎn)時(shí), 將會(huì)計(jì)算出驅(qū)動(dòng)裝置無法達(dá)成的驅(qū)動(dòng)命令而造成控制誤差, 但Stewart平臺(tái)在奇異位置會(huì)失去支撐部分方向的力或力矩的能力, 無法完成固定負(fù)載對(duì)象。2并聯(lián)機(jī)床的研究現(xiàn)狀自從1965年Stewart提出著名的Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu), 從此開始了基于Stewart并聯(lián)機(jī)

8、構(gòu)的虛擬機(jī)床研究。但開始, 人們還只是對(duì)這種機(jī)構(gòu)停留在理論分析上。1994年, 在美國芝加哥IMTS博覽會(huì)上首次展出并引起世界轟動(dòng)的并聯(lián)6條腿機(jī)床(又稱并聯(lián)機(jī)床), 在經(jīng)過隨后持續(xù)三年的全球跟進(jìn)浪潮后, 在世界范圍內(nèi)已逐漸降溫。這是因?yàn)椴⒙?lián)機(jī)床在理論和實(shí)踐上有一系列的難題, 難以在短期內(nèi)解決。DCB510并聯(lián)機(jī)床目前, 國內(nèi)外有許多公司和研究單位在研究虛擬軸機(jī)床。我國的并聯(lián)機(jī)床研究起步較晚, 但成果顯著。其中清華大學(xué)是國內(nèi)最早開始進(jìn)行虛擬軸機(jī)床研究的單位之一, 對(duì)虛擬軸機(jī)床以及多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究, 并于1997年12月25日與天津大學(xué)合作, 共同開發(fā)出我國第一臺(tái)大型鏜銑類虛擬軸機(jī)床原型

9、樣機(jī)-VAMT1Y。在虛擬軸機(jī)床設(shè)計(jì)理論與樣機(jī)建造等關(guān)鍵技術(shù)方面達(dá)到了國際先進(jìn)水平, 其中部分理論成果屬國際首創(chuàng)。目前正在進(jìn)行虛擬軸機(jī)床系列化、實(shí)用化的研究, 與多家機(jī)床骨干廠家進(jìn)行了新型虛擬軸機(jī)床商品化樣機(jī)的研制工作, 以期實(shí)現(xiàn)虛擬軸機(jī)床的產(chǎn)業(yè)化。其中與昆明機(jī)床股份有限公司、江東機(jī)床廠和大連機(jī)床廠聯(lián)合研制的三種不同構(gòu)型的機(jī)床已經(jīng)問世, 并與2001年在CIMT上展出, 有望在近期實(shí)現(xiàn)商品化。與昆明機(jī)床股份有限公司共同研制的XNZ63虛擬軸機(jī)床, 可實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工、裝配和測(cè)量多種功能, 更能滿足復(fù)雜特種零件的加工, 其綜合指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。與江東機(jī)床廠聯(lián)合開發(fā)的一臺(tái)龍門式虛擬軸機(jī)

10、床, 結(jié)構(gòu)采用雙柱龍門工作臺(tái)移動(dòng)式, 可完成4坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。與大連機(jī)床廠聯(lián)合研制的DCB-510五軸聯(lián)動(dòng)串并聯(lián)機(jī)床, 能夠通過并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)X、Y和Z方向的移動(dòng), 采用傳統(tǒng)的串聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)主軸頭的A和C方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。另外由天津大學(xué)設(shè)計(jì)并與天津市第一機(jī)床廠聯(lián)合研制的并聯(lián)機(jī)床也獲得成功并達(dá)到實(shí)用化水平。哈工大與齊齊哈爾第二機(jī)床企業(yè)集團(tuán)聯(lián)合研制的BJ-1并聯(lián)機(jī)床, 現(xiàn)有機(jī)型技術(shù)參數(shù)為：加工范圍：f400250；主軸轉(zhuǎn)速：08000r/min；電主軸功率：9kW；桿系伺服電機(jī)功率：0.75kW；重復(fù)性精度：0.002mm(靜態(tài))；定位精度：0.015mm；體積：180015002300；數(shù)控系統(tǒng)：研華工控機(jī)+六

