并联机床的设计简述

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并联机床的设计简述
作者：孔庆善
来源：《硅谷》2008年第15期

[摘要]并联机床是90年代中期问世的新型数控加工设备，是安装刀具的动平台由多个支链
联结到固定平台，通过这些支链上的主动副驱动平台运动以改变刀具在空间的位置和姿态，从
而实现刀具对工件的进给运动。对并联机床的设计，主要从以下几个方面作简要的介绍：概念
设计、运动学设计、力学问题、精度设计与运动学标定、数控系统、关键基础件。

[关键词]并联机床 设计 运动学标定
中图分类号：TH12 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0810104－01

并联机床是90年代中期问世的新型数控加工设备，是安装刀具的动平台由多个支链联结
到固定平台，通过这些支链上的主动副驱动平台运动以改变刀具在空间的位置和姿态，从而实
现刀具对工件的进给运动。

一、同传统的结构形式的数控机床相比具有许多优点

系统刚度重量比大；响应速度快；机械木体的精度较高；环境适应性强；技术附加值高。

二、并联机床设计理论与关键技术

并联机床的设计主要包括以下几个方面：概念设计、运动学设计、力学问题、精度设计与
运动学标定、数控系统、关键基础件。

（一）概念设计。并联机床设计的首要环节，其目的是在给定所需自由度条件下，寻求含
一个主刚体(动平台)的并联机构杆副配置、驱动方式和总体布局的各种可能组合。按照作动器
在支链中的位置不同，并联机床可采用内副和外副驱动，且一般多采用线性驱动单元。机架结
构的变化可使得并联机床的总体布局具有多样性，但同时也使工作空间的大小、形状以及运动
灵活度产生很大差异。
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（二）运动学设计。并联机床运动学设计包括工作空间定义与描述，以及工作空间分析与
综合两大内容。

并联机床的工作空间是各支链工作子空间的交集，一般是由多张空间曲面片围成的闭包。
通常将灵活(巧)度工作空间的规则内接几何形体定义为机床的编程工作空间。对于纯6自由度
并联机床，动平台实现位置和姿态的能力是相互耦合的，即随着姿态的增加，工作空间逐渐缩
小。

并联机床的工作空间分析是在已知机床结构参数和各关节变量范围的条件下，分析刀具实
现位置和姿态的能力。并联机床的工作空间分析是一个很复杂的问题，它在很大程度上依赖于
机构位置解的研究结果。工作空间的分析方法主要有数值法和解析法。对于3-PSS机构，其位
置解完全可以解析表达，所以其工作空间也可以用解析式表达；而对于一般6自由度机构，其
工作空间很难用解析解表达，而是采用数值法求解工作空间。

（三）力学问题。力学分析是驱动器和控制系统设计的基础，包括静力学和动力学分析。
并联机构的动力学研究包括机构的受力分析、动力学模型的建立、计算机仿真、动态参数识别
等内容，其中动力学模型的建立是一个极其重要的方面。并联机构的动力学模型可以用于对机
构进行动力学模拟、动态分析和动力学优化设计等，具有重要意义。由于联机构的复杂性，其
动力学模型通常是多自由度，多变量、高度非线性、多参数耦合的复杂的系统，常见的建模方
法有牛顿一欧拉法、拉格朗日法、高斯原理及凯恩法。Fichter建立了Stewart平台机构的动力
学模型，给出了连杆驱动力与动平台惯性力以及驱动力的关系；Dasgupta和郭祖华用牛顿一欧
拉法对Ste Wart机构进行了动力学分析。方法由于采用了递推公式，需要以构件的加速度和角
加速度为基础，因此其计算量比较大。拉格朗日法是以系统的动能和势能建立的，免去了运动
学中求解加速度和角加速度的部分，其推导过程比较简便，并且总能得到形式较为简洁的动力
学方程。它既能用于系统动力学模拟，又能用于动力学控制，而且清楚地表示出各构件的耦合
特性。

（四）精度设计与运动学标定。精度问题是并联机床能否投入工业运行的关键。影响并联
机床精度的因素有静态误差和动态误差。前者主要包括零部件的制造与装配误差、铰链和丝杠
的间隙、稳态切削载荷和重力引起的误差；后者主要表现为热变形误差、结构与系统的动特性
与切削过程耦合所引起的振动产生的误差等。目前，由于尚无有效的手段实时直接地检测动平
台位姿信息，因而在无法实现全闭环控制的条件下，通过运动学标定改善并联机床的精度就显
得更加重要。

运动学标定，是提高并联机床精度的重要手段。运动学标定的基本原理是利用闭链约束和
误差可观性，构造实测信息与模型输出间的误差泛函，并用非线性最小二乘技术识别模型参
数，再用识别结果修正控制器中的逆解模型参数，进而达到精度补偿的目的。高效准确的测量
是实现运动学标定的首要前提。根据测量方法不同，目前大致有以下几种标定方法:

1．直接法。采用高精度测量仪器直接测量机床部件的几何参数。
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2．开环法。这是并联机构传统的标定方法，该方法关键之处在于利用高精度测量仪确定
动平台的位姿， 通过多个位姿的测量辨识出机床的运动学参数。

3．闭环法。闭环标定法是指标定过程中不仅可以包括动平台位姿的测量， 更多的是采用
附加传感器对主、被动副相对运动的测量。

4．任意性能评估检验法。例如采用传统的球杆仪在机床圆周运动精度检测和机床误差自
动诊断的同时就可以完成机床运动学参数的标定。

5．序列法。其依据以定点为圆心，以定长为半径转动轨迹包络为球面的原理对被动副进
行标定，以机床为参考坐标系可确定静平台运动副中心，以动平台为参考坐标系则可确定动平
台运动副中心。

6．样件法。在被标定机床上加工特殊的样件，在三坐标测量机上测量其精度，把数据进
行处理和优化，然后将其输入到并联机床控制系统，实现位置标定和补偿。

（五）数控系统。为了实现对刀具的高速高精度轨迹控制，并联机床数控系统需要高性能
的控制硬件和软件。系统软件通常包括用户界面、数据预处理、插补计算、虚实变换、PLC控
制、安全保障等模块，并需要简单、可靠、可作底层访问，且可完成多任务实时调度的操作系
统。实时插补计算是实现刀具高速、高精度轨迹控制的关键技术。

（六）关键基础件。关键基础件的专业化和系列化配套是建造高速高精度并联机床，实现
产品的可重组和模块化设计，以及大幅度降低制造成本的物质保证。并联机床所需的关键基础
件包括功率体积比大的高速电主轴单元、高速高性能直线电机、精密丝杠导轨副、结构紧凑且
可调隙的精密滚动球轴承和卡当铰，以及高精度光栅和激光测量定位系统等。

并联机床是90年代中期问世的新型数控加工设备，尚有许多理论与技术问题有待攻克。
经过机床设计工作者与机器人机构学工作者的通力合作和不懈努力，大力加强对并联机床的理
论研究与工程实践，并联机床一定会具有更良好的前景。

参考文献：
[1]余海宁，王天成，王维模，并联机床的设计理论与技术关键[J]现代机械，2004，03.
[2]朱煜，汪劲松，张华，张永忠，并联机床构型及其设计方法初探[J]中国矿业大学学
报，2003，03.

[3]胡天苗，吴江宁，李世伦，新型并联式六自由度机床的工作原理、技术特点及设计型
式[J]机床与液压，1997，01.
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