并聯(lián)機(jī)床研究趨勢(shì)及我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀分析

摘要:并聯(lián)機(jī)床是一種完全不同于傳統(tǒng)機(jī)床的新一代機(jī)床,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)并聯(lián)機(jī)床的研究趨勢(shì)主要集中在并聯(lián)機(jī)床機(jī)構(gòu)學(xué)理論及相關(guān)理論研究、并聯(lián)機(jī)床精度和可靠性研究、并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究、并聯(lián)機(jī)床組成標(biāo)準(zhǔn)模塊和關(guān)鍵基礎(chǔ)件的研制等。我國(guó)較早地對(duì)并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行了研究并取得了較為顯著的成果。

關(guān)鍵詞:機(jī)床;并聯(lián)機(jī)床;機(jī)械裝備

并聯(lián)機(jī)床是一種新一代的機(jī)床,是一種知識(shí)密集型設(shè)備,是現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。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,克服了傳統(tǒng)機(jī)床刀具作業(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,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,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,使加工精度和加工質(zhì)量都有較大的改進(jìn)。并聯(lián)機(jī)床的出現(xiàn)和發(fā)展擴(kuò)大了機(jī)床的應(yīng)用范圍,并聯(lián)機(jī)床是一個(gè)國(guó)家技術(shù)力量和裝備水平的一個(gè)重要標(biāo)志。

1 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床研究的趨勢(shì)

未來(lái)并聯(lián)機(jī)床的研究將向著以下幾個(gè)方向發(fā)展,并可能取得突破。

1.1 并聯(lián)機(jī)床機(jī)構(gòu)學(xué)理論及相關(guān)理論研究

并聯(lián)機(jī)床機(jī)構(gòu)學(xué)及相關(guān)理論的研究開(kāi)始較早,目前比較成熟,但是隨著對(duì)機(jī)床的精度、工作空間、可靠性等要求的提高,這些問(wèn)題必須從機(jī)床的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮才能獲得滿意的解決方案。因此對(duì)于并聯(lián)機(jī)床的研究歸根結(jié)底是對(duì)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)本身的研究,隨著對(duì)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究的深入,一定可以得到比現(xiàn)存機(jī)構(gòu)更優(yōu)良的機(jī)構(gòu),促使并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展,這方面還有待進(jìn)一步的突破。

1.2 并聯(lián)機(jī)床精度和可靠性研究

對(duì)于并聯(lián)機(jī)床的精度已不再停留在靜態(tài)的集合精度,運(yùn)動(dòng)精度、熱變形和振動(dòng)的監(jiān)測(cè)及補(bǔ)償越來(lái)越獲得重視,以適應(yīng)高性能加工和高可靠性的需要。

機(jī)床的可靠性是指機(jī)床加工精度的可重復(fù)性和可信賴度必須很高,性能能夠長(zhǎng)期保持穩(wěn)定,機(jī)床具有自優(yōu)化、自監(jiān)控、自診斷和預(yù)維護(hù)功能。

1.3 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究

由于并聯(lián)機(jī)床具有多樣化的結(jié)構(gòu)和配置形式,很難有一套控制系統(tǒng)能夠適合所有并聯(lián)機(jī)床的要求,只可能存在一種控制平臺(tái),由機(jī)床開(kāi)發(fā)者自行配制硬件和軟件。因此,并聯(lián)機(jī)床的控制系統(tǒng)必須是開(kāi)放式結(jié)構(gòu),兼具傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床與并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)。目前并聯(lián)機(jī)床的研究主要著眼于開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)以及數(shù)控系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)的研究。

1.4 并聯(lián)機(jī)床組成標(biāo)準(zhǔn)模塊和關(guān)鍵基礎(chǔ)件的研制

并聯(lián)機(jī)床組成模塊主要包括主軸系統(tǒng)、桿件和鉸鏈、線性直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備、特種直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備。這些設(shè)備的性能直接決定機(jī)床的綜合性能,加快這些設(shè)備和技術(shù)的研制對(duì)于加快推進(jìn)并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展意義巨大。特別是新出現(xiàn)的直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備,將電動(dòng)機(jī)與機(jī)械部分集合成為一體,成為機(jī)電一體化的功能部件,如直線電動(dòng)機(jī)、電主軸、電滾珠絲杠和力矩電動(dòng)機(jī)等。

2 我國(guó)在并聯(lián)機(jī)床領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)在并聯(lián)機(jī)床領(lǐng)域的研究起步較早,清華大學(xué)、東北大學(xué)、燕山大學(xué)、天津大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等都較早地開(kāi)展了理論研究,并開(kāi)發(fā)研制并聯(lián)機(jī)床的原型機(jī),取得了較為顯著的成果。

清華大學(xué)是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)始進(jìn)行并聯(lián)機(jī)床研究的單位之一,對(duì)并聯(lián)機(jī)床以及多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究,并于1997年與天津大學(xué)合作,共同開(kāi)發(fā)出我國(guó)第一臺(tái)大型鏜銑類并聯(lián)機(jī)床原型樣機(jī)VAMT1Y。在并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)理論與樣機(jī)建造等關(guān)鍵技術(shù)方面達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平,其中部分理論成果屬國(guó)際首創(chuàng)。目前正在進(jìn)行并聯(lián)機(jī)床系列化、實(shí)用化的研究,與多家機(jī)床骨干廠家進(jìn)行了新型并聯(lián)機(jī)床商品化樣機(jī)的研制工作,以期實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)床的產(chǎn)業(yè)化。

