典型的并联运动机床

作者：同济大学现代制造技术研究所 张曙

欢迎访问e展厅 展厅 1 加工中心/FMS展厅 车铣加工中心, 铣削加工中心, 钻铣加工中心, 镗铣加工中心, 五轴加工中心, ... 本文简单概述了早期并联运动机床与传统机床的优点，详细介绍了几种典型的并联运动机床特点。 早期的并联运动机床 1994年，在美国芝加哥国际机床展览会上，美国Giddings & Lewis公司首次展出了Variax型并联运动机床，引起轰动。它是一台以Stewart平台为基础的5坐标立式加工中心，标志着机床设计开始采用并联机构，是机床结构重大改革的里程碑，其内部结构如图1所示。 从图中可见，6根由伺服电动机驱动的伸缩杆，借助万向铰固定在下平台上，这种结构也被称为“6条腿 (Hexapod)”，丝杆的螺母通过万向铰支承着上平台。杆件长度的伸缩使带有主轴部件的上平台完成加工零件所需的运动。 Variax型加工中心是一种“内铣型”结构，机床占地面积为7800mm′8180mm，而工作空间仅有700mm′700mm′750mm，安装工件也不太方便，因此没有在生产中获得应用。后来该机床提供给英国诺廷汉大学工学院作为进行“航空工业敏捷制造”项目研究的设备。 嗣后，美国Ingersoll公司推出采用并联机构的VOH 1000型立式加工中心和HOH 600型卧式加工中心，在结构上作了最大改进，从“内铣型”改为“外铣型”，明显缩小动平台的体积，减轻了运动部件的重量，安装工件也较为方便，对并联运动机床的发展曾经产生很大的影响。 但是由于种种原因，Ingersoll机床也没有投入生产实际应用。两台VOH 1000型立式加工中心分别交付给美国国家标准和技术研究所和美国国家宇航局进行研究。HOH 600型加工中心提供给德国阿亨工业大学的机床实验室进行研究。它们的研究结果对并联运动机床的发展起到很大的促进作用。 Ingersoll公司HOH 600型的外观如2所示。 通过早期并联运动机床的试验研究表明，并联运动机床与传统机床比较，具有一下优点： 1) 运动部件质量小，运动惯性小； 2) 高运动速度和高加速度，适合高速加工； 3) 主要部件具有重复性，通用程度高； 4) 容易通过预加载荷，提高机床部件的刚度； 5) 通过控制系统可以实现运动精度的补偿。 但是，早期并联运动机床由于种种原因，没有在生产中获得应用。近年来，在运动学原理、机床设计方法、制造工艺、控制技术、动态性能研究和工业应用方面都先后取得重大的突破。世界著名的机床公司都相继推出新产品，发展了许多经过改进的变型结构，使并联运动机床开始进入了实用阶段。 6X Hexa 立式加工中心 德国Mikromat公司（www.mikromat.net）的6X Hexa立式加工中心的研制由欧共体Esprit高科技研究计划资助，有4个单位参加： 1) Mikromat机床公司，负责机床的设计和制造，同时也作为机床的最终用户。 2) 富兰霍夫机床及锻压技术研究所，作为企业的技术顾问，提出机床总体设计方案。 3) Andron公司，提供Andronic 400数控系统的软、硬件，以及数控系统的优化。 4) GMD-First公司，高性能计算机和网络专家，负责并联运动控制策略和高速数据传送。 该机床的外观如图3所示。 从图中可见，工作台在机床的底座上可前后移动，以便于装卸工件。底座上有3根按照120°分布的立柱，用于支承并联机构。 该并联机构的特点是采用变型Stewart平台，分别将上下平台都分为两层，两层上平台固定在3根立柱的侧面，两层下平台共同支持主轴部件。采用伺服电动机驱动滚珠丝杆实现6根杆的同时或单独伸缩，以控制主轴部件完成6个自由度的空间运动。这种变型结构改善了工作空间与机床所占体积之比，使主轴姿态变化时受力更加均匀。 该机床主要用于模具加工，可以实现5坐标高速铣削，加工精度可达0.01～0.02mm，明显提高加工效率、改善表面质量，延长刀具寿命。 КИМ-750型测量机 俄罗斯Lapic公司将Stewart平台并联机构用于TM-1000型精密加工中心和КИМ-750型3坐标测量机，КИМ-750型测量机的外观如图4所示。 从图中可见，上平台就是测量机的框架，6根伸缩杆是由伺服电动机驱动的滚珠丝杆，它们共同与装有测量头的下平台连接。在固定的上平台和运动的下平台之间安装有6根激光干涉测量尺，对伸缩杆的位移进行测量，并实时反馈，工作精度可达±0.001~0.002mm。工作空间为750mm×550mm×450mm。采用并联机构的测量机的特点是可以很方便地将测量头偏转一个角度，测量斜孔的直径。 P2000 型 5坐标铣床 美国Hexel公司（www.hexal.com或www.prsco.com）致力于并联运动机床和并联机构应用的普及化，推出低价位的Tornado型5坐标加工中心和P 2000铣床工作台，以及6自由度的定位平台和微型机器人等一系列产品。 P2000 铣床工作台是一个采用并联机构的6自由度动平台，它可以作为单独部件提供给用户，也可以配置成为完整的5坐标立式铣床。 