混联式数控机床的发展

发布时间：2008-03-26 关键字： 发展机床运动机构要求精度串联研究空间关节

摘要：混联式数控机床是一种很有发展前景的数控机床型式。文章分析了混联式数控机床的研发现状和发展趋势，同时论述了对于混联式数控机床除了要进行运动学、动力学等理论及方法研究之外，还应该在方案创新设计技术、关节技术、主电动机及电主轴、高精度检测元件等方面作深入的研究与开发。

1 前言

并联机构和串联机构相比，具有承载能力大(比刚度高)、响应速度快及运动精度高等优点。因此受到学术界和产业界的关注，对它的理论研究和应用开发研究非常重视。简单的并联机构很早就已经有了应用，例如桁架构件中的平面二杆或三杆并联机构。作为机械装备产品，并联机构首先在机器人上进行了应用。

对机床而言，比刚度、响应速度、运动精度正是其所追求的重要技术指标，而且由于机床是工作母机，一般来讲，其刚度、运动精度的要求要比机器人的要求高得多。因此并联机构的优点对机床工业具有很大的吸引力，一时间并联机床(又称虚拟轴机床)的研究与开发成为一个热门课题。人们对并联机床寄予很大期望，预言并联机床将成为21世纪的数控机床。

虽然并联机构具有上述诱人的优点，但它又同时有运动范围(工作空间)小的缺点，特别是回程运动范围有限。从机械装备产品的大类来讲，机床和机器人同属具有坐标运动(不同的是机床多为直角坐标系型式，机器人多为关节坐标系型式)的机械，可以说是同族。因此并联机床又可称为切削加工机器人。但是机床又不同于一般的机器人(如搬运机器人、喷漆机器人、焊接机器人等)，不仅精度、刚度要求非常高，而且工作空间(直线运动空间和回转工作空间)及干涉约束的要求也高。例如，通过刀具与工件间的相对运动对工件进行切削加工时，为了避免刀具与工件的干涉(特别是复杂的内表面及空间孔系加工)，对机床运动的约束条件要求较高，对复杂空间曲面的加工或空间孔系加工，要求回转运动范围大。如五面体加工要求工作台回转运动达到360°立卧两用机床要求主轴头摆动90°；某些空间曲面或孔系加工要求主轴或工件摆动达到180°等。各轴全部并联的全并联机床工作空间有限，因此，工作空间数控轴数比(或工作空间价格比)技术指标低。我们认为从工作空间数控轴数比，功能价格比，性能价格比等综合效果来看，全并联机床并不一定最好，而并联、串联同时采用的混联式数控机床更具实用价值。下面根据我们的研究、开发经历，谈一些对混联式数控机床发展的看法。

图1

图2

图3

2 研究开发现状

1994年美国推出第一台并联机床之后不久，人们已开始研究混联式机床。国外开始研究混联式机床并不是为了扩大工作空间，而是从获得实用的机床精度的角度考虑的。这是由于机床的精度、刚度要求远比一般机器人高，例如：运动精度要求为几个µm，刚度要求几十个N/µm以上。虽然并联机构理论上的精度、刚度很高，但实际尚达不到那么高。例如当时美国和日本所开发的六轴并联机床的运动精度都是几十个µm，还达不到传统机床的精度水平。虽然人们已经发现关节结构是制约精度的薄弱环节，但要解决它难度很大。因此人们开始考虑将并联和串联一起使用，1997年相继推出了一些混联式机床。例如，德国阿亨工业大学开发的三轴加工中心(二轴并联，一轴串联)如图1所示。日本丰田工机也开发出了相似的专用加工中心(二轴并联，一轴串联)。

从扩大工作空间的角度进行混联式的研究开发也在同时展开。例如，我们于1997年研制成功了一台六轴混联式数控机床，采用了三轴并联和三轴串联的六轴混联立卧式数控机床。Z轴进给和两个回转运动由三轴并联机构实现，X轴和Y轴进给及另一个回转运动(立式工作时为C轴，卧式工作时为B轴)由串联驱动实现。由于并联机构的回转运动可以达到90°，故Z轴可以为立式，也可以为卧式。而X、Y及B轴(或C轴)是串联驱动，运动范围可以扩大，其中B轴(或C轴)可实现360°连续回转运动。沈阳自动化研究所1999年研制的五轴并联机床(实际也是混联式机床，四轴并联，一轴串联)，扩大了纵向行程范围。我们正在研制的三轴并联，三轴串联的六轴混联式机床(如图2所示)，不仅扩大了三个直线运动范围，而且使三个回转运动分别达到了90°、90°和360°。在美国IMTS2000国际机床展览会上，美国辛辛那提和德国DST公司开发的Hyper Mach卧式加工中心所采用的Z3数控主轴头也是混联式，它可以实现三轴并联、二轴串联运动，主轴头由三轴并联机构和主轴部件组成，除了实现主运动外，主轴头自身由并联机构驱动实现Z轴进给和两个回转进给运动。如图3所示。

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