直线电机与并联机床
并联机床和可重构机床的发展
并联机床和可重构机床的发展并联机床基于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。
图1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。
15-直线电机在机床工业中的最新应用及技术分析
・２・《机床与液压》２００４．Ｎｏ．６的生产量。
当今世界最优秀的超高速机床，可能要数日本Ｍａｚａｋ公司开发的ＨＭＣ乃一６６０Ｌ了（见图１）。
主轴可在１．６ｓ秒内从０加速到２００００ｒ／ｍｉｎ；由ＧＥＦＡＮＵｃ直线电机驱动三轴，快移速度高达２０８ｍ／ｍｉｎ，加速度３．２９，各轴在１２０ｍ／ｍｉｎ速度下进行高速加工，换刀时间只有２．４ｓ“。
我国广东工业大学开发了感应宜线电机驱动的高速加工中心ＧＤ一３型，额定进给力２０００Ｎ，最高速度达１００Ｉｎ／ｍｉｎ，定位精度达４“ｍ”１ｏ２００３年４月，在北京举行的ｃＩＭＴ２００３中国国图ｌＭｚａｋ的ＨＭｃ际机床展览会上，德国Ｆ３—６６０ＬＧＲＯＢ公司展出ＢＺ５００Ｌ高速卧式加工中心，主轴转速１８０００ｒ／ｍｉｎ，直线电机驱动ｘ、Ｙ、ｚ三轴，行程均为６３０ｍｍ，快移速度１２０ｎ∥ｍｉｎ，加速度分别为１９、１．２９、３．４９，换刀时间只有２．５ｓ；直线电机由ｓｉｅｍｅｎｓ制造。
参展的还有德国ＤＭＧ公司的ＤＭｃ６４Ｖ立式加工中心，ＥＭＡＧ公司的ＶＧ１１０Ｄｓ立式车磨中心，都使用了直线电机驱动技术。
北京机电研究院展出了一台立式高速加工中心，直线电机驱动ｘ、Ｙ轴，快移速度６０Ｉｎ／ＩＩｌｉｎ。
类似这些高速加工中心，代表着先进制造技术的未来发展方向。
２直线电机驱动超精密机床及其它机床尖端技术、微电子工业等离不开精密和超精密加工（ｕｈｒａｐｒｅｃｉｓｉｏｎｃｕｔｔｉｎｇ）技术，如制造微型机器人，陀螺仪，大型太空望远镜的镜面，大规模集成电路、芯片等。
现在的超精密加工精度已经达到百分之几微米。
可采用液体静压轴承或空气静压轴承主轴，空气静压导轨，国际上空气导轨的直线度可达０．１一Ｏ．２仙ｎ∥（２５０ｍｍ）。
直线电机用于超精密加工机床，可以获得很好的效果。
如美国Ｐｒｅｃｉｔｅｃｈ公司的Ｎａｎｏｆｏｌｍ２００，是两轴的超精密数控仿形机床，机床用的直线电机是Ｍ啊Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ公司制造，主要加工大型太空望远镜的镜面，使用金刚石刀具，压电晶体误差补偿技术，加工精度达到０．０２５斗ｍ，获得镜面效果；速度范围大，在ｌｕ皿／ｓ低速下无爬行。
线性马达在机床上的应用与展望
线性马达在机床上的应用与展望导语：随着电子技术突飞猛进的发展，高速度多功能的或专用的微处理器及信号处理器的大量涌现（如DSP），直线电机在机床领域的应用迎来了它的高潮。
介绍直线电机在高速和超高速加工、超精密加工和异形截面加工等方向的应用。
1前言随着电子技术突飞猛进的发展，高速度多功能的或专用的微处理器及信号处理器的大量涌现（如DSP），直线电机在机床领域的应用迎来了它的高潮。
从1996年的美国芝加哥机床展览会IMTS`96，日本第18届国际机床展览会，到1999年巴黎国际EMO博览会等一系列国际有影响的展览会上，美国的Ingerellmilling公司，德国的西门子（IFNI），日本三精公司，美国的Kollmorgen公司等国际知名企业向人们展示了直流电机应用于各类机床的强大的魅力，这预示着直线电机开辟的新时代已经到来。
2在机床领域的应用2.1在高速与超高速精密加工中的应用为了提高生产效率和改善零件的加工质量而发展起来的高速和超高速加工，现在已成为机床发展的一个重大趋势。
一个反应灵敏、高速轻便的驱动系统，速度要提高到40-50m/min以上，加减速也要求提高到25-50m/s2，传统的“旋转电机+滚轴丝杠”的传动形式显然是不行的，这是由它自身的弱点决定的，因为中间传动环节的存在首先使刚度降低，弹性变形可使系统的阶次变高，从而系统的鲁棒性降低，伺服性能下降。