将P2000铣床工作台与旧的普通立式铣床相配合，将主轴部件转180°，就能够很快构成一台全新的5坐标数控立式铣床，适用于加工小型模具或样件制造。数控系统软件由该公司自行开发，硬件采用Window操作系统的微机和Delta-Tau公司的控制卡。机床外观如图5所示。 V100立式车削中心 德国Index机床公司（index-werke.de）2000年率先推出采用并联机构的车削中心，2002年又将其联成加工回转体零件的流水线，在生产中应用效果良好。机床的外观如图6所示。 该机床的结构特点是3根立柱固定在机床底座上，顶端由多边形框架连接。每根立柱上有导轨，滑板在滚珠丝杆驱动下沿导轨移动，通过6根固定杆长的杆件将主轴部件吊住，使主轴实现3个直角坐标的移动。从并联机构分析的角度看，这种配置属于3杆并联机构（Tripod）。 在机床前方的垂直台面上，可以安装8~12把固定刀具或旋转刀具，除完成车削加工外，还可以进行铣削、激光硬化、激光焊接、磨削等工序。机床设计的巧妙之处还在于：主轴除完成加工任务外，还同时承担工件的装卸，如图7所示。 从图6和图7中可见，机床的周围有一个环形的输送带，它将待加工工件依次输送到机床后方的管道中。当工件加工完毕时，处于工作空间的管道防护罩打开，主轴将加工好的工件放到输送带的夹具上，并将下一个待加工的工件自动装卡在主轴卡盘上，主轴起到装卸机械手的作用。当主轴移至加工工位时，防护罩自动关闭，主轴转动，开始进行下一个工件的加工。 机床的数控系统采用西门子公司的Simumerik 840D。 Urane SX型卧式加工中心 法国Renault Automation 公司（www.renualt-automation.com）推出Urane SX卧式加工中心，其外观如图8所示。该机床采用一系列新技术，如直线电动机、电主轴、高速镗铣削和油雾干切削等。该机床用于加工Ranault汽车齿轮变速箱体的平面和孔，采用高速切削，效率很高。 机床的并联机构特点是采用3杆并联机构，具有很高的动态特性，快速移动可达100m/min，最大加速度甚至可以达到5g。 在机床的床身上分布有3根水平导轨，直线电动机的滑板沿导轨移动。3块滑板通过3组平行杆机构以及万向铰和球铰支承动平台和主轴部件，使主轴实现3个坐标方向的移动。 SKM 400型卧式加工中心 德国Herkert机床公司（www.heckert-maschinen.com）推出结构独特的SKM 400型卧式加工中心，它是一台三杆并联运动机床，其外观如图9所示。 从图中可见，机床的左前方配置有数控系统和容量为16把刀具的盘状刀库，3根伸缩杆分布在机床的顶部横樑和左右两侧倾斜立柱上，由中空转子伺服电动机的滚珠丝杆驱动。3根伸缩杆的末端共同支承主轴部件，实现Ｘ、Ｙ、Ｚ坐标运动。其特点是在主轴部件的下方，配置有曲柄机构。这是一个被动机构，它有2个自由度，使主轴部件绕固定在机床底座上轴线偏转和前后倾斜，从而扩大了工作空间，如图10所示。该机床还配有数控回转工作台，主要用于加工箱体类零件，机床的运动控制采用Siemens 840D型数控系统。 Ecospeed型卧式加工中心 德国DS Technologie机床公司（www.ds-technologie.de）推出Ecospeed型大型5坐标卧式加工中心，用于加工飞机机身的结构件，其外观如图11所示。 该机床的主要特点在于Z3型主轴部件部件的设计，它采用3杆并联机构，其工作原理如图12所示。 从图中可见，在主轴部件套筒的内壁上有按照120°分布的轴向导轨，伺服电动机驱动导轨上的滑板前后移动。滑板通过板状连杆和万向铰链与主轴部件的壳体相连。如果3块滑板同步运动，则主轴部件作Z方向的前后移动。如果某一个伺服电动机单独驱动滚珠丝杆，可以通过万向铰链使主轴部件沿A或B坐标在±40°范围内摆动。由于飞机机身结构件多是厚度不大（不超过300mm）的薄壁零件，机床主轴Z坐标的移动量控制在670mm以内，以提高主轴部件的动、静态刚度。此外，客户可以根据需要选用低速高转矩或高速低转矩的主轴部件。 Pegasus型木材加工中心 德国Reichenbacher公司（www.reicherbacher. de）是一家生产木材加工数控铣床为主的小公司。最近推出采用并联机构的Pegasus型木材加工中心，其外观如图13所示。 该机床的结构特点是，采用3组固定杆长的、两端有万向铰链的杆系，借助铰链将杆系分别与3块移动滑板和动平台连接。3块滑板皆有各自的直线电动机初级绕组，但它们共用一个固定在机床横梁上的次级。改变3个移动滑板相对主轴刀头点垂直截面（ZY坐标平面）的距离，就可以实现刀头点在X、Y、Z坐标方向的运动。 主轴部件固定在动平台上，它由电主轴和附加回转机构组成，以现实4～5坐标加工。机床结构配置简洁，工作区域开阔，工件装卸方便。它的主要支承零部件都由钢板焊接而成，可以根据需要配置成为双面工作台的加工中心或流水生产线。Pegasus木材加工中心采用西门子840D数控系统。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/25/2005)