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并联机床和可重构机床的发展

作者:  信息来源:info.mt.hc360.com  2006-4-2

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本文分析了并联机床特别是其中混联结构的现状与发展趋势,并且还介绍了可重构机床的基本概念。 并联机床 基于Stewart平台原理的并联机床,目前在国际上一般称为并联运动学机器(Parallel Kinematic Machine, PKM),过去中国也称其为六条腿机床或者虚拟轴机床。由于并联机床是机床结构的重大革新而具有许多优点,自1994年美...

    瑞典NEOS ROBOTICS公司的三杆并联机床Tricept,是目前实际生产中应用最多的并联机床。在此并联机构基础上开发的Tricept 845加工中心,X、Y、Z三个自由度由三杆并联机构来完成,两个转动自由度则由传统的复合转台来实现。由三杆并联机构驱动的主轴头,最大进给速度可达90m/min,加速度2g,电主轴最高转速24,000或30,000r/min,功率30/45kW。该机床为模块化结构,除可选配复合转台外,也可选配普通工作台、单座标转台或交换工作台,主轴也有立式、卧式和45°安装三种形式。其空间定位精度不高(据说已由原来的50μm提高至25μm),但已具有实用价值。

    这种类型的串并联组合还有另一种布局结构,即三个移动轴仍由三杆并联机构来实现,而两个转动轴由动平台下串联的主轴头来完成。德国着名的机床制造商Deckel Maho公司在获得使用Tricept结构的许可後,依靠自身在机床领域积累的经验,重新设计了床身、万能主轴头、驱动杆和球铰等重要部件,开发出Tricenter (DMT 100)铣削中心(图3)。这台机床工作台固定不动,由三杆并联机构实现X/Y/Z轴移动,行程达1500/800/700mm,相应的最大进给速度100/50/50m/min,加速度2g,进给力5kN。串联的主轴头A轴转角0°-120°,C轴转角±180°。所使用的电主轴最高转速24000r/min,功率27kW,力矩90Nm,刀柄HSK63A。

    该机床不仅工作空间大和主轴头能实现大的姿态角,而且由於使用了激光标定,主轴头空间的位置精度可达4~12μm。所谓激光标定,是利用高精度激光测量仪对主轴头在整个加工区域的空间位置进行测量(一般要测量200个点),再借助专门开发的标定算法,按实测信息修整CNC控制器中的逆解模型参数,以进行精度补偿。Tricenter不仅适于高速加工复杂曲面的铝材零件,而且可以对钢和铸铁工件进行高效率加工。Deckel Maho公司计划在2002年把这台机床交世界知名的Airbus公司实际使用。

    中国大连机床集团与清华大学合作开发的5轴联动并联机床DCB510,也是三个移动轴由并联机构实现、两个转动轴由动平台下串联机构实现的混联结构(图4)。其X/Y/Z轴行程为630/630/500mm,A轴最大转角140°,C轴最大转角380°。不过它是用滑板和定长杆来代替可伸缩杆,每付定长杆由双杆组成(也可用三杆组成),而且定长杆一端的铰支固定在滑板上,这样虽然结构稍微复杂一点,但有利於提高机床的刚度和精度。此外,这种结构形式滑板的驱动不仅可以用滚珠丝杠,也可用直线电机直接驱动。

    串、并联组合的混联机床还有其它结构形式,比如美国Cincinnati公司针对航空工业开发的龙门移动式高速数控铣床Hyper Mach,其X轴行程最长46m,Y轴行程2m,由直线电机驱动,但仍为传统的串联机构,其独特之处在於采用了德国DST公司开发的Z3主轴头。这种主轴头由三轴并联机构和主轴部件组成,除了主轴可以高速转动外,主轴头自身由并联机构驱动实现Z轴进给和绕A轴与B轴转动(±40°)。
    并联机床的应用领域还在扩大,最近又把开发目标向车床扩展。比如德国Index公司开发的V100倒置式立车,其主轴平台在上,由三杆并联机构驱动不仅可以实现X、Z轴的移动,而且多出的一个自由度还可用於车床的自动上下料。其转塔刀架在主轴平台下方,只转动不移动。

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