并联机床专题讲座(并联)1

一
化 。这 种 新 型 机 床 完 全 打 破 了 传 统 机 床结 构 的 概念 ，抛 弃 了 固 定 导 轨 的 刀 具 导 向方 式， 克服 了传统 机 床 刀具 作 业 自由度 偏 低 、 设 备 加 工 灵 活 性 和 机 动 性 不 够 等 固 有 缺 陷 ， 用 了多杆 并 联机 构 驱 动 ， 大提 高 了 采 大 机 床 的刚 度 ， 实 现 多坐 标 联 动 数控 加 工 、 可 装 配 和 测 量 多 种功 能 ，使 加 工精 度 和 加 工 质量都有较大的改进 。
工 业 技 术
并联 机 床 的 关键 技 术 ①
汪 哲 能
（ 阳财经工 业职 业技 术学院机 械工程 系 衡
湖 南衡阳
４ ０ ２ ２ ０ ） １
摘 要： 并联 机床 是一种新一 代的机床 ， 是一 种知识 密集型设备 ， 是现代机 器人技术和现 代数控机床技 术结合 的产物 。 自其 １ ９ ９ ４年在 美 国芝加哥机床展上 首次面世 即被誉 为是 “ １ 纪的机床 ” 成为机床 家族 中最有生命 力的新成 员。并联机床作 为机 床技术和机 器人技术 ２ 世 ， 相结合 的产物 ， 与传统结 构机床 相比 有很 大的不 同， 具有很 多的优点 ， 这一领域 有许 多关键技 术需要进行研 究和解 决。 在 关键词 ； 机床 并联机床 虚拟轴机床 关键技术 中图分类号 ： Ｇ ６ Ｔ ６ 文献标 识码 ： Ａ 文章编号 ： ６ ２ ３ ９ （ ｏ ８ １ （） ０ ８ ０ １ ７ － ７ １２ ｏ ） ｏ ｃ 一０ ６ — １ 并联机床（ ａ ａｌ ｃ ｉｅ Ｔ ｏｓ ， Ｐ ｒ ｌ ｌＭａ ｈ ｎ ｏ ｌ 又 业从 事各 种类 型 的 Ｓ ｅ ｅ ） ｔ ｗａ ｔ机床功 能 部件 ｒ 在 国外 ，从 并 联 机 床 的 设 计 到 制 造 已 称并 联结构 机床（ａａｌｌＳｒ ｃｕｅ － Ｐ ｒｌ ｔｕｔ ｒｄ Ｍａ 研究 、开 发 、生 产 与销 售 ， 志 了并 联 机床 经 实 现 了计 算 机 的 虚拟 设计 和仿 真 。在 虚 ｅ 标 ｃ ｉ ｅ Ｔ ｏｓ 、虚拟 轴机床（ ｒ ｕ ｌ ｈ ｎ ｏ ｌ） Ｖｉｔ ａ Ａｘ ｓ 商 品 化 时 代 的 开 始 。 ｉ 拟 环 境 下 可 以 实 现 机 床 的 模 型 构 建 ，在 模 Ｍａ ｈｉ ｅ ｃ ｎ Ｔｏ ｌ） 也 曾被称 为六条腿机 床 、 ｏｓ ， 此后 ， 世界各国纷纷成立专业从事 Ｓ ｅ ｒ 型 构 建 中可 以对 模 型 中 的 参 数 ，如杆 长 和 ｔｗａ ｔ 六足虫 （ ｘ ｐ ｄ ） Ｈｅ ａ ｃ ｓ 。并 联机床 是基 于空 间 机床 研 究 、开 发工 作 的相 关公 司 、基 地 ， 如 驱 动 器 的 种 类 型 号 、 机 床 的 总 体 平台 类 型 并联机构 Ｓ ｅ ｒ 平 台原理开 发的 ， ｔ ｗａ ｔ 以空 间 美 国的 ＭＩ Ｔ、ＮＩ Ｔ、ＯＲＮＬ、Ｓ Ｓ ＮＬ／ＮＭ 、 等 进 行 设 定 ， 可 以 实 现 虚拟 加 工 仿 真 。 并 并联 机构 为 基础 ，充分 利 用 计 算 机 数 字 控 Ｓ ／ＣＡ 等 。使并 联机 床 的研 究 、开 发进 ２ ＮＬ ２并 联机 床的运 动 学设 计研 究 ． 制的 优势 ， 以软 件取 代 部 分硬 件 ， 电气装 入 了 快 速 发 展 时 期 ，取 得 了 许 多 令 人 耳 目 以 并 联 机 床 运 动 学 设 计 包 括 工 作 空 间 定 置 和 电子 器件 取 代 部 分 机 械 传 动 ，使 将近 心 的研 究成 果 ， 产 品不 断 涌 现 。 新 义 与描 述 、 工 作 空 间分 析 与综 合 。 两 个 世纪 以 来 以 笛 卡 尔 坐标 直 线位 移 为 基 到 了 ２０００年 前 后 ， 联机 床在 运 动学 并 工 作 空 间是 评 价 动 平 台实 现 位 姿 的 能 础 的机 床 结 构 和 运 动 学 原理 发生 了根 本 变 原 理 、 机 床 设 计 方 法 、制 造 工 艺 、控 制 技 力 的主 要 标 准 。工 位 奇 异 性 研 究 主要 研 究

