新型串并聯結構數控機床

高天雷

(中國通用技術(集團)哈爾濱量具刃具集團有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

制造業是一個國家和地區經濟發展的重要支柱，機床是對制造業起決定作用的制造裝備和核心設備，其發展水平標志著該國家或地區的科技水平、生活水準和國防實力。這就對機床設計及制造技術提出了更高的要求和新的挑戰［1］。上世紀90年代隨著計算機技術的高速發展，并聯機床也隨之發展起來，并聯機床作為新一代數控機床，一直受到學術界的廣泛關注。并聯機床的出現擴大了機床在制造業的應用范圍，提高了機床在制造業中的技術水平，為新型機床設計提供了理論依據。但是，并聯機床也存在著許多不足，如:并聯機床的驅動桿多，互相牽制，導致工作空間小;每個驅動支路的關節較多，影響了整體剛度;驅動桿的反饋困難，運動精度難以保證。而串聯機床雖然也有一些固有的缺點，但其控制簡單、運動空間大和運動靈活性好。因此為了充分利用并聯機床和串聯機床的優點，克服兩者的不足之處，研究人員將并聯機構和串聯機構進行合理的結合，形成了新型的串并聯機床。

哈爾濱量具刃具集團有限責任公司應用瑞典艾克斯康(Exechon)公司最新技術(并聯機構Tripod)推出了一種全新結構的加工中心——LINKS－EXE700，如圖1所示。該機床是一種典型的串并聯結構機床，因沒有實體坐標軸，故又稱虛擬軸機床。

這種機床是將并聯機構和串聯機構進行合理的結合而成，是近年來世界上逐漸興起的一種新型結構機床。它綜合了串聯機床和并聯機床的優點，克服了兩者的不足，具有動態性能好、模塊化程度高、機構靈活度高、響應速度快、工作空間范圍大、剛度高、承載能力強、重量輕、技術附加值高和結構簡單等突出的特點［2－4］。尤其在復雜曲面的加工中具有很好的應用前景。LINKS－EXE700是一款立足于中國制造，運用國際先進技術資源，面向全球市場的最新一代串并聯機床，也是近年來我國在國際機床領域的一項重大突破。

1 串并聯數控機床LINKS－EXE700機械結構

LINKS－EXE700型串并聯數控機床包括并聯部分和串聯部分，并聯部分由定平臺和動平臺以及3個分支組成，其中有兩個分支的一端與定平臺用兩自由度虎克鉸連接，另一個分支的一端與定平臺用三自由度虎克鉸連接，3個分支的另一端分別與動平臺用轉動副連接，虎克鉸與轉動副之間是移動副;串聯部分由兩個軸線互相垂直的轉動副組成。因此，整個并聯部分和串聯部分構成一個具有5個自由度的串并聯機構，如圖2所示。

2 LINKS－EXE700串并聯數控機床數控系

統LINKS－EXE700型串并聯數控機床采用了西門子SINUMERIK 840D數控系統。SINUMERIK 840D中配置了SIMODRIVE 611D數控及數字驅動單元，數控單元為NCU 573.5，數字驅動單元是新一代數字控制總線驅動的交流驅動(雙軸模塊)。交流伺服電動機采用1FT7和1FK7系列，全閉環控制。人機交換界面負責LINKS－EXE700型串并聯數控機床數據的輸入和顯示，由PCU50及MCP483和OP015A組成。可編程控制器PLC采用西門子SIMATIC S7－300的軟件及模塊。手持單元為西門子SINUMERIK HT8，它具有操作面板以及機床控制面板的功能，通過示教和編程，能夠進行全面的機床操作、監控和生成用戶程序。

電主軸采用西門子 WEISS電主軸，功率32.5 kW;額定轉速11 100 r/min;扭矩28 N·m;冷卻方式為水冷。主軸刀柄接口形式為Capto－C6或HSK。

3 虛實軸轉換

LINKS－EXE700型串并聯數控機床屬于虛擬軸機床，與傳統機床不同。傳統機床的加工軌跡等控制概念都是建立在笛卡爾坐標系，驅動軸在空間中的位置也與笛卡爾坐標系相吻合。但是LINKS－EXE700型串并聯數控機床的軌跡控制是由3根桿件空間運動耦合而成，它在操作空間用來描述運動平臺位姿的X、Y、Z、A、B、C并不真實存在(虛軸)，不能對其進行直接控制，而可以直接控制的是各伸縮桿的長度(實軸)。所以LINKS－EXE700型串并聯數控機床運動控制最關鍵的問題是通過對實軸的控制來實現對虛軸的聯動控制。通常“虛軸”用于機床坐標系及工件坐標系的建立，并產生刀具加工運動軌跡等。機床的調整和校準是在“實軸”狀態下進行的。“實軸”(桿件)需要按照Tripod機構運動學解算規律進行運動，從而獲得所需要的“虛軸”運動軌跡。“實軸”與“虛軸”坐標變換軟件是由西門子公司為瑞典艾克斯康公司的Tripod機構專門開發設計的系統軟件，并應用于西門子SINUMERIK 840D數控系統中。在數控系統的操作和加工編程上與傳統數控機床完全相同，通用性強，操作方便，這也是LINKS－EXE700型串并聯數控機床與并聯機床相比所具有的一個優勢。它可以方便地實現空間復雜軌跡的運動，具有很高的應用價值。

