并聯(lián)機(jī)床的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景

1、并聯(lián)機(jī)床的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景姓名：閆培如班級：機(jī)械1301班學(xué)號:s20130135二零一四年五月二十八并聯(lián)機(jī)床的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景并聯(lián)機(jī)床，又稱為虛擬軸機(jī)床或并聯(lián)運(yùn)動學(xué)機(jī)器，是并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 相結(jié)合的產(chǎn)物。它能夠提供機(jī)器人的靈活與柔性，又具有機(jī)床的剛度和精度，是集多種功能 與一體的新型機(jī)電設(shè)備。從傳動鏈角度來說，并聯(lián)機(jī)床與傳動串聯(lián)機(jī)床的區(qū)別在于：串聯(lián)機(jī)床一般是由底座、立 柱、主軸箱和工作臺等構(gòu)件構(gòu)成的“c”型結(jié)構(gòu)，負(fù)載力全而地由一級傳動構(gòu)件傳向下一級, 每個傳動鏈的構(gòu)件都要固定機(jī)床的全部自由度，都要承受工作負(fù)載的全部力流，包扌舌力和力 矩，這樣，為了滿足機(jī)床的剛度和強(qiáng)度要求，構(gòu)

2、件的質(zhì)量不可避免的增大，不但增加了材料 和能源的消耗，而且制約了進(jìn)給速度和加速度的提高。而并聯(lián)機(jī)床的工作臺是由多個傳動鏈 聯(lián)合控制自由度，一方面通過避免橫向力矩作用，另一方面，將工作負(fù)載均衡的分擔(dān)到了六 個伸縮桿上，極大的減輕的伸縮桿的工作負(fù)載，伸縮桿只需很小的尺寸便可滿足剛度和強(qiáng)度 要求.不但減輕了機(jī)床整體的質(zhì)量，使得大幅度提高機(jī)床的進(jìn)給速度和加速度成為可能，而 且提高了機(jī)床剛度，對提高加工精度起到有利的一面。并聯(lián)機(jī)床特性分析1并聯(lián)機(jī)床優(yōu)點(diǎn)：因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)等原因，與實(shí)現(xiàn)同等功能的傳統(tǒng)機(jī)床相比，并聯(lián)機(jī)床具有如卜優(yōu)點(diǎn)：(1) 剛度重量比大，因采用并聯(lián)閉環(huán)靜定或非靜定桿系結(jié)構(gòu)，且在準(zhǔn)靜態(tài)情況下，由于 伸

3、縮桿與動平臺和靜平臺之間使用萬向聯(lián)軸節(jié)(或球錢)相連，不存在橫向力矩的作用，因 此,傳動構(gòu)件理論上為僅受拉壓載荷的二力桿，故傳動機(jī)構(gòu)的單位重量具有很高的承載能力。(2) 響應(yīng)速度快，運(yùn)動部件慣性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的動態(tài)品質(zhì)，允 許動平臺獲得很高的進(jìn)給速度和加速度，因而特別適用于各種高速數(shù)控作業(yè)。(3) 精度高，并聯(lián)機(jī)床由并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成，各桿的桿長都單獨(dú)對主軸的位置和姿態(tài)起作用, 因而它不存在傳統(tǒng)機(jī)床中串聯(lián)機(jī)構(gòu)的誤差累積問題，從而其加工精度較高。(4) 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，便于可重組和模塊化設(shè)計(jì)，ii可構(gòu)成形式多樣的布局和自由度組合。 在動平臺上安裝刀具可進(jìn)行多坐標(biāo)銃、鉆、磨、拋光，以及

