混聯式數控機床的發展

    并聯機構和串聯機構相比，具有承載能力大(比剛度高)、響應速度快及運動精度高等優點。因此受到學術界和產業界的關注，對它的理論研究和應用開發研究非常重視。簡單的并聯機構很早就已經有了應用，例如桁架構件中的平面二桿或三桿并聯機構。作為機械裝備產品，并聯機構首先在機器人上進行了應用。

    對機床而言，比剛度、響應速度、運動精度正是其所追求的重要技術指標，而且由于機床是工作母機，一般來講，其剛度、運動精度的要求要比機器人的要求高得多。因此并聯機構的優點對機床工業具有很大的吸引力，一時間并聯機床(又稱虛擬軸機床)的研究與開發成為一個熱門課題。人們對并聯機床寄予很大期望，預言并聯機床將成為21世紀的數控機床。

    雖然并聯機構具有上述誘人的優點，但它又同時有運動范圍(工作空間)小的缺點，特別是回程運動范圍有限。從機械裝備產品的大類來講，機床和機器人同屬具有坐標運動(不同的是機床多為直角坐標系型式，機器人多為關節坐標系型式)的機械，可以說是同族。因此并聯機床又可稱為切削加工機器人。但是機床又不同于一般的機器人(如搬運機器人、噴漆機器人、焊接機器人等)，不僅精度、剛度要求非常高，而且工作空間(直線運動空間和回轉工作空間)及干涉約束的要求也高。例如，通過刀具與工件間的相對運動對工件進行切削加工時，為了避免刀具與工件的干涉(特別是復雜的內表面及空間孔系加工)，對機床運動的約束條件要求較高，對復雜空間曲面的加工或空間孔系加工，要求回轉運動范圍大。如五面體加工要求工作臺回轉運動達到360°立臥兩用機床要求主軸頭擺動90°；某些空間曲面或孔系加工要求主軸或工件擺動達到180°等。各軸全部并聯的全并聯機床工作空間有限，因此，工作空間數控軸數比(或工作空間價格比)技術指標低。我們認為從工作空間數控軸數比，功能價格比，性能價格比等綜合效果來看，全并聯機床并不一定最好，而并聯、串聯同時采用的混聯式數控機床更具實用價值。下面根據我們的研究、開發經歷，談一些對混聯式數控機床發展的看法。

    1994年美國推出第一臺并聯機床之后不久，人們已開始研究混聯式機床。國外開始研究混聯式機床并不是為了擴大工作空間，而是從獲得實用的機床精度的角度考慮的。這是由于機床的精度、剛度要求遠比一般機器人高，例如：運動精度要求為幾個µm，剛度要求幾十個N/µm以上。雖然并聯機構理論上的精度、剛度很高，但實際尚達不到那么高。例如當時美國和日本所開發的六軸并聯機床的運動精度都是幾十個µm，還達不到傳統機床的精度水平。雖然人們已經發現關節結構是制約精度的薄弱環節，但要解決它難度很大。因此人們開始考慮將并聯和串聯一起使用，1997年相繼推出了一些混聯式機床。例如，德國阿亨工業大學開發的三軸加工中心(二軸并聯，一軸串聯)如圖1所示。日本豐田工機也開發出了相似的專用加工中心(二軸并聯，一軸串聯)。

    從擴大工作空間的角度進行混聯式的研究開發也在同時展開。例如，我們于1997年研制成功了一臺六軸混聯式數控機床，采用了三軸并聯和三軸串聯的六軸混聯立臥式數控機床。Z軸進給和兩個回轉運動由三軸并聯機構實現，X軸和Y軸進給及另一個回轉運動(立式工作時為C軸，臥式工作時為B軸)由串聯驅動實現。由于并聯機構的回轉運動可以達到90°，故Z軸可以為立式，也可以為臥式。而X、Y及B軸(或C軸)是串聯驅動，運動范圍可以擴大，其中B軸(或C軸)可實現360°連續回轉運動。沈陽自動化研究所1999年研制的五軸并聯機床(實際也是混聯式機床，四軸并聯，一軸串聯)，擴大了縱向行程范圍。我們正在研制的三軸并聯，三軸串聯的六軸混聯式機床(如圖2所示)，不僅擴大了三個直線運動范圍，而且使三個回轉運動分別達到了90°、90°和360°。在美國IMTS2000國際機床展覽會上，美國辛辛那提和德國DST公司開發的Hyper Mach臥式加工中心所采用的Z3數控主軸頭也是混聯式，它可以實現三軸并聯、二軸串聯運動，主軸頭由三軸并聯機構和主軸部件組成，除了實現主運動外，主軸頭自身由并聯機構驅動實現Z軸進給和兩個回轉進給運動。

    混聯式數控機床可以將并聯機構和傳統機床的串聯機構的優點集于一身，是一類很有前途的數控機床。雖然已開發了不少型式的機床，還有很多理論和技術問題有待進一步研究，為了使并聯機床能夠達到它的理論上的高性能，為了并聯和串聯結合得更科學，以使機床獲得更好的綜合技術指標，除了運動學、動力學等理論及方法研究之外，還應該進一步進行基礎元件技術研究。以下列舉幾個方面。

    混聯式機床的方案創新設計技術 混聯式機床方案的創新余地很大，雖然混聯機床總體方案創成方法已有研究，也已開發出不少型式的混聯機床，但如何獲得最佳的并聯、串聯組合，形成混聯式機床方案創新系統還有很多技術尚待進一步研究。

    關節技術 應用了并聯機構的機床，其性能之所以尚達不到理論上的高度，主要原因是由于關節而產生的。關節的問題主要是結構尺寸、剛度、精度之間的矛盾問題。一般而言，關節剛度較低，若采用預緊的方法提高剛度，則摩擦增大，將導致運動精度下降；若采用可調隙的滾動軸承，由于并聯機構的突出優點是承載能力大，目前承載能力大的滾動軸承類型一般結構尺寸也較大，將導致關節尺寸增大。因此研究開發適合關節應用的承載能力大、結構尺寸小的高精度滾動和結構緊湊、剛度及精度高的復合滾動關節是關鍵的基礎技術。

    主電動機及電主軸 目前混聯或并聯機床的主軸大多安裝在動平臺上，或者用交流伺服主電動機驅動，或者直接用電主軸。由于并聯機構的優點之一是運動部件慣性小，因此對電動機的功率、扭矩#重量比要求更高，對其振動和發熱要求更嚴。

    高精度檢測元件 并聯機構的采用，將帶來眾多的被動關節。由于被動關節沒有伺服電動機驅動，因此無論是機床的精度標定，還是運動誤差補償，被動關節運動誤差檢測都是很重要的。這就要求研究開發適合被動關節安裝使用的、尺寸小、精度高、抗干擾能力強的檢測元件。

    混聯式機床可以將并聯和串聯的優點融為一身，適用價值好，是一種很有前途的數控機床型式。從混聯數控機床本身的技術而言，可以說，國內與國外的研究幾乎是同時起步的。因此，應該抓住機遇，加大進一步研究、開發和應用的力度，從一個側面推動我國機床技術的創新和進步，為振興我國機床工業的發展做出貢獻。