弹性变形更是数控机床产生机机械谐振的根源。
其次中间传动环节的存在，增加了运动体的惯量，使得位移和速度响应变慢。
另外诸如间隙死区、摩擦、误差积累等因素，使得这种传统的方式所能达到的最高进给速度为30m/min，加速度仅3m/s2。
而直流电机直接驱动所具有的优点则恰恰可以弥补传统传动方式的不足，其速度是滚轴丝杆副的30倍；加速度是滚轴丝杆副的10倍，最大可达10g，刚度提高了7倍；另外，直线电机直接驱动工作台，所以无反向工作死区；由于电枢惯量小，所以由其构成的直线伺服系统可以达到较高的频率响应（如100Hz）。
并联机床
原理》 《数 控 原理》
绪
论
并联机构的特点
载荷/ 载荷/质量比大 响应速度快 便于模块化设计 布局形式灵活多样 控制复杂 工作空间相对较小 灵活度差 与串联结构互为补充(对偶关系)
原理》 《数 控 原理》
绪
论
传统机床与并联机床的综合性能比较
原理》 《数 控 原理》
绪
论
VARIAX 型加工中心
绪
论
自动化饼干包装(瑞士Demaurex) 自动化饼干包装(瑞士Demaurex)
原理》 《数 控 原理》
绪
论
机器人化机床
Reconfigurable manufacturing system using tricept robots
原理》 《数 控 原理》
绪
论
物流和装配系统
原理》 《数 控 原理》
IMTS'94 美国 Gidding s&Lewi s公司首 次展出 Variax 型并联 运动学 机床
原理》 《数 控 原理》
绪
论
嗣后,美国 Ingersoll推出 Ingersoll推出 了VOH1000 (立式)和 HOH600(卧 HOH600(卧 式)型加工中 心,它们在结 构上得到了较 大的改进,从 "内铣"改为 内铣" "外铣".右 外铣" 图为VOH 图为VOH 1000.
德国 斯图 加特 大学 机床 控制 研究 所 ISW
原理》 《数 控 原理》
绪
论
SKM400型卧式加工中心 SKM400型卧式加工中心
德国 Heck ert公 ert公 司
原理》 《数 控 原理》
绪
论
并联运讲义动机床
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：
并联机床专题讲座并联1
清华大学 精仪系制造所 王立平
2019年11月19日
并联机床（PMT, Parallel Machine Tool ）又称并联运动 学机器（PKMs, Parallel Kinematics Machine）或虚（拟） 轴机床(Virtual Axis Machine Tool) ，是并联机器人技术和现 代数控机床技术结合的产物，它同时兼顾了机床和机器人 的诸多特性，既可以看作是机器人化的机床（可以完成机 床的切削任务），又可以看作是机床化的机器人（可以完 成许多精密的机器人作业）。它能够提供机器人的灵活与 柔性，又具有机床的刚度和精度，是集多种功能于一体的 新型机电设备。
1. 并联机床运动学
(1) 基于空间模型理论的并联机构设
计方法及新机构的创新研究
研究方向： Stewart平台等6自由度并 联机构——转向少自由度和串并混联 的机构。
研究少自由度机构尺寸和性能之间的 关系，进一步研究机器人的性能随尺 寸变化的一般规律，从而达到依据性 能图谱进行机构设计的目的，为机构 尺寸设计这一难题提供了一条有效途 径。
l1=l2=1150 l1=l2=1200 l1=l2=1250
XNZ2019 作业空间的边界
两支链距离 d/(m)
0.3
两支链距离d/(m)
0.3
0.1
0.1
-180
-120
-60
0
60
(a) ? ≤ 35 o
120
180
刀具转角 Θ / (o)
两支链距离d/(m)
0.3
-180
-120
-60
0
(2) 非线性方程组解集边界求解算法
并联机构的结构特点决定其 输入和输出运动之间具有复杂的 非线性关系，因此在机构的运动 学、动力学、作业空间、误差分 析及运动控制中均涉及大量的非 线性方程组求解。
直线电机在机床上的应用
直线电机在机床上的应用
乔景富
【期刊名称】《机电一体化》