4、異型刀具刃磨等加工。裝備機(jī)械 手腕、高能束源或ccd攝像機(jī)等末端執(zhí)行器，還可以完成精密裝配、特種加工和測量等作 業(yè)。(5) 結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)維修方便，并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動部件少，并且主要由通用元件(滾珠絲杠、 虎克較、球錢、伺服電機(jī)等)組成，這些通用組件可由專門生產(chǎn)廠家生產(chǎn)，因而機(jī)床的庫存 和制造成本低，加之布局敞開性好，因此維修量小且維修方便。(6) 使用壽命長，由于受力結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)動部件磨損小，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) 技術(shù)附加值高，并聯(lián)機(jī)床具有“硬件”簡單，“軟件”復(fù)雜的特點(diǎn)，是一種技術(shù)附加 值很高的機(jī)電一體化產(chǎn)品。正因?yàn)檫@樣的特點(diǎn)，并聯(lián)機(jī)床

5、的坐標(biāo)變換比較方便，沒有實(shí)體坐 標(biāo)系，機(jī)床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換全部靠軟件完成。2并聯(lián)機(jī)床發(fā)展過程中存在的問題：并聯(lián)機(jī)床因?yàn)槠浞N種優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)前世界各國引起了廣泛的重視，但是因?yàn)楫?dāng)前一些技術(shù) 性的問題，使并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展受到了一定的限制。主要表現(xiàn)在以下兒個方面。(1) 振動問題：并聯(lián)機(jī)床隨著其動平臺位姿的不同，其振動頻率相應(yīng)兩數(shù)不同，其振動 頻率相應(yīng)頻帶寬度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)機(jī)床的振動頻帶相應(yīng)寬度，這樣在使用過程中就不可避免的存 在著共振現(xiàn)象。如何在高速切削吋有效的避免共振現(xiàn)象，是并聯(lián)機(jī)床走向?qū)嵱没仨氁鉀Q 的問題之一。另外，在理想條件下，并聯(lián)機(jī)床伸縮桿所受力僅為軸向拉力和壓力，但是，在 實(shí)際情況下，

6、考慮摩擦力、運(yùn)動部件的重暈和慣性力時，伸縮桿在球較處所受力與伸縮桿的 軸線有一定的夾角，這個夾角會隨著動平臺位姿的變化而變化，這也是在高速切削時引起共 振的原因之一。(2) 缺乏高效運(yùn)動學(xué)正解求解方法：并聯(lián)機(jī)構(gòu)逆解簡單，正解復(fù)雜。比如，在stewart 平臺中，當(dāng)六根伸縮桿的t度固定時，可以唯一確定出動平臺的位置，從而確定出刀具的軌 跡，但是，當(dāng)根據(jù)刀具的軌跡確定出動平臺的位姿時，由動平臺的一個位姿求解各伸縮桿的 長度時，可能得出多個解，這樣就給控制系統(tǒng)的運(yùn)算和控制帶來一定的難度。(3) 關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的成果：并聯(lián)機(jī)床由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有易 于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的特點(diǎn)，但是，標(biāo)

7、準(zhǔn)化、系列化工作在國內(nèi)并沒有引起相關(guān)的重視，造成 并聯(lián)機(jī)床的市場化存在著較大的問題。(4) 受熱補(bǔ)償?shù)膯栴}是并聯(lián)機(jī)床制造者而對的主要問題2，也是制約機(jī)床精度的一個 重耍的誤差來源，支鏈上的絲杠和球狡的快速運(yùn)動產(chǎn)生大量的熱，如何克服受熱膨脹帶來的 問題也是設(shè)計(jì)者和制造者比較重視的問題。(5) 控制軟件的易操作性沒有實(shí)現(xiàn)：并聯(lián)機(jī)床的特點(diǎn)是“硬件”簡單，而控制算法比較 復(fù)雜，在控制方式上也與傳統(tǒng)的機(jī)床有著很多的差別。由于傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的操作風(fēng)格已經(jīng)被 廣大相關(guān)工作人員所熟悉和接受，所以并聯(lián)機(jī)床要走向?qū)嵱没?，首先要做的工作就是開發(fā)出 非常友好的操作界面，把復(fù)雜的控制算法隱藏在操作界面背后，并形成常規(guī)的類

