《并联运动机床》课件.ppt

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1、 一、并联运动机床概述一、并联运动机床概述二、二、并联机床技术的研究和发展并联机床技术的研究和发展 三、并联机床的特点三、并联机床的特点四、并联运动机床结构四、并联运动机床结构五、并联机构的应用五、并联机构的应用新概念并联运动机床新概念并联运动机床一、并联运动机床概述一、并联运动机床概述1.新概念机床并联运动机床新概念机床并联运动机床 并联机床并联机床(Parallel Machine Tools)，又称，又称并联结构机床并联结构机床(Parallel Structured Machine Tools)，虚拟轴机床虚拟轴机床(Virtual Axis Machine Tools)，也曾被称为，

2、也曾被称为六条腿机床六条腿机床、六足虫、六足虫(Hexapods)、21世纪的机床世纪的机床。如图。如图1所示所示立立立立 柱柱柱柱主轴部件主轴部件主轴部件主轴部件工作台工作台工作台工作台杆杆杆杆 件件件件滑滑滑滑 板板板板工作空间工作空间工作空间工作空间 并联机床是基于空间并联机构并联机床是基于空间并联机构StewartStewart平台原理平台原理开发的，它是开发的，它是并联机器人机构与机床结合并联机器人机构与机床结合的产物；的产物；它克服了它克服了传统机床传统机床串联机构刀具只能串联机构刀具只能沿固定导沿固定导轨进给轨进给、刀具作业自由度偏低、设备加工灵活性和、刀具作业自由度偏低、设备加

3、工灵活性和机动性不够等固有的缺陷；机动性不够等固有的缺陷；可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种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。功能，更能满足复杂特种零件的加工。自其自其19941994年在美国芝加哥机床展上首次面世即年在美国芝加哥机床展上首次面世即被誉为是被誉为是“2121世纪的机床世纪的机床”，成为机床家族中最有，成为机床家族中最有生命力的新成员。生命力的新成员。2.2.传统机床的串联机构传统机床的串联机构 虚虚轴轴机机床床与与传传统统机机床床相相比比有有许许多多优优异异的的性性能能。一一般般传传统统机机床床可可看看作作是是一一个个空空间间串串联

4、联机机构构，如如图图2 2所所示示，它它的的横横梁梁、立立柱柱等等部部件件往往往往承承受受弯弯曲曲载载荷荷，而而弯弯曲曲载载荷荷般般要要比比拉拉压压载载荷荷造造成成更更大大的的应应力力和和变变形形，所所以以为为了了提提高高机机床床刚刚性性，必必须采用大截面的构件。须采用大截面的构件。另另外外，当当机机床床运运动动自自由由度度增增多多时时。需需增增加加相相应应的的串串联联运运动动链链，机机床床的的机机械械结结构构变变得得十十分分复杂。复杂。动立柱立式加工中心动立柱立式加工中心 传统的机床传统的机床(以动立柱立式加工中心为例，以动立柱立式加工中心为例，如图如图3 3所示所示)从基座从基座(床身床身

5、)至末端运动部件，经过至末端运动部件，经过床身到滑座床身到滑座(在床身上作在床身上作X X轴运动轴运动)；滑座到立柱；滑座到立柱(在滑座上作在滑座上作Y Y轴运动轴运动)；立柱到主轴箱；立柱到主轴箱(在立柱上在立柱上作作Z Z轴运动轴运动)的先后顺序，逐级串联相连接的。的先后顺序，逐级串联相连接的。因此，当滑座在作因此，当滑座在作X X轴运动时，滑座上的轴轴运动时，滑座上的轴和立柱上的轴也作了相应的空间运动，也即和立柱上的轴也作了相应的空间运动，也即后后置的轴必须随同前置的轴一起运动置的轴必须随同前置的轴一起运动。这无疑增。这无疑增加了轴运动部件的质量。加了轴运动部件的质量。同同时时，加加工工