【年(卷),期】1998(4)3
【摘要】一、前言直线电机这个词来源于英文(line motor),又有人称为线性马达、力马达。
1996年美国芝加哥机床展览会IMTS’96上美国Ingerell milling公司
在高速进给机床(HVM)上首次展出这种电机,该公司在40年前就开始研制,目前已
对外销售,并在卧式铣床(FF—510)上应用,预计在两年后的IMTS’98芝加哥机床
展览会上,该机床将是最引人注目的展品。
1996年,在日本第18届国际机床展览
会上,展出夫阿纳库(日本)开发的直线电机,并应用于高速研磨机床。
德国西门子(IFNI)的直线电机在CIMT’97现场表演120m/min高速进给,使观众大开眼界。
西门子公司的直线电机最大进给速度可达200m/min。
其最大推力可达6600N,最大位移距离为504mm,适用对象为高速铣床、曲轴车床、超精密车床、磨床及激
光机床等。
【总页数】2页(P37-38)
【关键词】机床;直线电机;旋转电机
【作者】乔景富
【作者单位】包头液压机械厂
【正文语种】中文
【中图分类】TG502.34
【相关文献】
1.直线电机在高档数控机床上的应用现状 [J], 张倩;万里冰;赵彤
2.直线电机在高档数控机床上的应用 [J], 张伟;王亮;杨冬
3.直线电机技术在PCB数控钻床上的应用 [J], 肖强
4.直线电机在机床上的应用研究 [J], 乔昌风
5.直线电机技术在PCB数控钻床上的应用 [J], 肖强
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并联机床的设计理论与关键技术
并联机床的设计理论与关键技术Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998详解并联机床的设计理论与关键技术1 概述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(Parallel Machine Tool)，又称虚(拟)轴机床(Virtual Axis Machine Tool) 或并联运动学机器(Parallel Kinematics Machine)。
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”(VARIAX)的数控机床与加工中心，引起轰动。
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直线电机与并联机床：机床技术创新典范
在全球经济陷入金融危机，并尚未摆脱其复杂影响的今天，人们对未来的发展进行了深入思考，我们将以什么样的姿态和面貌来迎接一个全新时代的到来呢？可以想见，危机过后，世界经济环境将发生巨大而深刻的变化，技术和产品的发展模式也将不再简单重复过去，我们必将造就一个以高新技术和创新成果为支撑的，以节能环保和低碳经济为主导的，绿色而高效的现代文明时代。
本届展会的主题是“以科技创新迎接后危机时代”，那么，现今的机床有哪些令人瞩目的共性、关键技术呢？记者注意到直线电机和并联机床。
直线电机：前途远大瓶颈仍存
日前，中国机床工具工业协会有关人士告诉记者：“直驱技术是行业发展的方向，也是国产机床的短板，在这个领域，德国和日本占尽先机。
但是，我最近了解到，日本在直驱技术的开发上也遇到了难题，即大功率、大扭矩加工时无法解决散热问题。
”
美国Ingersoll公司是知名的机床制造商，克莱斯勒汽车公司购买其6台HVM600卧式加工中心，用来生产高级汽车发动机汽缸盖。
该机床主轴转速2万r/min，X/Y/Z三轴由GEFANUC的直线电机驱动。
这6台加工中心每天生产300个汽缸盖，相当于11台非直线电机驱动的加工中心的生产量。
目前，世界上最知名的机床厂家几乎无一例外地都推出了直线电机驱动的机床产品，品种覆盖了绝大多数机床类型。
