并联运讲义动机床
并联运动机床概述
并联运动机床概述并联运动机床是指多个工作台或刀架可以同时进行运动的一种机床。
它通过使用多个独立的工作台或刀架，使得机床在同一台机床上可以同时进行多个加工操作。
这种机床一般由主轴、驱动装置、工作台和控制系统组成。
并联运动机床在工业生产中具有广泛的应用，可以提高工作效率，节约生产成本，对于批量生产和多种类型产品的加工都具有较大的优势。
首先，从加工效率上来看，由于并联运动机床可以同时进行多个工艺操作，可以大大缩短加工时间。
例如，在铣床和镗床的组合机床中，通过同时进行铣削和镗削操作，可以使得零件的加工时间减少一半以上。
这对于生产效率提高有着明显的作用。
其次，从生产成本上来看，由于并联运动机床可以在同一台机床上完成多个工艺操作，减少了物料的输送和处理环节，降低了生产线的长度和设备数量，节约了生产空间。
同时，只需要一个操作工人，减少人工成本。
另外，并联运动机床的能耗也较低，不仅节能环保，还能降低生产成本。
此外，并联运动机床还有以下几个优点：一是具有高精度和高稳定性，可以保证产品的质量和稳定性。
二是具有较强的适应性，可以根据不同的加工要求进行调整和改装。
三是具有较好的安全性，由于多个工作台或刀架可以同时进行运动，避免了工件的迎剪和碰撞现象，减少了事故的发生。
不过，并联运动机床也存在一些不足之处。
首先，由于机床结构复杂，维护和保养难度较大。
其次，并联运动机床的控制系统需要进行复杂的编程和调试，需要专业的技术人员进行操作和维护。
另外，并联运动机床的投资成本较高，对于一些小企业来说可能承担不起。
综上所述，并联运动机床具有较高的加工效率和生产效果，对于提高企业的生产能力和竞争力有着积极的作用。
随着制造业的发展，越来越多的企业开始采用并联运动机床。
未来，随着科技的不断进步和机床制造技术的提高，相信并联运动机床会在产业生产中发挥越来越重要的作用。
《并联运动机床》PPT课件 (2)
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3.加工速度高、惯性低
如果结构所承受的力会改变方向，(介于 张力与压力之间)，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 很容易高速化，且拥有低的惯性。
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4. 加工精度高
由于采用多轴并联机构组成，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 不存在传统机床(即串联机床)的几何误差累积 和放大的现象，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 形较小；故它具有高精度的优点因：
（1）虚轴机床是用复杂的数学运算和相对简单的 机械结构来实现复杂型面的加工，降低了结构制 造成本；
（2）虚轴机床具有轴对称的基本结构，其对称部 件易于实现模块化设计和批量生产；
（3）决定虚轴机床精度的关键部件是机床的六根 杆及其两端铰链，易于采用滚珠丝杠、关节轴承 等通用件、标准件；
万向铰链
固定杆长 的杆件
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主轴 万向铰链
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电滚珠丝杆
电滚珠丝杆是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 点。采用电滚珠丝杆可以大大简化数控机床的 结构。
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电滚珠丝杆的结构
电动机转子
滚珠丝杆 滚珠螺母
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2. 六杆 Stewart 平台的演化
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6. 使用寿命长
