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文檔簡介

1、新概念并聯(lián)運動機床,一、并聯(lián)運動機床概述,1. 新概念機床并聯(lián)運動機床 并聯(lián)機床(Parallel Machine Tools),又稱并聯(lián)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)、21世紀的機床。如圖1所示,立 柱,主軸部件,工作臺,桿 件,滑 板,工作空間,并聯(lián)機床是基于空間并聯(lián)機構Stewart平臺原理開發(fā)的,它是并聯(lián)機器人機構與機床結合的產物; 它克服了傳統(tǒng)機床串聯(lián)機構刀具只能沿固定導軌進給、刀具作業(yè)自由度偏低、設備加工靈活性和機動性

2、不夠等固有的缺陷; 可實現(xiàn)多坐標聯(lián)動數(shù)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,2.傳統(tǒng)機床的串聯(lián)機構,虛軸機床與傳統(tǒng)機床相比有許多優(yōu)異的性能。一般傳統(tǒng)機床可看作是一個空間串聯(lián)機構,如圖2所示,它的橫梁、立柱等部件往往承受彎曲載荷,而彎曲載荷般要比拉壓載荷造成更大的應力和變形,所以為了提高機床剛性,必須采用大截面的構件。 另外,當機床運動自由度增多時。需增加相應的串聯(lián)運動鏈,機床的機械結構變得十分復雜,動立柱立式加工中心,傳統(tǒng)的機床(以動立柱立式加工中心為例,如圖3所示)從

3、基座(床身)至末端運動部件,經過床身到滑座(在床身上作X軸運動);滑座到立柱(在滑座上作Y軸運動);立柱到主軸箱(在立柱上作Z軸運動)的先后順序,逐級串聯(lián)相連接的。 因此,當滑座在作X軸運動時,滑座上的軸和立柱上的軸也作了相應的空間運動,也即后置的軸必須隨同前置的軸一起運動。這無疑增加了軸運動部件的質量,同時,加工時主軸上刀具所受的切削力反力,也依次傳遞給立柱、滑座,最終傳遞給床身,也即末端所受的力按順序依次串聯(lián)地傳至最前端。 此外,這些作用力一般不通過構件重心,必然會產生彎矩和扭矩。 因此,前端構件不但要額外負擔后端構件的重力(重量),而且還要考慮承受切削力。這樣一來,為了達到機床高剛度的要

4、求,每部分結構件需具有相應的體積和材料,總之,傳統(tǒng)機床的串聯(lián)結構特性,必然會導致移動部件的質量大、系統(tǒng)剛度低,而成為機床致命的弱點;特別是當機床運動速度高和工件質量大時,這些弱點更為突出,3.虛軸機床的并聯(lián)機構,虛軸機床的基本結構是一個動平臺、一個定平臺和六根長度可變的連桿,如圖4所示。動平臺上裝有機床主軸和刀具,定平臺(或者與定平臺固連的工作臺)上安裝工件,六根桿實際是六個滾珠絲杠螺母副,它們將兩個平臺連在一起,同時將伺服電動機的旋轉運動轉換為直線運動,從而不斷改變六根桿的長度,帶動動平臺產生六自由度的空間運動,使刀具在工件上加工出復雜的三維曲面(如圖5所示,由于這種機床上沒有導軌、轉臺等表

5、征坐標軸方向的實體構件,故稱為虛軸機床(Virtual Axis Machine Tool);由于其結構特點,又稱為“并聯(lián)運動機床”(Parallel Kinematic Machine,PKM);同時由于其奇異的外形,西方刊物上還常稱之為“六足蟲”(Hexapod,如前所述,虛軸機床實際是一個空間并聯(lián)連桿機構,其六根桿即為六根并聯(lián)連桿,它們是機床的驅動部件和主要承力部件,由于這六根桿均為二力桿,只承受拉壓載荷,所以其應力、變形顯著減小,剛性大大提高。由于不必要采用大截面的構件,運動部件的質量減小,從而可采用較高的運動速度和加速度。 虛軸機床還被稱為是 “用數(shù)學建造的機床”。它靠復雜的控制運算

6、和相對簡單的運動機構來產生六自由度空間運動,大大簡化了機床的機械結構,是一種高技術附加值的產品,虛軸機床的制造成本可能低的原因,1)虛軸機床是用復雜的數(shù)學運算和相對簡單的機械結構來實現(xiàn)復雜型面的加工,降低了結構制造成本; (2)虛軸機床具有軸對稱的基本結構,其對稱部件易于實現(xiàn)模塊化設計和批量生產; (3)決定虛軸機床精度的關鍵部件是機床的六根桿及其兩端鉸鏈,易于采用滾珠絲杠、關節(jié)軸承等通用件、標準件; (4)并聯(lián)結構各運動副分擔工作載荷,驅動功率遠小于同等規(guī)格的傳統(tǒng)機床,伺服系統(tǒng)成本降低,二、并聯(lián)機床技術的研究和發(fā)展,1) 并聯(lián)機床的多樣化結構 從并聯(lián)機構的驅動方式上,可將并聯(lián)機床分為內副驅動