并联运动机床机床是完成特定金属加工过程（切削、锻压、激光加工等）的机器。

也称为工作母机或工具机。

说白了机床就是制造机械的工具。

因此机床工业是保证国民经济健康发展的基础工业，机床工业的发展水平也是一个国家工业化水平的重要标志。

所以机床的创新和制造对机械制造业绝对是十分重要的。

所以我们也可以看到到世界各地的机床研究机构和某些具有创新思想的机床公司都在探索新一代的机床。

而1994年开始出现并迅速发展的并联运动机床就是这种执着追求的产物。

首先说一下串联机构和并联机构。

串联机构是一组运动链串联而成。

它的特点是第一个运动链接受驱动器输入而开始运动，只用当它结束后，才开始第二个运动链的运动，以此类推。

最终由运动链n给出串联机构的输出。

串联机构的机构学上通常都是开环。

并联机构是一组两个或两个以上的分支结构并联而成。

它的特点是，所有分支结构可以同时接受驱动器输入，而最终给出输出，并联机构在机构学上多是闭环结构。

而对于机床而言。

并结构机床之前的机床机构多为串联。

还有一种结构便是混合并联结构。

再详细的说一下并联结构。

说到并联结构就必须要提一下Stewart平台。

它是stewart在1965年提出.一种新型的、6自由度的空间并联结构，它是由上下两个平台和六个并联的、可独立自由伸缩的杆件组成。

可以说stewart创造的这种空间并联结构是有划时代意义的。

这之后并联结构迅速发展，还解决了很多串联结构无法解决的问题。

六杆并联机床也是运用了它。

还要说的就是一个Tricept 机器人。

它由瑞典Neos Robotic公司开发。

它引出了另外一种并联运动机床：三杆并联机床。

而现在的并联运动机床大多就是六杆并联和三杆并联两种。

并联机构应用的领域可以说是非常的多。

如运载机器的模拟器很多飞行和赛车模拟系统都是运用并联结构为基础产生运动的效果。

还有工业机器人中的并联机器人，当然还有机床里的并联运动机床等。

如今开发者对并联结构的开发和创造都很积极。

机器人机构设计中最重要的步骤之一是解决机构型综合的问题,机器人机构构型方法的研究具有十分重要的理论和实际意义,尤其是并联机器人的型综合方法一直以来都受到国内外许多研究学者的关注。在并联机器人机构的构型理论研究中,基于机构末端运动特征描述与机构需要完成的功能的简单有效的构型方法还缺乏系统的研究。
并联机器人机构构型方法研究
1-3-5基于集合的综合方法
高峰
[139]
使用复合铰链综合具有确定运动特征支链的方法综合了多种少自由度并联机构，并提出了
一种特殊的Plücker坐标，用于描述机构和支链的运动特征。在此基础上，宫金良、高峰
[140-142]
进的机器人机构构型分析方法，使用四种运动基（移动基、转动基、左螺旋基
定义并联机构中第j个分支总的自由度数为
j
C，则有下式成立
=1 =1
∑=∑
mg
j i
j i
C f (1.4)
将(1.4)代入(1.3)消去
i
f后得到
∑= +
m
j
j
C M d l (1.5)
对于分支运动链结构相同，且分支数等于机构自由度数的对称并联机构，又有以下条件成立
m = M且l = M−1 (1.6)
标记法、哈明数法、对称群理论、图论法等，这些理论研究积累了丰富的经验，综合并创新了多种机构
[77-83]
。到目前为止，已经形成了比较完善的平面机构构型理论和方法。
近年来，国内外机构型研究主要集中在并联机器人机构构型问题上。并联机构的结构属于空间多环
河北工业大学博士学位论文
11
度的非线性约束，才能确定动平台运动输出特性，而自由度的非线性约束增加了型综合的难度。
形统一描述基本运动副和串、并联机构末端执行器运动类型的理论框架。该方法可被认为是李群代数法

1.1.5 并联机器人的特点
6）完全对称的并联机构具有较好的各向同性， 也使完全对称的并联机器人具有较好的各向同性。
7）并联机构的各运动支链的结构相同时，有 利于并联机器人的制造。
8）在位置求解上，并联机器人的运动反解容 易，运动正解困难，这有利于并联机器人的控制。
9）并联机构的使用寿命长。
1.2 并联机器人的分类
构件是机械系统中能够进行独立运动的单元体。 在并联机构中，刚性构件主要是连杆，弹性或柔性 构件主要是柔索。
运动副是指两构件既保持接触又有相对运动的 活动联接。在并联机构中，运动副有转动副、移动 副、螺旋副、圆柱副、虎克铰和球面副等，多为面 和面接触的低副。在机械工程中，通常又称这些运 动副为关节或者铰链。
(3) 并联机构的类型
图1-3 2-PRR的2自由度并联机构 图1-4 3-RPS的3自由度并联机构
(3) 并联机构的类型
图1-5 4-UPU的4自由度并联机构
图1-6 3-5R的5自由度并联机构
(3) 并联机构的类型
图1-7 6-UPU的6自由度并联机构 图1-8 4-SPS/S的3自由度冗余驱动并联机构
混联机器人
五自由度混联机器人
混联机器人
五自由度混联机器人
1.2.4 按并联机器人的连杆的刚度分类
按并联机器人的连杆的刚度，并联机器人可以 分为刚性和柔性并联机器人。
刚性连杆的并联机器人为刚性并联机器人。刚 性并联机器人的连杆由刚性的杆件组成，刚性的杆 件能受拉力和压力，变形量小，可使并联机器人有 高的精度。刚性并联机器人的运动支链主要是液压 缸、直线电机、滚珠丝杠和普通刚性杆，支撑或拉 动平台。
例：三D打印并联机器人
汽车纵横双向驻车坡度角检测并联机器人