并联运动机床
机械毕业设计395并联机床实验台总体结构设计
第1章绪论1.1课题背景与意义为了提高对生产环境的适应性，满足快速多变的市场需求，近年来全球机床制造业都在积极探索和研制新型多功能的制造装备与系统，其中在机床结构技术上的突破性进展当属90年代中期问世的并联机床(ParallelMachineTool)，又称虚(拟)轴机床(VirtualAxisMachineTool)或并联运动学机器(ParallelKinematicsMachine)。
并联机床实质上是机器人技术与机床结构技术结合的产物，其原型是并联机器人操作机。
与实现等同功能的传统五坐标数控机床相比，并联机床具有如下优点：刚度重量比大：因采用并联闭环静定或非静定杆系结构，且在准静态情况下，传动构件理论上为仅受拉压载荷的二力杆，故传动机构的单位重量具有很高的承载能力。
响应速度快：运动部件惯性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的动态品质，允许动平台获得很高的进给速度和加速度，因而特别适于各种高速数控作业。
环境适应性强：便于可重组和模块化设计，且可构成形式多样的布局和自由度组合。
在动平台上安装刀具可进行多坐标铣、钻、磨、抛光，以及异型刀具刃磨等加工。
装备机械手腕、高能束源或CCD摄像机等末端执行器，还可完成精密装配、特种加工与测量等作业。
技术附加值高：并联机床具有“硬件”简单，“软件”复杂的特点，是一种技术附加值很高的机电一体化产品，因此可望获得高额的经济回报。
目前，国际学术界和工程界对研究与开发并联机床非常重视，并于90年代中期相继推出结构形式各异的产品化样机。
1994年在芝加哥国际机床博览会上，美国Ingersoll铣床公司、Giddings&Lewis公司和Hexal公司首次展出了称为“六足虫”(Hexapod)和“变异型”(V ARIAX)的数控机床与加工中心，引起轰动。
此后，英国Geodetic公司，俄罗斯Lapik公司，挪威Multicraft公司，日本丰田、日立、三菱等公司,瑞士ETZH和IFW研究所，瑞典NeosRobotics公司，丹麦Braunschweig公司，德国亚琛工业大学、汉诺威大学和斯图加特大学等单位也研制出不同结构形式的数控铣床、激光加工和水射流机床、坐标测量机和加工中心。
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。
基于EMC2的并联运动机床的控制系统设计与仿真
２１ ０ ０年 ８月
文 章 编 号 ：０ １ ３ ９ （０ ０ ０ — １ １ ０ １ ０ — ９ ７ ２ １ ）８ ０ ７ — ２
机 械 设 计 与 制 造
Ｍ ａ ｈ ｎｅ ｙ Ｄｅ ｉ ｎ ｃ ｉ ｒ ｓｇ ＆ Ｍａ ｕａ ｔ ｅ ｎ ｆ ｃｕｒ １ ７１
基 于 Ｅ ２的 并联 运 动机 床 的控 制 系统设 计 与仿 真 ＭＣ
Ｖ ＿
６ ａｉ ａ ｐ ￣ ｒ ｅ ｒｕ ｈｉｔ ｄ ｃｎ ｅｍ ｄ ｌｎｏＡＤ ｌ ｏ ｗ ｓ ｅ ｏｍ ｄｔ ｏ ｇ ｒ ｕ ｉ ｔ ｏ ｅ ｔ ＡＭＳｗ ｉ ｅ ｏ ｓ ａ ｓ ｈ ｅｉ ｅｓ ｄ ｊ ｔ ｎ ｈ ｎｏ ｇｈ ｉ ｈｃ ｄ ｍ ｎｔ ｅ ａ ｔ ｖ ｒ ｍｏ — ｈ ｒ ｔｔ ｈ ｎ ｅ ｔ
； 要基础 。 ；
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关键词 ： 并联机床 ； 运动学逆解模开型 ； 开放式控制系统； ＭＣ Ｅ ２
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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
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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 。
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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。
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 。
三维平动并联机床的运动分析
度计 算公 式 ＿ ４ ］ 。黄 真 等 用 螺 旋 理 论 重 新 定 义 公 共 约 束 ，
给 出阶 的计算 方法 ， 从 而 确 定 机 构 的 自 由度 。
建 立 如 图 ２所 示 的 分 支 坐 标 系 ． 该 支 链 的 运 动 螺 旋 系为 ：
１ 机构 及 其 自 由度
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３年 ５月
近年来 。 由 于 并 联 机 器 人 相 对 于 串 联 机 器 人 具 有
刚度大、 精 度高 、 惯性小 、 负 载 大 及 动 力 学 性 能 好 等 优 点 。 在 工 业 生 产 及 其 它 领 域 有 着 广 泛 的 应 用 前 景 。 在
少 自 由度 并 联 机 构 中 ． 三 自 由度 的 并 联 机 构 是 其 中 很 有 实 用 前 景 的 一 类 ， 它 能 满 足 大 多 情 况 下 的 工 作 要
