摘要:并联机床是一种完全不同于传统机床的新一代机床,目前国内外对并联机床的研究趋势主要集中在并联机床机构学理论及相关理论研究、并联机床精度和可靠性研究、并联运动机床开放式数控系统的研究、并联机床组成标准模块和关键基础件的研制等。我国较早地对并联机床进行了研究并取得了较为显著的成果。

关键词:机床;并联机床;机械装备

并联机床是一种新一代的机床,是一种知识密集型设备,是现代机器人技术和现代数控机床技术结合的产物。这种新型机床完全打破了传统机床结构的概念,抛弃了固定导轨的刀具导向方式,克服了传统机床刀具作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷,采用了多杆并联机构驱动,大大提高了机床的刚度,可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能,使加工精度和加工质量都有较大的改进。并联机床的出现和发展扩大了机床的应用范围,并联机床是一个国家技术力量和装备水平的一个重要标志。

1 并联运动机床研究的趋势

未来并联机床的研究将向着以下几个方向发展,并可能取得突破。

1.1 并联机床机构学理论及相关理论研究

并联机床机构学及相关理论的研究开始较早,目前比较成熟,但是随着对机床的精度、工作空间、可靠性等要求的提高,这些问题必须从机床的机构设计考虑才能获得满意的解决方案。因此对于并联机床的研究归根结底是对于并联机构本身的研究,随着对于并联机构研究的深入,一定可以得到比现存机构更优良的机构,促使并联机床的发展,这方面还有待进一步的突破。

1.2 并联机床精度和可靠性研究

对于并联机床的精度已不再停留在静态的集合精度,运动精度、热变形和振动的监测及补偿越来越获得重视,以适应高性能加工和高可靠性的需要。

机床的可靠性是指机床加工精度的可重复性和可信赖度必须很高,性能能够长期保持稳定,机床具有自优化、自监控、自诊断和预维护功能。

1.3 并联运动机床开放式数控系统的研究

由于并联机床具有多样化的结构和配置形式,很难有一套控制系统能够适合所有并联机床的要求,只可能存在一种控制平台,由机床开发者自行配制硬件和软件。因此,并联机床的控制系统必须是开放式结构,兼具传统数控机床与并联机器人的特点。目前并联机床的研究主要着眼于开放式数控系统以及数控系统模块化结构的研究。

1.4 并联机床组成标准模块和关键基础件的研制

并联机床组成模块主要包括主轴系统、杆件和铰链、线性直接驱动设备、特种直接驱动设备。这些设备的性能直接决定机床的综合性能,加快这些设备和技术的研制对于加快推进并联机床的发展意义巨大。特别是新出现的直接驱动设备,将电动机与机械部分集合成为一体,成为机电一体化的功能部件,如直线电动机、电主轴、电滚珠丝杠和力矩电动机等。

2 我国在并联机床领域的发展现状

我国在并联机床领域的研究起步较早,清华大学、东北大学、燕山大学、天津大学和哈尔滨工业大学等都较早地开展了理论研究,并开发研制并联机床的原型机,取得了较为显著的成果。

清华大学是国内最早开始进行并联机床研究的单位之一,对并联机床以及多个相关领域进行了深入研究,并于1997年与天津大学合作,共同开发出我国第一台大型镗铣类并联机床原型样机VAMT1Y。在并联机床设计理论与样机建造等关键技术方面达到了国际先进水平,其中部分理论成果属国际首创。目前正在进行并联机床系列化、实用化的研究,与多家机床骨干厂家进行了新型并联机床商品化样机的研制工作,以期实现并联机床的产业化。

东北大学研制的DSX5-70型三杆并联机床是由三自由度的并联机构和两自由度的串联机构混联组成的五自由度并联机床。

由国防科技大学和香港科技大学联合研制的银河-2000并联机床是一种并联式六自由度机床,是由传统并联机床发展而来的,在保持原并联机构的诸多优点,如高刚度,高精度和高的运动速度外,用变异机构扩大了机床的运动范围。

在2007年4月举办的CIMT展会上,哈尔滨量具刃具集团数控设备公司展出的LINKS-EXE700是采用了瑞典爱克斯康(Exechon)公司的最新并联技术开发的一种具有新的突破意义的并联结构机床。该款机床无论是在刚性、高速性能,还是在精度等方面较之前的并联机床都有大幅度的提高。主要有以下特点:

⑴刚性和精度提高。该机床在各致动器与下平台之间的铰链仅有一个摆动的自由度,其中两个致动器与上平台之间的连接采用2个自由度的虎克铰结构,中间一个致动器与上平台连接为一个3个自由度的虎克铰,这种设计使得并联机构仅有6个活动关节、10个自由度,是目前世界上现存的并联机构中活动关节和自由度最少的。以前的并联机构致动器普遍采用套装的伸缩杆结构,刚性差,而该机床采用的是整体结构,刚性幅度提高。

⑵加工范围大。X轴2000mm、Y轴1500mm、Z轴500mm、A轴270°、B轴360°。可以加工五面体,在工件特别装夹的情况下,还可作六面加工。

⑶动作快速。X、Y轴的快速进给分别达到125米m/min、加速度2g;Z轴方向45m/min、加速度1g。

⑷)静态刚性好。该机床的设计静态刚性为15N/μm,且在机床加工空间任何位置均保持一致。

⑸在线生产验证ILP。该机床应用了一种最新的实时仿真软件ILP,可以执行数控系统的操作指令(G代码和M代码),可以在屏幕上显示刀具、加工状况、工装位置及加工过程是否干涉,如果干涉,在干涉区域将显示不同颜色,并可以自动记录下出现干涉时的程序段,以便于修改程序。

⑹强大的后置处理系统。该机床采用了加拿大ICAM公司为其定制的功能强大的后置处理软件,该软件可兼容目前世界上流行的CAD/CAM软件,方便用户使用。

⑺应用广泛。该机床进行不同功能配置后,可广泛应用于航天、航空、汽车、模具工业作切削、磨削、焊接、铆接、打毛刺和装配之用。既可以单机使用,也可以配置成生产线。

3 结束语

现代制造业的发展对机床提出了更高的要求,这种要求使传统机床面临不可回避的巨大挑战,而并联机床是一种有效的解决方案。虽然并联机床在实际应用中还存在许多有待解决的问题,相对于传统机床来说,并联机床的研究还不够深入和成熟,这是制约并联机床走向实用化的关键问题之一,同时也是一项极富挑战性的工作。相信随着并联机床研究的深入,其相关问题一定会得到充分的解决。而且随着计算机技术和控制技术的发展,并联机床能实现有效的且低成本的控制系统,必将在模具加工和复杂空间曲线的加工领域得到广泛的应用。

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作者简介:汪哲能(1971-),男,湖南衡阳人,衡阳财经工业职业技术学院教师,硕士研究生,主要研究方向:机械制造、职业教育。