金属加工并联机床

并联机床(ParallelMachineTools),又称并联结构机床(ParallelStructuredMachineTools)、虚拟轴机床(VirtualAxisMachineTools),也曾被称为六条腿机床、六足虫(Hexapods)。并联机床是基于空间并联机构Stewart平台原理开发的,是近年才出现的一种新概念机床,它是并联机器人机构与机床结合的产物,是空间机构学、机械制造、数控技术、计算机软硬技术和CAD/CAM技术高度结合的高科技产品。它克服了传统机床串联机构刀具只能沿固定导轨进给、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,可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能,更能满足复杂特种零件的加工。自其1994年在美国芝加哥机床展上首次面世即被誉为是“21世纪的机床”,成为机床家族中最有生命力的新成员。

图1并联机床的运动仿真模拟图

1并联机床的特点

整体而言,传统的串联机构机床,是属于数学简单而机构复杂的机床,而相对的,并联机构机床则机构简单而数学复杂,整个平台的运动牵涉到相当庞大的数学运算,因此虚拟轴并联机床是一种知识密集型机构。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,采用了多杆并联机构驱动,大大提高了机床的刚度,使加工精度和加工质量都有较大的改进。另外,由于其进给速度的提高,从而使高速、超高速加工更容易实现。由于这种机床具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度以及重量轻、机械结构简单、制造成本低、标准化程度高等优点,在许多领域都得到了成功的应用,因此受到学术界的广泛关注。由并联、串联同时组成的混联式数控机床,不但具有并联机床的优点,而且在使用上更具实用价值。

随着高速切削的不断发展,传统串联式机构构造平台的结构刚性与移动台高速化逐渐成为技术发展的瓶颈,而并联式平台便成为最佳的候选对象,而相对于串联式机床来说,并联式工作平台具有如下特点和优点:

(1)结构简单、价格低

机床机械零部件数目较串联构造平台大幅减少,主要由滚珠丝杠、虎克铰、球铰、伺服电机等通用组件组成,这些通用组件可由专门厂家生产,因而本机床的制造和库存成本比相同功能的传统机床低得多,容易组装和搬运。

(2)结构刚度高

由于采用了封闭性的结构(closed-loopstructure)使其具有高刚性和高速化的优点,其结构负荷流线短,而负荷分解的拉、压力由六只连杆同时承受,以材料力学的观点来说,在外力一定时,悬臂量的应力与变形都最大,两端插入(build-in)次之,再来是两端简支撑(simply-supported),其次是受压的二力结构,应力与变形都最小的是受张力的二力结构,故其拥有高刚性。其刚度重量比高于传统的数控机床。

(3)加工速度高,惯性低

如果结构所承受的力会改变方向,(介于张力与压力之间),两力构件将会是最节省材料的结构,而它的移动件重量减至最低且同时由六个致动器驱动,因此机器很容易高速化,且拥有低惯性。

(4)加工精度高

由于其为多轴并联机构组成,六个可伸缩杆杆长都单独对刀具的位置和姿态起作用,因而不存在传统机床(即串联机床)的几何误差累积和放大的现象,甚至还有平均化效果(averagingeffect)；其拥有热对称性结构设计,因此热变形较小；故它具有高精度的优点。

(5)多功能灵活性强

由于该机床机构简单控制方便,较容易根据加工对象而将其设计成专用机床,同时也可以将之开发成通用机床,用以实现铣削、镗削、磨削等加工,还可以配备必要的测量工具把它组成测量机,以实现机床的多功能。这将会带来很大的应用和市场前景,在国防和民用方面都有着十分广阔的应用前景。

(6)使用寿命长

由于受力结构合理,运动部件磨损小,且没有导轨,不存在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其划伤、磨损或锈蚀现象。

(7)Stewart平台适合于模块化生产

对于不同的机器加工范围,只需改变连杆长度和接点位置,维护也容易,无须进行机件的再制和调整,只需将新的机构参数输入。

(8)变换座标系方便

由于没有实体座标系,机床座标系与工件座标系的转换全部靠软件完成,非常方便。

Stewart平台应用于机床与机器人时,可以降低静态误差(因为高刚性),以及动态误差(因为低惯量)。而Stewart平台的劣势在于其工作空间较小,且其在工作空间上有着奇异点的限制,而串联工作平台,控制器遇到奇异点时,将会计算出驱动装置无法达成的驱动命令而造成控制误差,但Stewart平台在奇异位置会失去支撑部分方向的力或力矩的能力,无法完成固定负载对象。

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