并联机床是基于并联机构的新型机床。并联机构是由多个相同类型的运动链在运动平台和固定平台之间并联而成的<1> 。相对于串联机构 ,并联机构的运动平台由多个驱动杆支承 ,结构刚度大 ,结构更加稳定 ;在相同自重与体积下承载能力更高 ;对末端执行器没有误差积累和放大作用 ,误差小 ,精度高 ;可以将电机安装在固定机座上 ,运动负荷比较小 ,降低了系统的惯性 ,提高了系统的动力性能 ;在运动学求解上 ,运动学逆解求解容易 ,便于实现实时控制<2 > 。因而 ,最近十几年来 ,并联机构引起了许多机构学学者、机器人学学者、机床制造商的注意 ,成为新的研究热点。基于并联机构的并联机床通过改变驱动杆的长度或位置来改变安装有执行器的活动平台的位姿 ,在活动平台上安装不同执行器就可进行多坐标铣、钻、磨、抛光以及异型刀具刃磨等多种加工任务 ,装备机械手腕、高能光源或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<3> 。文章介绍了国内外在并联机构及并联机床方面的研究及应用成果 ,并介绍了笔者所在课题组基于并联机构研制的多种并联机床。1 并联机构及并联机床研究最早应用并联机构的机械是Ｖ .Ｅ .Ｇｏｕｇｈ于194 9年设计的轮胎压力试验机。 196 5年 ,Ｄ .Ｓｔｅｗ ａｒｔ提出了一种三杆六自由度并联机构 ,对其运动学、
工作空间、控制等问题进行了研究 ,并用于解决飞行员飞行训练模拟<4 > 。Ｊ .Ｔｉｎｄａｌｅ于 196 5年最早提出开发此种机床的设想。 1976年 ,俄罗斯Ｌａｐｉｋ公司率先进行此种机床的研制。美国Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ公司于 1987年、美国Ｇｉｄｄｉｎｇｓ＆Ｌｅｗｉｓ公司以及英国Ｇｅｏｄｅｔｉｃ公司于 1988年开始进行并联机床的研制 ,并在芝加哥ＩＭＴＳ’94国际展览会上展出了此种机床 ,被誉为“本世纪机床机构的最大变革与创新”、“2 1世纪的机床”。之后俄罗斯Ｌａｐｉｋ公司、日本丰田工机公司、日立精机、美国Ｉｎｇｅｒｓｏ ｌｌ公司、Ｈｅｘｅｌ公司、挪威Ｍｕｌｔｉｃｒａｆｔ公司、瑞士ＥＴＨＺ研究所、瑞典Ｎｅｏ ｓＲｏｂｏｔｉｃｓ公司、丹麦Ｂｒａｕｎｓｃｈｗｅｉｇ公司等也相继开发出各种形式的并联机床。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。国家自然科学基金和国家攀登计划也在资助相关基础理论研究。在国家自然科学基金委员会支持下 ,我国从事并联机构 /并联机床研究的骨干力量于 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探讨。燕山大学于 1990年研制出我国第一台并联操作机样机。清华大学和天津大学于 1997年底合作研制出我国第一台并联机床ＶＡＭＴＩＹ<5> 。哈尔滨工业大学、天津大学在ＣＩＭＴ’99北京国际机床展览会上展出了自己研制的并联机床。 中科院沈阳自动化所正在研制一种新型五自由度并联机床、北京航空航天大学正在开发并联刀具刃 磨机床。还有一些高校如浙江大学、西安交通大学、华中理工大学等也在进行并联机床的研究。并联机床具有精度高、刚度高、速度高的特点,另外 ,并联机床容易实现“六轴联动” ,而多数传统机床只是 4轴联动 ,极少 5轴 ;机床便于重组和模块化设计、制造、安装 ,其制造成本为五轴加工中心的三分之一 ;可重组性强 ,可构成形式多样的布局和自由度组合。并联机床有望成为 2 1世纪高速轻型数控加工的主力设备。2 课题组的并联机床研究以Ｓｔｅｗａｒｔ平台为基础的并联机床改变了传统机床的机构 ,是制造业具有革命性的创新成果。以Ｓｔｅｗａｒｔ平台为代表的六杆并联机构 ,虽然其有着得天独厚的特点和优势 ,但距离实际应用还有许多问题需要进一步加以研究和解决 ,主要问题是 :①有效工作区域的描述复杂和受约束问题的解决困难 ;②运动学的正解求解非常困难 ,没有解析解、存在运动耦合和多解性 ;③动力学计算困难 ,影响因素非常复杂 ;④球铰的制造精度、运动和造价等问题影响其应用 ,运动耦合的存在导致对元件和控制精度要求高 ;⑤由于其工作空间存在奇异点 ,而且要考虑避免驱动杆间的几何干涉 ,机床的实际工作空间狭小。所述局限性影响其应用和推广。近年来 ,少于三杆的并联机构引起了广泛兴趣。东北大学先进制造与自动化技术研究所在蔡光起的领导下对三杆并联机构进行了长期深入研究 ,取得了一系列成果。2 1 3-ＴＰＴ三杆三自由度并联机床在“86 3”高技术研究发展计划支持下 ,1997年研制出新型 3-ＴＰＴ三杆三自由度并联机床<6 ,7> (图1) ,该三杆三自由度并联机床用于钢坯修磨 ,是一种可承受大负载的加工机械。