7、、外副驅動及內外副混合驅動三大類;根據(jù)并聯(lián)機床機構的支鏈配置,可將并聯(lián)機床分為純并聯(lián)型、串并聯(lián)型、并串聯(lián)型三種;根據(jù)末端執(zhí)行器運動自由度的數(shù)目還可分為6自由度、5自由度、4自由度和3自由度并聯(lián)機床等。 以Stewart平臺為基本構型的各類并聯(lián)機床,包括美國某公司的VARIAX數(shù)控機床、英國某公司的Hexapods加工中心、清華大學VAMT1Y型虛擬軸機床原型樣機等,2) 并聯(lián)機床設計的理論研究概況,并聯(lián)機床的設計除包括機床結構形式的概念設計外,還包括運動學設計、動力學設計、精度設計、數(shù)控系統(tǒng)設計等方面,已經取得了諸多有價值的研究成果。 如:Raghavan得出Stewart平臺運動學正解結論;

8、 Innocenti和Cheok等人提出運動學數(shù)值解法; Gosselin、Merlet和 Ji的工作空間幾何解析法; Nguyen、Lee、Liu關于動力學建模,以及熊有倫提出動力學優(yōu)化設計策略; 建立的驅動部件誤差與終端誤差之間的關系; 多種運動學標定、提高機床加工精度的方法等。 這些研究成果為并聯(lián)機床的設計和應用奠定了理論基礎,3)并聯(lián)機床的研究方向,并聯(lián)機床組成原理的研究; 并聯(lián)機床結構設計的研究; 并聯(lián)機床剛度、精度、柔度、靈巧度的研究; 并聯(lián)機床模塊設計與創(chuàng)建; 并聯(lián)機床控制系統(tǒng)的研究,三、 并聯(lián)機床的特點,1. 結構簡單、價格低 機床機械零部件數(shù)目較串聯(lián)構造平臺大幅減少,主要由滾

9、珠絲杠、鉸鏈、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(tǒng)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(yōu)點,負荷分解的拉、壓力由六只連桿同時承受,且只承受拉壓載荷,其應力、變形顯著減小,故其擁有高剛性,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(jié)省材料的結構,它的移動件重量減至最低,因此機床很容易高速化,且擁有低的慣性,4. 加工精度高,由于采用多軸并聯(lián)機構組成,六個可伸縮桿桿長都單獨對刀具的位置和

10、姿態(tài)起作用,因而不存在傳統(tǒng)機床(即串聯(lián)機床)的幾何誤差累積和放大的現(xiàn)象,甚至還有均化效果(averaging effect);其擁有熱對稱性結構設計,因此熱變形較?。还仕哂懈呔鹊膬?yōu)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(jù)加工對象而將其設計成專用機床,同時也可以將之開發(fā)成通用機床,用以實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)象

11、。 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(shù)輸入,7. 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(tài)誤差(因為高剛性),以及動態(tài)誤差(因為低慣量,存在的問題,工作空間小, 工作臺面積與機床占地面積比 1:50-100 工件裝卸不方便 機床構件之間容易發(fā)生干涉,有效工作空間小 工件裝卸不方便,伸縮桿,主軸部件,工作臺,兩根桿件 發(fā)生干涉,四、并聯(lián)運動機床結構,1. 三桿并聯(lián)機床,萬向鉸鏈,立 柱

12、,主軸部件,球鉸鏈,固定桿長的桿件,移動滑板,結構原理,機床底座上有 3 根按照 120分布的立柱,立柱的頂端借助框形橫梁連接,以加強機床剛度。 機床由 3 組桿件通過球鉸支撐主軸部件,每組由兩根固定桿長的桿件組成。 桿件的位移由滑板移動來實現(xiàn),滑板由滾珠絲桿(直線電機)驅動,沿立柱導軌上下移動。 主軸部件可以實現(xiàn) 3 個坐標的運動,除完成切削加工工作外,還抓取待加工零件和放回加工完畢的零件,并聯(lián)機構,直線電動機沿導軌移動,萬向鉸鏈,固定桿長的桿件,主 軸,萬向鉸鏈,電滾珠絲桿,電滾珠絲桿是伺服電動機與滾珠絲桿的集成,具有減少傳動環(huán)節(jié)、結構緊湊等一系列優(yōu)點。采用電滾珠絲桿可以大大簡化數(shù)控機床的結構,電滾珠絲桿的結構,電動機轉子,滾珠絲桿,滾珠螺母,2. 六桿 Stewart 平臺的演化,Stewart 平臺,增加剛度和工作空間,兩層固定平臺,兩層固定平臺,萬向鉸鏈,伸縮桿,工作臺,兩層動平臺,兩層動平臺,立 柱,機床配置和原理,機床底座上有 3 根按照 120分布的立柱,立柱頂端借助框形橫梁連接,以加強機床剛度。 6 根伸縮桿分為3組分別通過萬向鉸鏈固定在立柱的兩側,構成不同高度的兩層

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