研 究 并 联 机 构 的 工作 空 间 。 利 用 Ｓ ｉ ｍＭｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ 模 块 根 据 机 器人 的 结 构进 行 建 模 ， 跟 踪 支链 末 端轨 迹 ， 绘 制 并 计 算 并 联 机
构 的 工作 空 间 。 分析表明 ， 该 机 床 具 有 工作 空 间 大 、 无 空 洞 以及 截 面形 状 规 则 等 优 点 ， 适合长方体作业空间、 工 业搬 运 等 领
三 维 平 动 并 联 机 床 的 运 动 分 析
口 张 罪霏 口 吴洪 涛 口
南京
严
伟
１ ． 南 京 航 空 航 天 大学 机 电学 院
２ １ ０ ０ １ ６ ２ ２ ５ ０ ０ ０
２ ． 扬 州 恒佳 机 械有 限公 司 江苏扬州
摘
并联运动机床1
同时，加工时主轴上刀具所受的切削力反力， 也依次传递给立柱、滑座，最终传递给床身，也 即末端所受的力按顺序依次串联地传至最前端。 此外，这些作用力一般不通过构件重心，必 然会产生弯矩和扭矩。 因此，前端构件不但要额外负担后端构件的 重力(重量)，而且还要考虑承受切削力。这样一 来，为了达到机床高刚度的要求，每部分结构件 需具有相应的体积和材料。
（3）并联机床的研究方向
• • • • • 并联机床组成原理的研究； 并联机床结构设计的研究； 并联机床刚度、精度、柔度、灵巧度的研究； 并联机床模块设计与创建； 并联机床控制系统的研究。
三、 并联机床的特点
1. 结构简单、价格低 机床机械零部件数目较串联构造平台大幅 减少，主要由滚珠丝杠、铰链、伺服电机等通 用组件组成，这些通用组件可由专门厂家生产， 因而本机床的制造和库存成本比相同功能的传 统机床低得多，容易组装和搬运。
2.传统机床的串联机构
虚轴机床与传统机床相比有许多优异的性 能。一般传统机床可看作是一个空间串联机构， 如图2所示，它的横梁、立柱等部件往往承受 弯曲载荷，而弯曲载荷—般要比拉压载荷造成 更大的应力和变形，所以为了提高机床刚性， 必须采用大截面的构件。 另外，当机床运动自由度增多时。需增加 相应的串联运动链，机床的机械结构变得十分 复杂。
由于该机床机构简单，控制方便，较容易 根据加工对象而将其设计成专用机床，同时也 可以将之开发成通用机床，用以实现铣削、镗 削、磨削等加工，还可以配备必要的测量工具 把它组成测量机，以实现机床的多功能。这将 会带来很大的应用和市场前景，在国防和民用 方面都有着十分广阔的应用前景。
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。
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• 并联运动机床：又称并联结构机床、虚拟轴机床。 并联机床是基于空间并联机构Stewart平台原理开 发的，是近年才出现的一种新概念机床，它是并 联机器人机构与机床结合的产物，是空间机构学、 机械制造、数控技术、计算机软硬技术和 CAD/CAM技术高度结合的高科技产品。
• 并联机床的特点：
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。 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
XNZ63新型并联机床是清华大学和昆明机床股份 有限公司联合研制，采用Gough—Stewart平台结构， 可6个自由度联动，上下平台均分层，有效地降低了各 支链干涉的可能。在设计和构建过程中，采用了最先 进的设计理论和一流的控制设备。该机在整个作业空 间中，刀具摆角均达到±25°，加工精度为±0.02mm， 最大速度可达15m/min，主轴功率10kW，最大转速 20000r/min
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°。
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。 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。
• 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。 返回
V100型并联车削中心 型并联车削中心
• 结构特点：
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。
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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。 返回
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。
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 新一代并联机床 数控镗铣虚拟轴机床 数控龙门虚拟轴机床 并联车削中心
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
DCB510五轴联动并联机床 五轴联动并联机床