在加工运动中既要承受磨头的重量 ,又要克服较大的切向力和法向力 ,同时还要实现较精确的运动轨迹。这是串联机构机器人难以实现的。这种 3-ＴＰＴ三杆三自由度并联机床 ,具有结构简单、没有运动耦合、工作空间大、占用生产空间小、有显式的运动学正逆解等优点。机床本体设计已获国家专利 (专利号 :972 2 9311 6 ) ,这为具有完全自主产权的并联机床国产化创造了条件。2 2 ＤＳＸ5 - 70型三杆五自由度并联机床在 3-ＴＰＴ三杆三自由度并联机床基础上 ,增加了两个转动自由度 ,1999年研制出ＤＳＸ5 - 70型三杆五自由度并联机床<8> (图 2 ) ,进一步扩展了机床加工能力。在相同的工作空间下 ,较采用串联机构的传统五自由度加工机床 ,它的机体最小 ,而且成本更低 ,它更适合于复杂曲面的加工。该成果通过省级技术鉴定 ,其水平国际先进、国内领先。基于该并联机床 ,目前正进行相关研究 ,以构造一个基于并联机床的逆向工程系统 ,将该机床变为可以实现测量造型加工一体化的数控机床。图 13-ＴＰＴ并联机床试验样机 图 2ＤＳＸ5 - 70并联机床样机2 3 3-ＰＴＴ水平滑块式三杆并联机床2 0 0 0年 ,在蔡光起教授的带领下又自行设计开发了 3-ＰＴＴ水平滑块式三杆并联机床 (图 3)用于钢坯修磨。针对钢坯表面局部修磨基本属于平面作业 ,要求钢坯修磨机床能承受较大负载 ,机床运动中既要承受磨头的重量 ,又要承受较大的切向磨削力和法向磨削力的特点 ,设计了 3-ＰＴＴ水平滑块式并联机构 ,既有较大的作业面积 ,又要有较高的刚性 ,图 3 3-ＰＴＴ水平滑块式并联机床且有良好的柔性自动化。采用该机构的并联机床更加集合了上述两种并联机床的优点 ,不但适合大的工作空间 ,而且可实现复杂曲面的磨削加工 ,有效解决了冶金工业轧钢生产中钢坯修磨作业环境恶劣、劳动强度大、修磨质量和生产效率低的问题 ,实现了钢坯修磨的自动化。3 结束语以Ｓｔｅｗａｒｔ平台为基础的并联机床的出现是制造业具有历史性的革命和创新。并联机床具有精度高、刚度高、速度高的特点 ,容易实现“六轴联动” ,并联机床便于重组和模块化设计 ,并联机床有望成为2 1世纪高速轻型数控加工的主力设备。课题组所研制的三杆并联机床具有结构简单、没有运动耦合、工作空间大、占用生产空间小、有显式的运动学正逆解等优点 ,容易实现实时控制 ,具有很好的市场潜力。并联机床研究@盛忠起$东北大学机械工程与自动化学院!辽宁沈阳110004
@姚群$东北大学机械工程与自动化学院!辽宁沈阳110004
@蔡光起$东北大学机械工程与自动化学院!辽宁沈阳110004
并联机构;;
并联机床;;串联 机构;;虚轴机床并联机床是基于并联机构的新型机床。介绍了并联机构和并联机床的特点和国内外取得的一些研究成果,最后介绍了课题组在三杆并联机构方面的研究成果。<1>黄真.空间机构学
.北京:机械工业出版社,1991.
<2>胡明.三杆并联平动机器人运动学、力学及误差的若干研究.沈阳:东北大学,1999.
<3>汪劲松,黄田.并联机床———机床行业面临的机遇与挑战.中国机械工程,1999,10(10):1103-1107.
<4>D .Stewart.A platformwith6degreesoffreedom.Proc.Inst.Mech.Eng.,1965,180:371-386.
<5>汪劲松,段广洪,杨向东,等.VAMTIY虚拟轴机床.制造技术与机床,1998,(2):42-43.
<6>胡明,郭成,蔡光起,等.一种三自由度并联机器人机构运动学计算.东北大学学报,1998,19(4):411-414.
<7>CaiGQ ,HuM ,GuoC ,etal.Developmentandstudyofanewkindoftripod.AnnalsofCIRP ,1999(1):333-336.
<8>李波,蔡光起.五自由度并串联机器人的研究.机械,1999,26(增刊):13-14.机床国产化创造了条件。2 2 ＤＳＸ5 - 70型三杆五自由度并联机床在 3-ＴＰＴ三杆三自由度并联机床基础上 ,增加了两个转动自由度 ,1999年研制出ＤＳＸ5 - 70型三杆五自由度并联机床<8> (图 2 ) ,进一步扩展了机床加工能力。在相同的工作空间下 ,较采用串联机构的传统五自由度加工机床 ,它的机体最小 ,而且成本更低 ,它更适合于复杂曲面的加工。该成果通过省级技术鉴定 ,其水平国际先进、国内领先。基于该并联机床 ,目前正进行相关研究 ,以构造一个基于并联机床的逆向工程系统 ,将该机床变为可以实现测量造型加工一体化的数控机床。图 13-ＴＰＴ并联机床试验样机 图 2ＤＳＸ5