6、时时主主轴轴上上刀刀具具所所受受的的切切削削力力反反力力，也也依依次次传传递递给给立立柱柱、滑滑座座，最最终终传传递递给给床床身身，也也即即末端所受的力按顺序依次串联地传至最前端末端所受的力按顺序依次串联地传至最前端。此此外外，这这些些作作用用力力一一般般不不通通过过构构件件重重心心，必必然会产生弯矩和扭矩。然会产生弯矩和扭矩。因因此此，前前端端构构件件不不但但要要额额外外负负担担后后端端构构件件的的重重力力(重重量量)，而而且且还还要要考考虑虑承承受受切切削削力力。这这样样一一来来，为为了了达达到到机机床床高高刚刚度度的的要要求求，每每部部分分结结构构件件需具有相应的体积和材料。需具有相应的

7、体积和材料。总之，传统机床的串联结构特性，必总之，传统机床的串联结构特性，必然会导致移动部件的然会导致移动部件的质量大、系统刚度低，质量大、系统刚度低，而成为机床致命的弱点；特别是当机床运而成为机床致命的弱点；特别是当机床运动速度高和工件质量大时，这些弱点更为动速度高和工件质量大时，这些弱点更为突出。突出。3.虚轴机床的并联机构虚轴机床的并联机构 虚虚轴轴机机床床的的基基本本结结构构是是一一个个动动平平台台、一一个个定定平平台台和和六六根根长长度度可可变变的的连连杆杆,如如图图4 4所所示示。动动平平台台上上装装有有机机床床主主轴轴和和刀刀具具，定定平平台台(或或者者与与定定平平台台固固连连的

8、的工工作作台台)上上安安装装工工件件，六六根根杆杆实实际际是是六六个个滚滚珠珠丝丝杠杠螺螺母母副副，它它们们将将两两个个平平台台连连在在一一起起，同同时时将将伺伺服服电电动动机机的的旋旋转转运运动动转转换换为为直直线线运运动动，从从而而不不断断改改变变六六根根杆杆的的长长度度，带带动动动动平平台台产产生生六六自自由由度度的的空空间间运运动动，使使刀刀具具在在工工件件上上加工出复杂的三维曲面（如图加工出复杂的三维曲面（如图5 5所示）。所示）。由由于于这这种种机机床床上上没没有有导导轨轨、转转台台等等表表征征坐坐标标轴轴方方向向的的实实体体构构件件，故故称称为为虚虚轴轴机机床床(Virtual

9、Axis Machine Tool)；由由于于其其结结构构特特点点，又又称称为为“并并 联联 运运 动动 机机 床床”(Parallel Kinematic Machine，PKM)；同同时时由由于于其其奇奇异异的的外外形形，西西方刊物上还常称之为方刊物上还常称之为“六足虫六足虫”(Hexapod)。如如前前所所述述，虚虚轴轴机机床床实实际际是是一一个个空空间间并并联联连连杆杆机机构构，其其六六根根杆杆即即为为六六根根并并联联连连杆杆，它它们们是是机机床床的的驱驱动动部部件件和和主主要要承承力力部部件件，由由于于这这六六根根杆杆均均为为二二力力杆杆，只只承承受受拉拉压压载载荷荷，所所以以其其应

10、应力力、变变形形显显著著减减小小，刚刚性性大大大大提提高高。由由于于不不必必要要采采用用大大截截面面的的构构件件，运运动动部部件件的的质质量量减减小小，从从而而可可采采用用较较高的运动速度和加速度。高的运动速度和加速度。虚虚轴轴机机床床还还被被称称为为是是“用用数数学学建建造造的的机机床床”。它它靠靠复复杂杂的的控控制制运运算算和和相相对对简简单单的的运运动动机机构构来来产产生生六六自自由由度度空空间间运运动动，大大大大简简化化了了机机床床的的机机械结构，是一种高技术附加值的产品。械结构，是一种高技术附加值的产品。虚轴机床的制造成本可能低的原因：虚轴机床的制造成本可能低的原因：（1）虚虚轴轴机

11、机床床是是用用复复杂杂的的数数学学运运算算和和相相对对简简单单的的机机械械结结构构来来实实现现复复杂杂型型面面的的加加工工，降降低低了了结结构构制制造成本；造成本；（2）虚虚轴轴机机床床具具有有轴轴对对称称的的基基本本结结构构，其其对对称称部部件易于实现模块化设计和批量生产；件易于实现模块化设计和批量生产；（3）决决定定虚虚轴轴机机床床精精度度的的关关键键部部件件是是机机床床的的六六根根杆杆及及其其两两端端铰铰链链，易易于于采采用用滚滚珠珠丝丝杠杠、关关节节轴轴承承等通用件、标准件；等通用件、标准件；（4）并并联联结结构构各各运运动动副副分分担担工工作作载载荷荷，驱驱动动功功率率远小于同等规格

