并聯機床的特點、研究現狀及展望

并聯機床是空間機構學、機械制造、數控技術、計算機軟硬技術和CAD/CAM技術高度結合的高科技產品。本文介紹了它的特點和研究現狀，并總結出了并聯機床的八個研究方向。

并聯機床(Parallel Machine Tools)，又稱并聯結構機床(Parallel Structured Machine Tools)、虛擬軸機床(Virtual Axis Machine Tools)，也曾被稱為六條腿機床、六足蟲(Hexapods)。并聯機床是基于空間并聯機構Stewart平臺原理開發的，是近年才出現的一種新概念機床，它是并聯機器人機構與機床結合的產物，是空間機構學、機械制造、數控技術、計算機軟硬技術和CAD/CAM技術高度結合的高科技產品。它克服了傳統機床串聯機構刀具只能沿固定導軌進給、刀具作業自由度偏低、設備加工靈活性和機動性不夠等固有缺陷，可實現多坐標聯動數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復雜特種零件的加工。自其1994年在美國芝加哥機床展上首次面世即被譽為是“21世紀的機床”，成為機床家族中最有生命力的新成員。

1 并聯機床的特點

整體而言，傳統的串聯機構機床，是屬于數學簡單而機構復雜的機床，而相對的，并聯機構機床則機構簡單而數學復雜，整個平臺的運動牽涉到相當龐大的數學運算，因此虛擬軸并聯機床是一種知識密集型機構。這種新型機床完全打破了傳統機床結構的概念，拋棄了固定導軌的刀具導向方式，采用了多桿并聯機構驅動，大大提高了機床的剛度，使加工精度和加工質量都有較大的改進。另外，由于其進給速度的提高，從而使高速、超高速加工更容易實現。由于這種機床具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度以及重量輕、機械結構簡單、制造成本低、標準化程度高等優點，在許多領域都得到了成功的應用，因此受到學術界的廣泛關注。由并聯、串聯同時組成的混聯式數控機床，不但具有并聯機床的優點，而且在使用上更具實用價值。


隨著高速切削的不斷發展，傳統串聯式機構構造平臺的結構剛性與移動臺高速化逐漸成為技術發展的瓶頸，而并聯式平臺便成為最佳的候選對象，而相對于串聯式機床來說，并聯式工作平臺具有如下特點和優點：

(1) 結構簡單、價格低

機床機械零部件數目較串聯構造平臺大幅減少，主要由滾珠絲杠、虎克鉸、球鉸、伺服電機等通用組件組成，這些通用組件可由專門廠家生產，因而本機床的制造和庫存成本比相同功能的傳統機床低得多，容易組裝和搬運。

(2) 結構剛度高

由于采用了封閉性的結構(closed-loop structure)使其具有高剛性和高速化的優點，其結構負荷流線短，而負荷分解的拉、壓力由六只連桿同時承受，以材料力學的觀點來說，在外力一定時，懸臂量的應力與變形都最大，兩端插入(build-in)次之，再來是兩端簡支撐(simply-supported)，其次是受壓的二力結構，應力與變形都最小的是受張力的二力結構，故其擁有高剛性。其剛度重量比高于傳統的數控機床。

(3) 加工速度高，慣性低

如果結構所承受的力會改變方向，(介于張力與壓力之間)，兩力構件將會是最節省材料的結構，而它的移動件重量減至最低且同時由六個致動器驅動，因此機器很容易高速化，且擁有低慣性。

(4) 加工精度高

由于其為多軸并聯機構組成，六個可伸縮桿桿長都單獨對刀具的位置和姿態起作用，因而不存在傳統機床(即串聯機床)的幾何誤差累積和放大的現象，甚至還有平均化效果(averaging effect)；其擁有熱對稱性結構設計，因此熱變形較小；故它具有高精度的優點。

(5) 多功能靈活性強


由于該機床機構簡單控制方便，較容易根據加工對象而將其設計成專用機床，同時也可以將之開發成通用機床，用以實現銑削、鏜削、磨削等加工，還可以配備必要的測量工具把它組成測量機，以實現機床的多功能。這將會帶來很大的應用和市場前景，在國防和民用方面都有著十分廣闊的應用前景。

(6) 使用壽命長

由于受力結構合理，運動部件磨損小，且沒有導軌，不存在鐵屑或冷卻液進入導軌內部而導致其劃傷、磨損或銹蝕現象。

(7) Stewart平臺適合于模塊化生產

對于不同的機器加工范圍，只需改變連桿長度和接點位置，維護也容易，無須進行機件的再制和調整，只需將新的機構參數輸入。

(8) 變換座標系方便

由于沒有實體座標系，機床座標系與工件座標系的轉換全部靠軟件完成，非常方便。

Stewart平臺應用于機床與機器人時，可以降低靜態誤差(因為高剛性)，以及動態誤差(因為低慣量)。而Stewart平臺的劣勢在于其工作空間較小，且其在工作空間上有著奇異點的限制，而串聯工作平臺，控制器遇到奇異點時，將會計算出驅動裝置無法達成的驅動命令而造成控制誤差，但Stewart平臺在奇異位置會失去支撐部分方向的力或力矩的能力，無法完成固定負載對象。