并聯(lián)機(jī)床是空間機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械制造、數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬技術(shù)和CAD/CAM技術(shù)高度結(jié)合的高科技產(chǎn)品。本文介紹了它的特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀，并總結(jié)出了并聯(lián)機(jī)床的八個(gè)研究方向。

并聯(lián)機(jī)床(Parallel Machine Tools)，又稱并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床(Parallel Structured Machine Tools)、虛擬軸機(jī)床(Virtual Axis Machine Tools)，也曾被稱為六條腿機(jī)床、六足蟲(Hexapods)。并聯(lián)機(jī)床是基于空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)Stewart平臺(tái)原理開發(fā)的，是近年才出現(xiàn)的一種新概念機(jī)床，它是并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)與機(jī)床結(jié)合的產(chǎn)物，是空間機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械制造、數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬技術(shù)和CAD/CAM技術(shù)高度結(jié)合的高科技產(chǎn)品。它克服了傳統(tǒng)機(jī)床串聯(lián)機(jī)構(gòu)刀具只能沿固定導(dǎo)軌進(jìn)給、刀具作業(yè)自由度偏低、設(shè)備加工靈活性和機(jī)動(dòng)性不夠等固有缺陷，可實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工、裝配和測(cè)量多種功能，更能滿足復(fù)雜特種零件的加工。自其1994年在美國芝加哥機(jī)床展上首次面世即被譽(yù)為是“21世紀(jì)的機(jī)床”，成為機(jī)床家族中最有生命力的新成員。

1 并聯(lián)機(jī)床的特點(diǎn)

整體而言，傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床，是屬于數(shù)學(xué)簡(jiǎn)單而機(jī)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)床，而相對(duì)的，并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床則機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單而數(shù)學(xué)復(fù)雜，整個(gè)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)牽涉到相當(dāng)龐大的數(shù)學(xué)運(yùn)算，因此虛擬軸并聯(lián)機(jī)床是一種知識(shí)密集型機(jī)構(gòu)。這種新型機(jī)床完全打破了傳統(tǒng)機(jī)床結(jié)構(gòu)的概念，拋棄了固定導(dǎo)軌的刀具導(dǎo)向方式，采用了多桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，大大提高了機(jī)床的剛度，使加工精度和加工質(zhì)量都有較大的改進(jìn)。另外，由于其進(jìn)給速度的提高，從而使高速、超高速加工更容易實(shí)現(xiàn)。由于這種機(jī)床具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度以及重量輕、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域都得到了成功的應(yīng)用，因此受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。由并聯(lián)、串聯(lián)同時(shí)組成的混聯(lián)式數(shù)控機(jī)床，不但具有并聯(lián)機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)，而且在使用上更具實(shí)用價(jià)值。


隨著高速切削的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)串聯(lián)式機(jī)構(gòu)構(gòu)造平臺(tái)的結(jié)構(gòu)剛性與移動(dòng)臺(tái)高速化逐漸成為技術(shù)發(fā)展的瓶頸，而并聯(lián)式平臺(tái)便成為最佳的候選對(duì)象，而相對(duì)于串聯(lián)式機(jī)床來說，并聯(lián)式工作平臺(tái)具有如下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：

(1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低

機(jī)床機(jī)械零部件數(shù)目較串聯(lián)構(gòu)造平臺(tái)大幅減少，主要由滾珠絲杠、虎克鉸、球鉸、伺服電機(jī)等通用組件組成，這些通用組件可由專門廠家生產(chǎn)，因而本機(jī)床的制造和庫存成本比相同功能的傳統(tǒng)機(jī)床低得多，容易組裝和搬運(yùn)。

(2) 結(jié)構(gòu)剛度高

由于采用了封閉性的結(jié)構(gòu)(closed-loop structure)使其具有高剛性和高速化的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)負(fù)荷流線短，而負(fù)荷分解的拉、壓力由六只連桿同時(shí)承受，以材料力學(xué)的觀點(diǎn)來說，在外力一定時(shí)，懸臂量的應(yīng)力與變形都最大，兩端插入(build-in)次之，再來是兩端簡(jiǎn)支撐(simply-supported)，其次是受壓的二力結(jié)構(gòu)，應(yīng)力與變形都最小的是受張力的二力結(jié)構(gòu)，故其擁有高剛性。其剛度重量比高于傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床。

(3) 加工速度高，慣性低

如果結(jié)構(gòu)所承受的力會(huì)改變方向，(介于張力與壓力之間)，兩力構(gòu)件將會(huì)是最節(jié)省材料的結(jié)構(gòu)，而它的移動(dòng)件重量減至最低且同時(shí)由六個(gè)致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，因此機(jī)器很容易高速化，且擁有低慣性。

(4) 加工精度高

由于其為多軸并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成，六個(gè)可伸縮桿桿長(zhǎng)都單獨(dú)對(duì)刀具的位置和姿態(tài)起作用，因而不存在傳統(tǒng)機(jī)床(即串聯(lián)機(jī)床)的幾何誤差累積和放大的現(xiàn)象，甚至還有平均化效果(averaging effect)；其擁有熱對(duì)稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此熱變形較��；故它具有高精度的優(yōu)點(diǎn)。

(5) 多功能靈活性強(qiáng)


由于該機(jī)床機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單控制方便，較容易根據(jù)加工對(duì)象而將其設(shè)計(jì)成專用機(jī)床，同時(shí)也可以將之開發(fā)成通用機(jī)床，用以實(shí)現(xiàn)銑削、鏜削、磨削等加工，還可以配備必要的測(cè)量工具把它組成測(cè)量機(jī)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的多功能。這將會(huì)帶來很大的應(yīng)用和市場(chǎng)前景，在國防和民用方面都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

(6) 使用壽命長(zhǎng)

由于受力結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)動(dòng)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) Stewart平臺(tái)適合于模塊化生產(chǎn)

對(duì)于不同的機(jī)器加工范圍，只需改變連桿長(zhǎng)度和接點(diǎn)位置，維護(hù)也容易，無須進(jìn)行機(jī)件的再制和調(diào)整，只需將新的機(jī)構(gòu)參數(shù)輸入。

(8) 變換座標(biāo)系方便

由于沒有實(shí)體座標(biāo)系，機(jī)床座標(biāo)系與工件座標(biāo)系的轉(zhuǎn)換全部靠軟件完成，非常方便。

Stewart平臺(tái)應(yīng)用于機(jī)床與機(jī)器人時(shí)，可以降低靜態(tài)誤差(因?yàn)楦邉傂?，以及動(dòng)態(tài)誤差(因?yàn)榈蛻T量)。而Stewart平臺(tái)的劣勢(shì)在于其工作空間較小，且其在工作空間上有著奇異點(diǎn)的限制，而串聯(lián)工作平臺(tái)，控制器遇到奇異點(diǎn)時(shí)，將會(huì)計(jì)算出驅(qū)動(dòng)裝置無法達(dá)成的驅(qū)動(dòng)命令而造成控制誤差，但Stewart平臺(tái)在奇異位置會(huì)失去支撐部分方向的力或力矩的能力，無法完成固定負(fù)載對(duì)象。