12、的传统机床，伺服系统成本降低。远小于同等规格的传统机床，伺服系统成本降低。二、并联机床技术的研究和发展二、并联机床技术的研究和发展（1 1）并联机床的多样化结构并联机床的多样化结构 从并联机构的从并联机构的驱动方式驱动方式上，可将并联机床分为上，可将并联机床分为内副驱动、外副驱动及内外副混合驱动三大类；内副驱动、外副驱动及内外副混合驱动三大类；根据并联机床机构的根据并联机床机构的支链配置支链配置，可将并联机床分，可将并联机床分为纯并联型、串并联型、并串联型三种；根据末为纯并联型、串并联型、并串联型三种；根据末端执行器运动端执行器运动自由度自由度的数目还可分为的数目还可分为6 6自由度、自由度、

13、5 5自由度、自由度、4 4自由度和自由度和3 3自由度并联机床等。自由度并联机床等。以以StewartStewart平台为基本构型的各类并联机床，平台为基本构型的各类并联机床，包括美国某公司的包括美国某公司的VARIAXVARIAX数控机床、英国某公司数控机床、英国某公司的的HexapodsHexapods加工中心、清华大学加工中心、清华大学VAMT1YVAMT1Y型虚拟轴型虚拟轴机床原型样机等机床原型样机等 （2）并联机床设计的理论研究概况并联机床设计的理论研究概况 并联机床的设计除包括机床结构形式的概念设计外，并联机床的设计除包括机床结构形式的概念设计外，还包括运动学设计、动力学设计、精

14、度设计、数控系还包括运动学设计、动力学设计、精度设计、数控系统设计等方面，已经取得了诸多有价值的研究成果。统设计等方面，已经取得了诸多有价值的研究成果。如：如：RaghavanRaghavan得出得出StewartStewart平台平台运动学正解结论；运动学正解结论；Innocenti Innocenti和和CheokCheok等人提出等人提出运动学数值解法；运动学数值解法；Gosselin Gosselin、MerletMerlet和和 Ji Ji的的工作空间几何解析法；工作空间几何解析法；Nguyen Nguyen、LeeLee、LiuLiu关于关于动力学建模动力学建模，以及熊有伦，以及熊

15、有伦提出提出动力学优化动力学优化设计策略；设计策略；建立的驱动部件误差与终端误差之间的关系；建立的驱动部件误差与终端误差之间的关系；多种多种运动学标定运动学标定、提高机床、提高机床加工精度加工精度的方法等。的方法等。这些研究成果为并联机床的设计和应用奠定了理这些研究成果为并联机床的设计和应用奠定了理论基础。论基础。（3 3）并联机床的研究方向）并联机床的研究方向并联机床组成原理的研究；并联机床组成原理的研究；并联机床结构设计的研究；并联机床结构设计的研究；并联机床刚度、精度、柔度、灵巧度的研究；并联机床刚度、精度、柔度、灵巧度的研究；并联机床模块设计与创建；并联机床模块设计与创建；并联机床控制

16、系统的研究。并联机床控制系统的研究。三、三、并联机床的特点并联机床的特点1.结构简单、价格低结构简单、价格低 机床机械机床机械零部件数目零部件数目较串联构造平台大幅较串联构造平台大幅减少，主要由滚珠丝杠、铰链、伺服电机等通减少，主要由滚珠丝杠、铰链、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，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。统机床低得多，容易组装和搬运。2.结构刚度高结构刚度高 由于采用了由于采用了封闭性的结构封闭性的结构(closed-loop structure