国内自1995年以来也开展了直线电机在机床上的应用研究，如广东工大研发的直线感应电机驱动的GD-3型高速数控机床进给单元，清华研究的长行程永磁直线伺服单元，北京机电院研发的直线电机驱动的加工中心，浙江大学研制的圆筒型直线电机驱动的并联机构坐标测量机和扁平永磁直线电机驱动的磨床，北京机床研究所研发的直线电机驱动的电火花成型机床，国防科大研发的活塞非圆切削中采用直线电机驱动刀具以及北航、南航与有关单位合作研发的机床等。
此外，一些企业如杭州机床集团、江苏多棱数控机床股份有限公司、济南捷迈数控公司、深圳市大族激光科技股份有限公司、南京四开公司等也分别在平面磨床、
激光划线机、激光切割机、雕铣机、加工中心等采用了不同的直线电机技术，取得了较好的效果。
近几年，国际上对数控机床采用直线电机显得特别热，究其原因是，传统机床的驱动装置依赖丝杆驱动，丝杆驱动本身具有一系列不利因素，如：长度限制、机械间隙、摩擦、扭矩、螺矩一周期误差等，而直线电机不仅无此缺陷，且结构简单、精度可以是丝杆的10倍甚至100倍，加速度可以是传统机床的20倍以上。
直线电机技术的发展，经历了不短的历史和几起几落的波浪式发展，采用直线电机驱动的新型装置与非直线电机驱动相比，它所具有的结构简单、无接触、无磨损、噪声低、速度快、精度高、组合灵活等优点是明显的，但由于直线电机本身所具有的磁路开断所引起的边端效应以及安装气隙较大等问题，故在一些直线运动的装置或系统中，是否采用新型的直线电机来驱动，要权衡利弊得失，选择能充分发挥直线电机自身优势的直线运动装置或系统中发展应用。
在科学技术飞速发展的今天，在一些旋转伺服电机或其它驱动装置无能为力或勉强应付的地方，寻找直线电机能充分发挥优势的位置，在满足人类需求和完善人类美好愿望的进程中求得自身的发展，前景是广阔的，但选择是要谨慎的。
并联机床：理念独到也有争议
20世纪70年代初世界上出现了第一批电气机器人，在一些极其单调和危险的工作领域，被用来替代人体劳动。
这种机器人应用的就是串联技术，其技术优势是工作终端能够向各方向运动，具有足够的动态性能和灵活性，可到达要求的工作区域，但其精度和刚性较差。
一直以来，机床制造业的开发者们梦想着将机器人的灵活性好、工作区域大与传统机床精度、刚性高的优点结合在一起。
在过去的20年里，人们一直着眼于运动并联机床（PKM）的开发。
自其问世以来，并联机床的研发，总体上仍处于研究、试制、试用阶段，对并联机床的动力学特性及其加工精度影响规律等研究内容还处在起步阶段。
以牺牲工作空间和灵活度为代价，试图获得高刚度、高承载能力、良好的运动特性，但到目前为止，国内外所开发出的并联机床并未达到所期望的精度能力。
中国机床工具工业协会常务副理事长吴柏林告诉记者：“我不看好并联机床的发展。
一位院士跟我持相同观点，他问我，有什么加工是一定要用并联机床才能实现的呢？”
但这并不妨碍企业尝试的冲动。
2009年9月，威海华东数控股份有限公司（以下简称“华东数控”）与瑞典艾克斯康公司（EXECHON）（以下简称“艾克斯康”）签订《EIM-01的制造许可协议》。
华东数控通过制造许可方式引进艾克斯康公司的成套系列并联运动机床技术，由公司生产制造、销售系列并联运动五轴联动数控机床。
艾克斯康公司保证用其技术生产的机床产品在用户的工厂验收合格。
并联机床，已经开始进入实质运作阶段，并呈现多家竞争格局。
中国机床工具工业协会名誉理事长梁训瑄认为，并联机床可以“巧干代替大干”。
由于这种机床的高度灵活性，可以对重大型的工件进行拟人化的加工，在功能上相当于上千万元一台的龙门铣床；其次，它的应用范围潜力较大。
其实，哈尔滨量具刃具集团（以下简称“哈量”）于2006年首次对艾克斯康并联运动机床的引进，也是梁训瑄一手运作的。
作为专家，他不止在一种场合进行过并联机床的推广，其原因即是他对这种技术的未来把握和对这种机型的看好。
上届中国国际机床展（CIMT2009）上，作为国内最早的技术引进者，哈量也展出了并联机床的样机。
梁训瑄介绍说，国内引进艾克斯康并联机床的3家企业在产品规格上有所差异。
哈量主要做700mm规格的（这一规格同时也转让给了韩国的企业）；华东数控主要做900mm、1000mm，1100mm、1300mm规格的并联机床；长征自贡主要做300mm、500mm的。