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 划伤、磨损或锈蚀现象。
Stewart平台适合于模块化生产。 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 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。
并联运动机床与传统机床的比较
并联运动机床与传统机床的比较并联运动机床与传统机床的构造见下列图所示。
并联运动机床与传统机床的比较并联运动机床是以机床框架为固定平台的若干个杆件组成空间并联机构，主轴部件安装在并联机构的动平台上，工作台与机床框架连接在一起。
改变杆件的长度或移动杆件的支点，按照并联运动学原理形成刀具相对于被加工零件的运动轨迹。
并联运动机床与传统机床相比，具有以下优异的性能：运动精度高。
可实现高速加工。
机床刚性好。
构造简单。
由于并联运动机床具有上述显著优点，目前已成为高速高效高柔性加工设备的一个新的发展方向，但是它也存在一些缺点，如控制计算极其复杂，杆件的热变形对机床的加工精度影响比较严重，机床加工的有效空间相对于机床本身体积所占比例较小。
并联运动机床的主要部件相对于传统机床，并联运动机床机械构造简单，模块化程度高，并且具有可重构性。
并联运动机床主要由主轴、杆件及其驱动等机电—体化功能部件及固定平台、动平台、框架等组成。
（1）主轴部件并联运动机床的主轴大多数采用电主轴，其电动机的转子和主轴是一体的，无需任何机械连接。
主轴转速的调节采用变频调速，改变电动机的供电频率，即可实现主轴转速的调节。
下列图为IBAG公司生产的主轴系统。
主轴系统主要包括电主轴及安装调整板、可编程控制器和主轴驱动、主轴冷却系统和润滑系统、刀具夹紧液压系统等组成。
主轴系统（2）杆件杆件是并联机构的运动输入构件。
杆件的物理构造包括机械构件、电气器件、液压部件以及它们的组合，可分为固定杆长和可变杆长两大类。
可变杆长的并联机构，杆件的基点固定，杆件的工作长度可变；固定杆长的并联机构，杆件的长度固定不变，杆件的基点位置可以变化。
从运动学的角度来看，杆件是具有一定刚度的刚体，杆件长度的变化或杆件基点的移动决定了动平台(主轴部件)的运动速度、加速度、位置和姿态。
下列图是固定杆长杆件。
杆件的两端安装有万向铰链，分别用于连接直线电动机滑板和主轴部件动平台。
杆件由管材制成，通过螺纹与万向铰连接。
并联机床加工中心的研制与应用
测量轨迹
刀具轨迹生成
多台机床相连，与它们进行数据交换 置描述等功能；轨迹描 并实行远程控制。这种方式节约了 述 文 件 是 基 于 A P T 语
测量运动指令生成
加工仿真优化
软件资源，便于集中管理和监控。 言 开 发 的，用 户 使 用 基
机床指令生成
（5）刀 库：机 床 刀 具 的 管 理 中 本 的 轨 迹 元 素、特 殊 点
应用
c. 运行监控和错误处理子模块。
本课题ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ制的并联机床加工中
系统中，对于运行监控和错误处 心适用于机械制造业中的铣削加工，
理的任务有如下分工：P L C 负责对 尤其适合复杂自由曲面零件的加工。
各部分电气的逻辑关系、电主轴系统 自由曲面是工程中最为复杂而又经
和刀库系统进行监控；运动控制卡 常遇到的曲面，航空、造船、汽车、能
心。可安装 24 把刀具，并且可以实 和 直 线，可 以 方 便 地 建
现加工过程的自动换刀。刀库的控 立轮廓轨迹；运动控制 制由 P L C 和主控计算机联合实现。 数据文件由刀具轨迹描
有效测量代码
有效加工代码
P L C 负责刀库的转刀和换刀过程 , 述 文 件 经 刀 具 补 偿、轨 主控计算机控制转刀和换刀的开启。 迹 插 补 等 运 算 后 产 生，
一种新概念机床。并联机床正逐步 走入人们的视野，成为研究的热点。
本课题在结合并联机构和数控
图 1 并联机床加工中心
50 航空制造技术·2009 年第 5 期
未来机床 Future Machine Tool
从 图 2 可 以 看 硬件和软件两部分组成。其中，硬件
定平台
伺服电机 出，并联机床并非真 部分产生运动，是整个数控系统的执 实 存 在 X、Y、Z、A、 行 者；利 用 V C + + 开 发 的 数 控 系 统