17、)使其具有高刚性和高速化的优点，使其具有高刚性和高速化的优点，负荷分解的拉、压力由六只连杆同时承受，且负荷分解的拉、压力由六只连杆同时承受，且只承受拉压载荷，其应力、变形显著减小，只承受拉压载荷，其应力、变形显著减小，故故其拥有高刚性。其拥有高刚性。3.加工速度高、惯性低加工速度高、惯性低 如果结构所承受的力会改变方向，如果结构所承受的力会改变方向，(介于介于张力与压力之间张力与压力之间)，两力构件将会是最节省材料，两力构件将会是最节省材料的结构，它的移动件重量减至最低，因此机床的结构，它的移动件重量减至最低，因此机床很容易高速化，且拥有低的惯性。很容易高速化，且拥有低的惯性。4.加工精度高加

18、工精度高 由于采用多轴并联机构组成，由于采用多轴并联机构组成，六个可伸缩杆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不存在传统机床(即串联机床即串联机床)的几何误差累积的几何误差累积和放大的现象和放大的现象，甚至还有均化效果，甚至还有均化效果(averaging effect)；其拥有热对称性结构设计，因此热变；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。形较小；故它具有高精度的优点。5.多功能、灵活性强多功能、灵活性强 由于该机床机构简单，控制方便，较容易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

19、计成根据加工对象而将其设计成专用机床专用机床，同时也，同时也可以将之开发成可以将之开发成通用机床通用机床，用以实现铣削、镗，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削、磨削等加工，还可以配备必要的测量工具把它组成把它组成测量机测量机，以实现机床的多功能。这将，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。方面都有着十分广阔的应用前景。6.使用寿命长使用寿命长 由于受力结构合理，运动部件磨损小，且没有由于受力结构合理，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导轨，不存

20、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。划伤、磨损或锈蚀现象。Stewart平台适合于模块化生产。平台适合于模块化生产。对于不同的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。的机构参数输入。7.变换座标系方便变换座标系方便 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。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，可以降平台应用

21、于机床与机器人时，可以降低静态误差低静态误差(因为高刚性因为高刚性)，以及动态误差，以及动态误差(因为低惯因为低惯量量)。存在的问题存在的问题工作空间小，工作空间小，工作台面积与机床占地面积比工作台面积与机床占地面积比 1：50-100 工件装卸不方便工件装卸不方便机床构件之间容易发生干涉机床构件之间容易发生干涉有效工作空间小有效工作空间小 工件装卸不方便工件装卸不方便伸缩杆伸缩杆伸缩杆伸缩杆主轴部件主轴部件主轴部件主轴部件工作台工作台工作台工作台两根杆件两根杆件两根杆件两根杆件 发生干涉发生干涉发生干涉发生干涉四、并联运动机床结构四、并联运动机床结构 1.1.三杆三杆三杆三杆并联并联并联并联

22、机床机床机床机床万向铰链万向铰链万向铰链万向铰链立立立立 柱柱柱柱主轴部件主轴部件主轴部件主轴部件球铰链球铰链球铰链球铰链固定杆长固定杆长固定杆长固定杆长的杆件的杆件的杆件的杆件移动滑板移动滑板移动滑板移动滑板结构原理结构原理机床底座上有机床底座上有机床底座上有机床底座上有 3 3 根按照根按照根按照根按照 120120 分布的立柱，立柱的分布的立柱，立柱的分布的立柱，立柱的分布的立柱，立柱的顶端借助顶端借助顶端借助顶端借助框形横梁框形横梁连接，以加强机床刚度。连接，以加强机床刚度。连接，以加强机床刚度。连接，以加强机床刚度。机床由机床由机床由机床由 3 3 组杆件通过球铰支撑主轴部件，每组由

23、组杆件通过球铰支撑主轴部件，每组由组杆件通过球铰支撑主轴部件，每组由组杆件通过球铰支撑主轴部件，每组由两根两根两根两根固定杆长固定杆长的杆件组成。的杆件组成。的杆件组成。的杆件组成。杆件的位移由滑板移动来实现，滑板由滚珠丝杆杆件的位移由滑板移动来实现，滑板由滚珠丝杆杆件的位移由滑板移动来实现，滑板由滚珠丝杆杆件的位移由滑板移动来实现，滑板由滚珠丝杆（直线电机）驱动，沿立柱导轨上下移动。（直线电机）驱动，沿立柱导轨上下移动。（直线电机）驱动，沿立柱导轨上下移动。（直线电机）驱动，沿立柱导轨上下移动。主轴部件可以实现主轴部件可以实现主轴部件可以实现主轴部件可以实现 3 3 个坐标的运动，除完成切削