4 虛擬樣機在線仿真數控加工軟件ILP

近年來，計算機技術的廣泛應用提供了新的數控加工仿真技術，那就是虛擬樣機在線仿真數控加工技術。為了保證LINKS－EXE700型串并聯數控機床在數控加工過程中的可靠性和準確性，LINKS－EXE700型串并聯數控機床應用了現代最新的虛擬樣機在線仿真數控加工軟件ILP，利用LINKS－EXE700型串并聯加工中心數控系統的操作指令可以在人機交換界面(OP015A顯示屏)上仿真LINKS－EXE700型串并聯數控機床整個執行機構及刀具和工裝實時加工狀況，進行仿真分析，解決了模擬運動可視化的問題。通過ILP軟件可直接觀察了解LINKS－EXE700型串并聯數控機床的工作過程，直觀地觀察到LINKS－EXE700型串并聯數控機床的工作過程是否發生干涉現象。而不需要進行繁瑣的分析。如有干涉，ILP軟件可自動提示干涉區域及加工程序段。圖3所示為虛擬樣機在線仿真數控加工軟件ILP界面。

5 LINKS－EXE700型串并聯數控機床工作空間

工作空間是指機床正常工作時，末端執行器在空間活動的最大范圍。工作空間是從幾何方面描述機床的工作能力，對末端執行器的可達運動范圍作出客觀評價，是并聯機床性能的重要指標和進行機構設計、運動規劃的重要依據。LINKS－EXE700型串并聯數控機床相對傳統的并聯機床具有更大的工作空間，如圖4所示。理論計算表明，該型串并聯數控機床的工作空間可達1.431×109mm3。

6 串并聯數控機床優點

(1)具有較高的剛度和加工精度，更大的工作空間，動態性能好，技術附加值高。

(2)定位方便，由于沒有實體坐標系，機床坐標系與工件坐標系的轉換全部靠軟件完成，建立工件坐標系方便、快捷，變換坐標系方便。

(3)在一次裝夾中可實現五坐標軸聯動進行高速、敏捷、復合角度的5到6面體的加工，實現加工功能復合化，并可自動換刀。

(4)采用具有高度開放性結構的通用數控系統SINUMERIK 840D，并與西門子公司合作，利用西門子獨特的內部坐標變換功能，實現了常規五坐標編程與實時在線仿真，使得用戶的操作與編程更為簡便。

(5)除切削加工外，匹配不同功能部件及裝置，可實現多功能加工。

(6)機床結構簡單，集成化、模塊化程度高。可制成獨立裝備或集成于大型系統生產線中或多臺聯合完成加工、裝配和測量等工作，形成并聯機床生產線。

(7)由于沒有傳統機床導軌，避免了導軌磨損、銹蝕、劃傷等現象，使用壽命長。

從以上的分析可以看出，該機床具有許多傳統機床無法替代的優點，彌補了串聯機床、并聯機床的不足。串并聯機床作為新一代數控機床，它兼顧了并聯機構技術、串聯機構技術和現代數控機床技術于一體，提高了機床在制造業中的技術水平。在一次裝夾中可完成從毛坯至成品的多道加工工序，實現加工的復合化。特別適用于航空、航天、汽車、工程機械以及復雜自由曲面等的加工，可實現高速鉚接、焊接和裝配等。

7 展望

串并聯數控機床作為一種新型的加工設備，在實際加工過成中具有較強的加工能力，同時也加深了人們對串并聯數控機床的了解。從目前應用的效果可以看出，串并聯數控機床在很多方面的性能優于傳統機床，已成為當前機床技術的一個重要研究方向，受到了國際機床行業界的高度重視。在提高我國裝備制造技術進程中必須加大在這方面的研究力度，打造屬于我國自主知識產權的串并聯運動機床。

［1］陳文家，王洪光，房立金.并聯機床的發展現狀與展望［J］.機電工程，2001，18(4):5 －8.

［2］詹泳，周云飛，師漢民.串并聯數控機床的作業空間分析［J］.應用科學學報，2004，22(1):60 －65.

［3］王瑞，鐘詩勝，王知行.5軸新型數控銑床仿真建模的實現［J］.計算機集成制造系統，2005，11(8):1176 －1180.

［4］王友漁，趙興玉，黃田.可重構混聯機械手TriVariant與Tricept的靜動態特性預估與比較［J］.天津大學學報，2007，40(1):41 －45.