五面加工并联运动机床
１ 总 体 配 置
Ｐ Ｏ Ｍ型 和Ｐ ０ ０ ８Ｏ ２ ０ 型并 联 运 动 机床 的总 体 配 置设
Ｗ Ｍ ＥＭ ２期 ２ ０ ０ ７年 ４月
图 ３ ５ 并 联 机 构 的工 作 原理 杆
ｌ９ ｌ
维普资讯
产 品与技 术
Ｐｏ ｕ ｔ ｒｄ ｃｓ＆ Ｔ ｃ ｎｌｇ ｅｈｏ ｙ ｏ Ｐ ０ Ｍ型并联 运动 机床 的主要 技术 规格 如表 １ ８０ 。
３ ｝ ； 目 ； 塑
ＨＫ３ Ｓ ６
： ； ： ： ；
主 轴偏转角 度 ＿ ＿： 鳓 ≤ ： ，； ≥ ≯ 《 囊ｌ
最 大加 速 度 （ ／。 ｍ ｓ ） １ ２
这种５ 杆配置 使机 床具有 以下 特点 ： （ ）机 床运 动部 件 的质 量很 小 ，采 用 功率 小 的 １ 驱 动装 置 就 可 以达 到很 高 的加 速度 ，所 产 生 的惯 性
所示 。
够 真 正 进 行 ５ 加工 ，其 外 观 和 内部 工 作 空 间 如 图２ 面
图 １ 串 联 、并 联 运 动 机 床 的 基 本 概 念
并 联 运 动 机 床具 有结 构 简 单 、 刚度 高 、 动态 性
能好 等一 系 列 优 点 ，应 用 前 景 广 阔 。但 早 期 的并 联 运动 机床有 ２ 个共 同的缺点 ：
摘 要 ：文章介 绍 了一种 结 构新 颖 、 高速加 工 用的并 联运 动机 床 。它采 用５ 并联 机 构和５ 驱 动 的主 轴 杆 环
加 工 。 同 时 对 高 速 加 工 的 开 放 式 数 控 系统 作 了 简要 的 阐 述 。
部件 ，在 并联 运 动机 构理 论上 有 所 突破 ，从 而 实现 主 轴部 件 的偏 转 角大 ６９ 。 －０ ，能 够 真正 实现 五 轴联 动 、五 面
并联运动机床
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。
新型三自由度并联机床概念设计与运动分析
１ 上虎 克铰 （ 动 平 台相 连 接 ） 两 个 转 轴 轴 ） 与 的 线 与下 虎克 铰 （ 静 平 台连 接 ） 两 个 转 轴 轴 线 相 与 的
互 平行 ；
与 两平 台 联 接 ， 间 有 一 平 动 机 构 使 平 台保 持 平 中 动 。通 过 三根 杆 的伸 缩 使 活 动 平 台带 动 磨 头 在 空
国 内有 许 多科 研 院 所 对 少 自由度 并 联 机 床 进
平台和三个长度相 等的定长杆 组成 ， 固定平 台、 运 动平 台和定长杆件通过 虎克铰相连 。该机构有 以
下 特点 ：
行了研究 ， 如东北大学研制的 ３ＰＴ型并联机床 ， 一１ ｒ Ｊ
应 用 于钢 铁 企 业 中 的钢 锭 修 磨 。其 固 定 平 台与 活
ｇ
∑ 一 ６ Ａｌ （一 ）
（） ４
￥４ １ ０ ０ ０ Ｌ ｏＯ 一ＬｉＯｉ￣） ＝（ ， ， ； ，ｃｓ ， ｓ ｓ ｎ ｎ
运动链 。分析时， 可将具有两个 自由度 的虎克铰用 两个转动副来等值代替。这样 ， 相当于有 ４个运动
１ ４期
王 海东 ， ： 型三 自由度 并联机床概念设计与运动分析 等 新
副 。这 ４个运 动 副均 以线矢 表示 ， 应用 螺旋 理论 ， 该
支链 的运 动 螺旋 可表示 为
￥１ １０ ０； ， ， ） ＝（ ， ， Ｏ ０ ０
１ 新 型三 自由度并联机床 的结构设计
由于 并联 机床 的设 计 是 以并 联机 构 为基 础 的 ， 而并 联机 构 的运 动关 节 中通 常 包 含 有 一 些 复 合 运 动副 ， 如球 副 、 克 铰 、 行 四杆 机构 等 。为 了构 造 虎 平 三 自由度 新 型 并 联 机 床 ， 首先 分 析 定 义 为 运动 副 的运动 特点 。
三支脚并联运动机床的特点及典型应用
（ ）一 次性 装 夹 完 成 多面 加 工 ２
机 床 的 灵 活性 很 强 ，其主 轴 矢 量 方 向可 以 覆盖 空 间
关节的 回转运动均采用轴承 ，没有球铰链 ，故关节
点结构简单 ， 制 造 容 易 ， 精 度保持性好 ， 维 修 方 便 。 图２ 所 示 为 关 节 点 结构示意 图， 回 转 座 ２ 过 通
轴 承 １ ６ 水 、 绕 平 轴 旋 转 ， 电 动 机 座 ４通 过 轴 承 ３、 ５ 竖 绕