東北大學(xué)研制的DSX5-70型三桿并聯(lián)機(jī)床是由三自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)和兩自由度的串聯(lián)機(jī)構(gòu)混聯(lián)組成的五自由度并聯(lián)機(jī)床。

由國(guó)防科技大學(xué)和香港科技大學(xué)聯(lián)合研制的銀河-2000并聯(lián)機(jī)床是一種并聯(lián)式六自由度機(jī)床,是由傳統(tǒng)并聯(lián)機(jī)床發(fā)展而來(lái)的,在保持原并聯(lián)機(jī)構(gòu)的諸多優(yōu)點(diǎn),如高剛度,高精度和高的運(yùn)動(dòng)速度外,用變異機(jī)構(gòu)擴(kuò)大了機(jī)床的運(yùn)動(dòng)范圍。

在2007年4月舉辦的CIMT展會(huì)上,哈爾濱量具刃具集團(tuán)數(shù)控設(shè)備公司展出的LINKS-EXE700是采用了瑞典愛(ài)克斯康(Exechon)公司的最新并聯(lián)技術(shù)開(kāi)發(fā)的一種具有新的突破意義的并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床。該款機(jī)床無(wú)論是在剛性、高速性能,還是在精度等方面較之前的并聯(lián)機(jī)床都有大幅度的提高。主要有以下特點(diǎn):

⑴剛性和精度提高。該機(jī)床在各致動(dòng)器與下平臺(tái)之間的鉸鏈僅有一個(gè)擺動(dòng)的自由度,其中兩個(gè)致動(dòng)器與上平臺(tái)之間的連接采用2個(gè)自由度的虎克鉸結(jié)構(gòu),中間一個(gè)致動(dòng)器與上平臺(tái)連接為一個(gè)3個(gè)自由度的虎克鉸,這種設(shè)計(jì)使得并聯(lián)機(jī)構(gòu)僅有6個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)、10個(gè)自由度,是目前世界上現(xiàn)存的并聯(lián)機(jī)構(gòu)中活動(dòng)關(guān)節(jié)和自由度最少的。以前的并聯(lián)機(jī)構(gòu)致動(dòng)器普遍采用套裝的伸縮桿結(jié)構(gòu),剛性差,而該機(jī)床采用的是整體結(jié)構(gòu),剛性幅度提高。

⑵加工范圍大。X軸2000mm、Y軸1500mm、Z軸500mm、A軸270°、B軸360°。可以加工五面體,在工件特別裝夾的情況下,還可作六面加工。

⑶動(dòng)作快速。X、Y軸的快速進(jìn)給分別達(dá)到125米m/min、加速度2g;Z軸方向45m/min、加速度1g。

⑷)靜態(tài)剛性好。該機(jī)床的設(shè)計(jì)靜態(tài)剛性為15N/μm,且在機(jī)床加工空間任何位置均保持一致。

⑸在線生產(chǎn)驗(yàn)證ILP。該機(jī)床應(yīng)用了一種最新的實(shí)時(shí)仿真軟件ILP,可以執(zhí)行數(shù)控系統(tǒng)的操作指令(G代碼和M代碼),可以在屏幕上顯示刀具、加工狀況、工裝位置及加工過(guò)程是否干涉,如果干涉,在干涉區(qū)域?qū)@示不同顏色,并可以自動(dòng)記錄下出現(xiàn)干涉時(shí)的程序段,以便于修改程序。

⑹強(qiáng)大的后置處理系統(tǒng)。該機(jī)床采用了加拿大ICAM公司為其定制的功能強(qiáng)大的后置處理軟件,該軟件可兼容目前世界上流行的CAD/CAM軟件,方便用戶使用。

⑺應(yīng)用廣泛。該機(jī)床進(jìn)行不同功能配置后,可廣泛應(yīng)用于航天、航空、汽車(chē)、模具工業(yè)作切削、磨削、焊接、鉚接、打毛刺和裝配之用。既可以單機(jī)使用,也可以配置成生產(chǎn)線。

3 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展對(duì)機(jī)床提出了更高的要求,這種要求使傳統(tǒng)機(jī)床面臨不可回避的巨大挑戰(zhàn),而并聯(lián)機(jī)床是一種有效的解決方案。雖然并聯(lián)機(jī)床在實(shí)際應(yīng)用中還存在許多有待解決的問(wèn)題,相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)床來(lái)說(shuō),并聯(lián)機(jī)床的研究還不夠深入和成熟,這是制約并聯(lián)機(jī)床走向?qū)嵱没年P(guān)鍵問(wèn)題之一,同時(shí)也是一項(xiàng)極富挑戰(zhàn)性的工作。相信隨著并聯(lián)機(jī)床研究的深入,其相關(guān)問(wèn)題一定會(huì)得到充分的解決。而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展,并聯(lián)機(jī)床能實(shí)現(xiàn)有效的且低成本的控制系統(tǒng),必將在模具加工和復(fù)雜空間曲線的加工領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介:汪哲能(1971-),男,湖南衡陽(yáng)人,衡陽(yáng)財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師,碩士研究生,主要研究方向:機(jī)械制造、職業(yè)教育。