8、似常規(guī)機(jī)床 g代碼的數(shù)控編程語言。(6) 國內(nèi)外進(jìn)行的研究都是針對并聯(lián)機(jī)床特定環(huán)節(jié)的仿真與分析，不管是硬件結(jié)構(gòu)，還 是軟件分析，并沒有形成統(tǒng)一的理論和集成化的通用設(shè)計(jì)環(huán)境。并且不能很好的支持設(shè)計(jì)環(huán) 境屮的各個環(huán)節(jié)。并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展趨勢1小型化、簡單化三軸并聯(lián)機(jī)床的技術(shù)和理論問題基本上都己經(jīng)解決。這種相對比較簡單的的并聯(lián)機(jī)床已 經(jīng)成為并聯(lián)機(jī)床發(fā)展最快的一個分支，并率先走向商品化，最先在工業(yè)現(xiàn)場得到最廣泛的應(yīng) 用。2高速高效化由于并聯(lián)機(jī)床的主軸部件一般為電主軸單元，重量輕、體積小，再加上驅(qū)動主軸運(yùn)動的 并聯(lián)進(jìn)給機(jī)構(gòu)所遇有的高速度，將非常有利于使刀具運(yùn)動獲得高速度和高加速度；另一方面, 并聯(lián)機(jī)床加工時

9、，笨重的工件、夾具、工作臺等都固定不動，而僅是主軸(刀具)相對于工 件作高速多自由度運(yùn)動，因此發(fā)揮好這一重要優(yōu)勢將使并聯(lián)機(jī)床比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)床更適合作高 速和超高速加工，從而有力推動新一代并聯(lián)高速和超高速機(jī)床的發(fā)展。3機(jī)床元件標(biāo)準(zhǔn)化并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)簡化的最大的特點(diǎn)是便于模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，許多新型適用于并聯(lián)機(jī)床的標(biāo) 準(zhǔn)的模塊元件的推出，為柔性制造系統(tǒng)的設(shè)備重組提供了良好的基礎(chǔ)。當(dāng)前，由于并聯(lián)機(jī)床 的規(guī)?；a(chǎn)并沒有很好的發(fā)展起來，機(jī)床元件的標(biāo)準(zhǔn)化正處于發(fā)展階段，但必將隨著并聯(lián) 機(jī)床的發(fā)展而發(fā)展起來。4混聯(lián)化并聯(lián)機(jī)床與傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)床各有優(yōu)缺點(diǎn)，將二者結(jié)合起來，克服缺點(diǎn)，發(fā)揮優(yōu)點(diǎn)，這種 新型混聯(lián)機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)己經(jīng)

10、引起許多研究機(jī)構(gòu)的注意，將成為并聯(lián)機(jī)床最有潛力的發(fā)展分支之 一。由可移動桿構(gòu)成了并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，但刀具與主軸箱以及動平臺的連接則采用傳統(tǒng)的串聯(lián) 形式，這樣，取長補(bǔ)短，分別克服了純串聯(lián)機(jī)床和純并聯(lián)機(jī)床的缺點(diǎn)，得到了很好的應(yīng)用。 5群組化并聯(lián)機(jī)床具有柔性化非常好的特點(diǎn)，利用當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，用多臺并聯(lián)機(jī)床組成大型 柔性加工、測量、裝配中心，使多臺并聯(lián)機(jī)床并行工作，或者使并聯(lián)機(jī)床與串聯(lián)機(jī)床并行聯(lián) 合工作，可以發(fā)揮出并聯(lián)機(jī)床最大的柔性化特點(diǎn)。結(jié)語并聯(lián)機(jī)床具有精度高、速度高、剛度高的特點(diǎn)，并且便于重組和模塊化設(shè)計(jì)，有望成為 本世紀(jì)高速輕型數(shù)控加工的主力設(shè)備。目前世界各國對于并聯(lián)機(jī)床的研究基本上都處于研 究、試制和試用的階段。與國外相比，國內(nèi)對于并聯(lián)機(jī)床的研究、