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并联机床和可重构机床的发展

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年美国Giddings & Lewis公司在芝加哥国际机床展览会上首次展出名为VARIAX(变异型)加工中心的这种机床以来，倍受各国重视，比如欧盟就设立了PKM科研专项，在历届着名的国际机床展览会上都相继展出了一些经过改进的新产品，中国的高等院校与机床制造商也合作推出了几种形式的并联机床。总之，无论国际还是国内现在都在大力推进并联机床的实用化。

传统的金属切削机床，本质上是“串联”机构。而图1所示的基于Stewart平台的典型纯并联六自由度机床，相对传统机床来说，具有如下优点：硬件结构简单，刚度/重量比大，制造成本相对较低；运动部件轻，惯性小，响应速度快，易於实现高的速度和加速度；配置灵活，在动平台上可以选配不同的工作头(旋转刀具头、高能束加工头、测量头等)来进行不同的作业；理论上运动和定位精度可以达到很高，这是由于六根变长杆长度变化的误差对动平台空间位置精度的影响，不是像传统机床那样累计迭加而是具有均化倾向。

不过，并联机床也存在一些缺点和问题，例如：

其动平台在工作空间的运动，要通过从虚轴空间(并不存在的运动座标轴)到实轴(变长杆长度)空间的非线性映射来实现，而且实轴空间存在深度耦合，因此其控制软件要比传统机床复杂；

在相同的外观尺寸下，其有效工作空间要比传统机床小得多且不直观，特别是动平台主轴头能实现的最大姿态角一般小于30°；

虽然并联机床的空间定位精度理论上可以达到很高，但实际上受一些因素的制约，比如其关键元件高精度铰关节的设计制造仍较困难等原因，迄今其动平台的空间位置精度基本上还处于10微米级的水平。

为了解决并联机床工作空间小、特别是主轴头姿态角严重不足影响5轴联动加工能力的问题，世界上相继推出了各种不同串并联组合的所谓混联机床，其中最常见的是由三自由度并联机构实现平动和由传统串联机构实现转动的混联机床，从而使平动和转动解耦。与纯并联六自由度机床相比，这种机床不仅工作空间较大和能进行大倾角多座标数控加工，而且由于位置和速度正逆解均存在解析解答，为数控编程和误差补偿创造了有利条件。

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、粘度杯卧式和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五彩古玩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不仅适于特别是国外有些企业已开始针对中国市场特别进行技术研发高速加工复杂曲面的铝材零件车载CD，而且可以对钢和铸铁货运代理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。

理论和实践都证明，并联机床很适於高速加工复杂曲面零件，目前也正向实用化方向发展，但真正要在工厂中较普遍应用还需经过艰苦的努力才能实现。虽然串并联组合的混联结构在扩大机床的工作空间、特别是在增大主轴头空间姿态角方面已取得较大成效，但并联机床的承载能力、特别是主轴头在空间的位置精度还极待提高。这除了从运动学和动力学角度进行研究改进外，改善制约并联机床刚度和精度的薄弱环节—关节结构的性能也是当务之急，所以必须重视结构尺寸小、承载能力强和精度高的复合滚动关节的开发和生产。此外，运动学标定即精度补偿也是提高并联机床精度的重要手段，除上文所述使用高精度激光测量仪的外部标定方法外，还可在机床内部安装传感器获取信息进行自标定(一般是在从动关节上安装精度高和抗干扰能力强的检测元件)。尽管还有上述种种问题需要解决，但并联机他表示床成为传统高速加工机床的重要补充已为期不远了。

可重构机床

当前，数控机床为了满足更多不同零件的加工工艺要求，正在不断增加加工功能，但在实际批量生产中，通用数控机床的功能利用率相当低。德国一教授曾对22个国家370家批量生产的机械制造企业进行过调查，发现有近80%的加工中心只利用其20%的功能。显然一味采用复合加工功能的办法来提高机床设备的生产柔性和生产效率并不一定经济合理，因此人们又提出了可重构机床(Reconfigurable Machine Tool)的概念。

顾名思义，可重构机床的核心是使用过程中的可重构性，用户可以根据所生产产品的变化对机床的结构、布局乃至加工功能进行改变，而且每次重构都要力求做到基本上无冗余功能。显而易见，机床的重构需要通过改变某些功能部件才能实现，因此可重构机床一定是模块化机床，而且应当是以用户为中心的模块化机床。所谓以用户为中心，是指组成机床的软、硬件模块必须遵守国家或行业的而不是企业自订的标准，特别是各模块之间要具有标准化的接口，当然与制造系统的接口也应当是标准化的。

虽然可重构机床理论上可以频繁重构，但实际应用中应尽可能减少重构次数且重构时要尽可能避免改变主要结构，才符合经济性原则和有利於保持机床精度。这涉及可重构机床可能的加工对象、应具有的功能和功能模块的划分等许多重构策略方面的问题，对这些问题尚需进行深入系统的研究。不过笔者还认为，可重构机床可能更适合在大、中批量生产条件下使用。另方面也不难看出，使用可重构机床的用户要储备一定备用的机床功能模块，这可能会影响到它的推广使用。有人认为建立若干地区性的机床功能仓储服务中心可以解决这一问题，当然这还有待将来实践的检验。

可重构机床目前尚处于研究阶段，迄今尚无公认的原型机制造出来，图5所示是美国密西根大学Yoram Koren等人提出的可重构机床概念图。尽管可重构机床离实用化还有一段距离，但它作为可快速重组制造系统(RRMS)的一项重要单元技术，可快速形成对更新产品的批量生产能力，肯定具有发展潜力。机床很多使用单位在招标时没有认真斟酌产品性能和标准制造商应未雨绸缪，现在就给予足够的关注。(end)

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