（ ）应用 灵活 ４
三支脚并联机床既 可设计成
常规加工中心 ，又可安装于龙门架上 ，或装置于行 走轨道上 ，以小加 工大 ，加工精度均 由并联结构 自
身 保 证 ，即 根 据 用 户的 需 要 设 计不 同 的结 构 形 式 满
足 用 户加 工 需要 。
示 为 支 脚进 给 传 动示 意 图 。三 支脚 并 联机 床 的 所 有
难于 制 造 ，使其 成 为 所有 并 联 机 床 的突 出问题 ，三 支脚 并 联 机床 成 功 解 决 了这 一 技 术难 题 ，其 关节 点
的任意方向，这种独特 的性能使得并联机床从理论
上 能 够 在 一次 装 夹 便 可加 工工 件 的所 有 面 ，能够 在
一
次装夹内便可完成５ （ 面 甚至６ 面）的加工 ，轻松
一
触 。 ④为 保证 支 撑 工作 时 的稳 定 ，我们 设 计 了 定位 伸 缩杆 。伸缩 杆 可 随 着工 件 的调 节 上 下移 动 ，避 免 了工件 的 左右 摇摆 。
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新一代并联机床
该机床是 哈尔滨工业大学 研制的用于加工 汽轮机叶片的商 品化的新一代并 联运动机床。
• 特点：
该机床的结构特点是采用典型的Stewart平 台，上平台固定在机床的龙门框架上，以提 高机床的刚度。通过由伺服电机驱动滚珠丝 杠的 6个伸缩杆，带动固定在动平台上的主轴 部件，实现主轴在工作空间6个自由度的运 动。
2. 在Ｙ向与Ｚ向，采用二力杆支撑虚拟臂结 构，二个立柱上分别设计有滑板，虚拟臂则 安装于各自相应的滑板上，二个虚拟臂之间 通过一高精度回转轴相互联结。
3. 机床电主轴固定在回转轴端面上，摆杆通 过伸缩杆的伸长与缩短，可使铣头作ＹＺ 平面内的回转。
4. 该机床可使刀具相对工件具有Ｘ、Ｙ、 Ｚ、Ａ四个自由度，实现四轴联动，其中 Ｙ、Ｚ、Ａ为虚轴。
2. 机床刚性好，整体性好。 3. 由于具有五轴联动功能，因此，可以加工
复杂型面，如叶轮、模具等。采用开放式 多轴联动数控系统易于实现CAD／CAM。
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数控龙门虚拟轴机床
该机床是江 东机床厂与清华 大学共同努力研 制的并联与串联 混合结构的数控 龙门虚拟轴四轴 联动机床。
• 特点：
1. 该机床将Ｘ纵向定于龙门式框架结构的工作 台上，简化了虚拟轴铣床铣头的多维运动， 并扩大了加工工作范围。
并联运动机床
• 并联机床的特点：
1. 结构简单、价格低。 2. 结构刚度高。 3. 加工速度高，惯性低。
4. 加工精度高。 5. 多功能灵活性强。 6. 使用寿命长。 7. 变换座标系方便。
并联运动机床
五轴联动并联机床 数控龙门虚拟轴机床
新一代并联机床
并联车削中心
数控镗铣虚拟轴机床
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DCB510特点：
1. 3根立柱固定在机床底座上，顶端由多边 形框架连接。每根立柱上有导轨，滑板在 滚珠丝杆驱动下沿导轨移动，通过6根固定 杆长的杆件将主轴部件吊起，使主轴实现3 个直角坐标的移动。
2. 在机床前方的垂直台面上，可以安装8~12 把固定刀具或旋转刀具，除完成车削加工 外，还可以进行铣削、激光硬化、激光焊 接、磨削等工序。
DCB510是 大连机床集团最 新开发设计的一 台串并联型五轴 联动数控机床， 本机床数控软件 由清华大学负责 设计。
• 结构特点：
1. X．Y．Z三坐标由滑板连杆式三个虚轴并 联而成，A轴、C轴为实轴。由于采用了 串、并联结构，本机床即有并联机床刚性 好、移动部件轻、速度快、加速度高的特 点，同时又有各坐标工作范围的特点，其 X.Y.Z坐标分别为630.630.500mm行程，A 轴可达140°，C轴可以超过360°。
3. 主轴除完成加工任务外，还同时承担工件 的装卸。
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数控镗铣虚拟轴机床
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