11、軸聯(lián)動(dòng)卡。東北大學(xué)最新研制的DSX5-70型三桿虛擬軸機(jī)床是由三自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)和兩自由度的串聯(lián)機(jī)構(gòu)混聯(lián)組成的五自由度虛擬軸機(jī)床。其中, 兩自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)置于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上, 整個(gè)機(jī)構(gòu)通過三桿的伸縮和兩驅(qū)動(dòng)軸可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng), 用以完成多種作業(yè)任務(wù)。由國防科技大學(xué)和香港科技大學(xué)聯(lián)合研制的銀河2000虛擬軸機(jī)床是一種并聯(lián)式六自由度機(jī)床, 是由傳統(tǒng)并聯(lián)機(jī)床發(fā)展而來的, 在保持原并聯(lián)機(jī)構(gòu)的諸多優(yōu)點(diǎn), 如高剛度, 高精度和高的運(yùn)動(dòng)速度外, 用變異機(jī)構(gòu)擴(kuò)大了機(jī)床的運(yùn)動(dòng)范圍。瑞典NeosRobotics公司由于采用了并聯(lián)加串聯(lián)的方案, 從低層次應(yīng)用做起, 逐步積累經(jīng)驗(yàn)和財(cái)力, 向高層次應(yīng)用發(fā)展, 以及采用了三桿

12、中央的中心管等正確的措施, 其并聯(lián)機(jī)床產(chǎn)品早已進(jìn)入實(shí)用, 至今已創(chuàng)200余臺(tái)的驚世銷售業(yè)績。該公司展出的Tricept845加工中心, 其體積定位精度達(dá)到50µm, 重復(fù)定位精度達(dá)10µm, 這兩個(gè)指標(biāo)距離傳統(tǒng)機(jī)床雖還有較大的差距, 但對(duì)并聯(lián)機(jī)床已屬重大的突破, 具有實(shí)用價(jià)值。其進(jìn)給速度已達(dá)90m/min, 加速度已達(dá)2g, 主軸功率為3045kW, 24,00030,000r/min, 采用瑞士IBAG公司電主軸、Siemens840D數(shù)控系統(tǒng)和Heidenhain的測(cè)量系統(tǒng)。該加工中心采用模塊化結(jié)構(gòu)。三桿結(jié)構(gòu)組件有0、45、90三種布局可任選(即分別組成臥式、傾斜4

13、5和立式加工中心)。德國Fraunhofer機(jī)床和成型技術(shù)研究所開發(fā)的6x型機(jī)床適于模具的高速加工, 其主要技術(shù)參數(shù)為：工作臺(tái)：630630, X, Y, Z行程均為630mm, 兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度范圍為30, 主軸最高速度為3000r/min, 功率為16kW, 腿的最大進(jìn)給速度為30m/min, 加速度為10m/s。德國Index的美國分公司將并聯(lián)機(jī)床用于車床, 生產(chǎn)出了V100型三桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)的“倒立車”(即主軸和工件在上作X、Z軸運(yùn)動(dòng), 而刀具在下不動(dòng), 可回轉(zhuǎn)換刀, 但不作任何直線運(yùn)動(dòng)的立式車床, 我國習(xí)稱為“倒立車”)。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：外形緊湊。車床不象加工中心, 工件相對(duì)刀具的移動(dòng)范圍