24、个坐标的运动，除完成切削个坐标的运动，除完成切削个坐标的运动，除完成切削加工工作外，还抓取待加工零件和放回加工完毕加工工作外，还抓取待加工零件和放回加工完毕加工工作外，还抓取待加工零件和放回加工完毕加工工作外，还抓取待加工零件和放回加工完毕的零件。的零件。的零件。的零件。并联机构并联机构万向饺万向饺万向饺万向饺直线电动机直线电动机直线电动机直线电动机沿导轨移动沿导轨移动沿导轨移动沿导轨移动万向铰链万向铰链万向铰链万向铰链固定杆长固定杆长固定杆长固定杆长的杆件的杆件的杆件的杆件主主主主 轴轴轴轴万向铰链万向铰链万向铰链万向铰链电滚珠丝杆电滚珠丝杆 电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集电滚珠丝杆是

25、伺服电动机与滚珠丝杆的集成，具有减少传动环节、结构紧凑等一系列优成，具有减少传动环节、结构紧凑等一系列优点。采用电滚珠丝杆可以大大简化数控机床的点。采用电滚珠丝杆可以大大简化数控机床的结构。结构。电滚珠丝杆的结构电滚珠丝杆的结构电动机转子电动机转子电动机转子电动机转子滚珠丝杆滚珠丝杆滚珠丝杆滚珠丝杆滚珠螺母滚珠螺母滚珠螺母滚珠螺母2.六杆六杆 Stewart 平台的演化平台的演化Stewart Stewart 平台平台平台平台增加刚度和工作空间增加刚度和工作空间两层固两层固两层固两层固定平台定平台定平台定平台两层固两层固两层固两层固定平台定平台定平台定平台万向铰链万向铰链万向铰链万向铰链伸缩杆

26、伸缩杆伸缩杆伸缩杆工作台工作台工作台工作台两层动平台两层动平台两层动平台两层动平台两层动平台两层动平台两层动平台两层动平台立立立立 柱柱柱柱机床配置和原理机床配置和原理机床底座上有机床底座上有 3 3 根按照根按照 120120分布的立柱，立柱分布的立柱，立柱顶端借助顶端借助框形横梁框形横梁连接，以加强机床刚度。连接，以加强机床刚度。6 6 根伸缩杆根伸缩杆分为分为3 3组分别通过万向铰链固定在组分别通过万向铰链固定在立柱立柱的两侧，构成不同高度的的两侧，构成不同高度的两层上平台两层上平台。6 6 根伸缩杆同样在不同高度通过球铰链与根伸缩杆同样在不同高度通过球铰链与主轴主轴部部件连接，构成不同

27、高度的件连接，构成不同高度的两层下平台两层下平台。伸缩杆的长度变化驱动主轴部件，实现加工轨迹伸缩杆的长度变化驱动主轴部件，实现加工轨迹所需的运动，工件固定在工作台上不动。所需的运动，工件固定在工作台上不动。驱动滑板驱动滑板驱动滑板驱动滑板长度固定长度固定长度固定长度固定的杆件的杆件的杆件的杆件机床立柱机床立柱机床立柱机床立柱万向铰链万向铰链万向铰链万向铰链主轴部件主轴部件主轴部件主轴部件万向铰链万向铰链万向铰链万向铰链电主轴电主轴电主轴电主轴万向铰链万向铰链万向铰链万向铰链万向铰链万向铰链万向铰链万向铰链Stewart 运动平台运动平台解码器解码器解码器解码器伺服电动机伺服电动机伺服电动机伺服电动机万向铰链万向铰链万向铰链万向铰链外层滚珠丝杆外层滚珠丝杆外层滚珠丝杆外层滚珠丝杆内层滚珠丝杆内层滚珠丝杆内层滚珠丝杆内层滚珠丝杆滚珠丝杆的结构滚珠丝杆的结构5杆并联机构驱动的主轴部件杆并联机构驱动的主轴部件 谢谢大家！谢谢大家！