14、較小, 克服了并聯(lián)機(jī)構(gòu)空間有效利用率低的弱點(diǎn)。車床一般只需兩個(gè)自由度(X和Z軸), 現(xiàn)用三桿幾何機(jī)構(gòu), 可以獲得X、Y、Z三個(gè)自由度, 冗余的一個(gè)自由度可用作自由上下料用。另外, 為了增加剛度, Index采用兩根桿起一根桿作用的雙桿機(jī)構(gòu), 與我國天津第一機(jī)床總廠結(jié)構(gòu)類似。V100安裝5英寸卡盤, 其主要技術(shù)參數(shù)為：電主軸轉(zhuǎn)速為8000r/min, 功率為26.48kW。X、Y、Z行程分別為1450mm、150mm、175mm, 可自動(dòng)上下料。美國Hexel公司將6桿并聯(lián)結(jié)構(gòu)作成獨(dú)立部件應(yīng)用于轉(zhuǎn)塔銑床。這可將低價(jià)的普通銑床升級(jí)為5軸聯(lián)動(dòng)銑床。其主要技術(shù)參數(shù)為：工作臺(tái)直徑710mm, X、Y行程

15、范圍為直徑305mm的圓, Z軸178mm, A軸25µm, 最大進(jìn)給速度為5.1m/min, 重91kg。瑞士技術(shù)院(ETH)、機(jī)床與制造技術(shù)院(IWF)和機(jī)器人院(IFR)也聯(lián)合研制出了名為IWF的Hexaglide虛擬軸機(jī)床。迄今為止, 我們了解的虛擬軸并聯(lián)機(jī)床有二自由度、三自由度、法面三自由度、純移動(dòng)三自由度四自由度、對(duì)稱五自由度和六自由度等類型。虛擬軸數(shù)控并聯(lián)機(jī)床多用于虛擬軸六自由度數(shù)控機(jī)床。3并聯(lián)機(jī)床的研究方向并聯(lián)機(jī)床組成原理的研究。研究并聯(lián)機(jī)床自由度計(jì)算、運(yùn)動(dòng)副類型、支鉸類型以及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、建模與仿真等問題。并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)空間的研究。包括運(yùn)動(dòng)空間分析及仿真、可達(dá)工作空間

16、求解(如數(shù)值求解法、球坐標(biāo)搜索法等)、機(jī)床干涉計(jì)算及位置分析等。并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究。并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括很多內(nèi)容, 如機(jī)床的總體布局、安全機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)(包括數(shù)控平臺(tái)建造、數(shù)控系統(tǒng)編程、數(shù)控加工過程仿真等)。并聯(lián)機(jī)床剛度、精度、柔度、靈巧度的研究。并聯(lián)機(jī)構(gòu)封閉回路的特性, 使并聯(lián)機(jī)床較傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床具有更高的剛度, 但這個(gè)特性引起的耦合問題, 相對(duì)的形成在動(dòng)力分析上很大的困擾, 因此對(duì)其研究應(yīng)予以足夠的重視。關(guān)于并聯(lián)機(jī)床精度的研究仍是國際難題, 包括機(jī)床系統(tǒng)硬件研究(及機(jī)床制造前精度設(shè)計(jì)和精度描述)和系統(tǒng)輸出精度研究(及機(jī)床制造后輸出數(shù)據(jù)處理和精度評(píng)價(jià))。并聯(lián)機(jī)床柔度的研究包括柔度分析、柔度評(píng)價(jià)指標(biāo)及其在工作空間內(nèi)的分布等方面。靈巧度主要研究靈巧度指標(biāo)及其分布等。并聯(lián)機(jī)床誤差研究。包括誤差分析、建模及誤差精度保證、測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)等問題。并聯(lián)機(jī)床模塊設(shè)計(jì)與創(chuàng)建。根據(jù)工件加工的空間型和平面型, 相應(yīng)地把并聯(lián)機(jī)床分為空間型并聯(lián)機(jī)床和平面型并聯(lián)機(jī)床兩大類。并聯(lián)機(jī)床按功能和結(jié)構(gòu)可分為以下幾個(gè)功能模塊：執(zhí)行模塊；機(jī)座模塊(靜平臺(tái)模塊)；動(dòng)平臺(tái)